CN1453809A - 电子枪的高密度薄发射区的氧化物阴极 - Google Patents

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Abstract

一种用于电子枪的氧化物阴极，包括支持阴极发射涂层(1)的衬底(2)，包括称为发射中心区(12)和称为非发射外围区(11)，按照本发明，在发射区(12)的涂层平均密度大于在非发射区(11)同样涂层的平均密度；在发射区(12)的涂层平均厚度小于在非发射区(11)同样涂层的平均厚度。以这种方式，就可以限制截止电压的偏移，同时在直流模式和脉冲模式中保持好的最大发射特性。

Description

电子枪的高密度薄发射区的氧化物阴极
技术领域
本发明涉及基于氧化物的热发射阴极，该阴极广泛用作为阴极射线管的电子枪中的电子源，特别用于计算机监视器或电视屏幕。
背景技术
参考图1，常规的氧化物阴极K包括：
—阴极发射涂层1，基本上由碱—土氧化物组成；
—氧化物发射涂层沉积在金属衬底2上，衬底通常基于镍或镍合金，包含减少碱—土氧化物的元素，如镁和硅；
—空心管状环绕3支持衬底；
—灯丝置于管状环绕3内，适合于把真空中的衬底2和氧化物发射涂层1加热到使涂层温度足以发射电子。
阴极发射涂层通常是多孔的，特别是，因为一般由热分解碱—土碳酸盐成为这些元素的氧化物组成；分解前，它们的厚度一般在53和95μm之间，分解后，获得的氧化物涂层有50和90μm之间的厚度。
衬底2的厚度一般在70和150μm之间。
管状环绕3和衬底用同样的金属做的，因此，阴极称为“一体”阴极。
这样的阴极用于电子枪，特别是阴极射线管；常规的电子枪包括：
—如图1所示，三极管适于形成电子束，包括阴极K，第一电极G1或由洞口穿透的Wehnelt形成电子束的基础，也由洞口穿透第二电极G2，使电子束的电子穿过；
—聚焦从三极管出来的电子束的装置(没有显示)，一般由适合于此目的的一系列电极组成。
最靠近阴极的电极或Wehnelt G1有位于平行于阴极发射涂层1外表面的平面51，当电子枪工作时，位于此表面的距离约50到80μm。
在三极管的Wehnelt G1的洞口52可是圆形、椭圆或甚至是矩形的；安置三极管的阴极和电极G1，使得在三极管中的阴极发射涂层的中心与电极的洞口52的中心近似一致；因此在阴极发射涂层中两个区域是可区分的：
—中心区12相应于对着电极G1中洞口52的区域，因此有像此洞口一样的形状，如在图1对称轴两边虚线所指的；
—外围侧面区11相应于除了中心区外的整个阴极发射涂层。
常规的有蔭罩板的彩色电视管通常由包括三个阴极的三级三极管组成，每一阴极有一个主色—红，绿，蓝，电子束电流的时间平均值一般约为0.4到0.8mA；最大照明的电流典型的可达5mA，因此使用整个阴极发射表面，例如，在电极G1有0.5mm直径圆形洞口的情况，阴极可能的发射区也是圆形的并具有相同的直径。
三极管运行时，电压差加在阴极的衬底2和用于调制阴极发射的Wehnelt G1之间；三极管也包括沿着电子轨迹比电极G1远离阴极的电极G2；三极管运行时，对电极G2加偏压，对阴极施加抽出电子的正不变电场，反之对电极G1加偏压，施加负的可调节电场；实际上，中心区12相应于在阴极和电极G1之间最低电压差获得的最大范围电子发射区；在下面此中心称为潜能的发射区，又延伸为“发射区”，类推，因此外围区下面称为“非发射区”。
使阴极发射降为零的衬底和Wehnelt之间的电压差通常称为“截止电压”。
阴极的寿命过程中，我们知道截止电压会漂移，电子枪的发射功能退化或需要昂贵的补偿系统。
此外，阴极的发射性能表达为“脉冲模式的最大发射”和“直流模式的最大发射”。
脉冲模式的最大发射相当于施加于栅级G1短时段的电压脉冲，约10μS中能得到阴极发射涂层的最大表面电流密度；阴极发射涂层的厚度在50到90μm之间，脉冲模式的阴极最大发射基本上正比于它的阴极发射涂层的厚度而且一般有点依赖于此涂层的多孔性。
直流模式的最大发射相当于施加于栅级G1长时段的电压脉冲，10S量级中，能达到的阴极发射涂层的最大表面电流密度；直流模式的最大发射基本上正比于穿过其厚度测量的它的阴极发射涂层的传导率；因此最大的直流发射基本上反比于此涂层的厚度和正比于此涂层的多孔性。
在阴极的寿命时段中，阴极发射涂层的多孔性和厚度随烧结效应而下降；全面看，涂层的传导率下降，因此引起直流模式的最大发射下降。
另一方面，在阴极的寿命时段中，脉冲模式的最大发射比直流模式的最大发射退化得少。
截止电压漂移特别是产生了栅级G1的阴极发射涂层与电子枪分离距离的变化；此距离的变化尤其是因为多孔阴极发射涂层由烧结而收缩；最初厚度越大和/或涂层多孔性越大此收缩就越大。
概括为：
—高多孔性使得直流模式的最大发射改善但是截止电压漂移恶化；
—高厚度使得脉冲模式的最大发射改善但是直流模式的最大发射和截止电压漂移恶化。
因此可以看到面对关于最适宜厚度的定义和阴极发射涂层的多孔性的困难选择；本发明的目标是解决此困难选择。
发明内容
为此目标，本发明的目的是电子枪的氧化物阴极，包括支持基于一种或多种碱—土氧化物的多孔阴极发射涂层的衬底，包括称为发射中心区和称为非发射外围区，其中：
发射区的涂层平均密度大于非发射区同样涂层的平均密度；
发射区的涂层平均厚度小于非发射区同样涂层的平均厚度。
应当理解“基于一种或多种碱—土氧化物的多孔阴极发射涂层”的意思是在基于碱—土氧化物的情况下涂层本身由阴极发射物质组成；其中导电物质一般基于钨的多孔导电元素注入阴极发射物质应不包括在这里的意思中；这些阴极发射元素不是基于碱—土氧化物而是基于钨；使用这些注入导电元素涉及到“注入”阴极，这区别于本发明有关涉及的“氧化物”阴极。
特别对本发明的阴极发射涂层的形态学的感谢，使得有可能根本的限制截止电压漂移，用直流模式和脉冲模式时最大发射而仍维持好的性能。
本发明还有下列特性的一个或多个：
—发射区同时包括以下部分，厚度至少小于在非发射区的平均厚度的10％，密度至少大于在非发射区的平均密度的10％；最好这部分包括发射区的中心；如果发射区是圆形的，应是形成此区域圆形的中心；如果发射区有任意形状，应是形成此区域的质心；
发射区的外表面是凹的而且衬底和阴极发射涂层之间的界面是平面；最好是球形凹度；因为阴极的发射面的球形表面，由阴极发射的电子轨迹收敛区域长度减小，因此有可能改进有此阴极合作的电子管的性能；
衬底和发射区之间的界面是凸的而且阴极发射涂层的外表面是接近平面的；
在阴极发射涂层的所有的点厚度为30到90μm之间；
在发射区和非发射区之间涂层平均密度之差大于或等于0.1g/cm3；
在非发射区最大厚度和发射区最小厚度的差大于或等于20μm；
衬底的厚度是均匀的。
本发明的目的也是适合于至少形成一个电子束的电子枪三极管，包括一个阴极形成一个电子束，由洞口穿透面对每一阴极的第一电极或Wehnelt，为了形成每一电子束的基础，为了每一电子束的电子通过，第二电极也由洞口穿透面对Wehnelt的每一洞口，其中每一阴极依照本发明；对每一阴极，发射区相应于面对电极的洞口，外围区相应于除了发射区的整个阴极发射涂层。
本发明的目的也是电子枪，包括作为电子源的本发明的阴极或三极管。
本发明的目的也是阴极射线管，至少包括一个本发明的电子枪。
附图说明
通过阅读下面的没有限制的例子和参考其中的附图后，对本发明的理解会更清楚：
图1是已描述过的显示电子枪的三极管；
图2和3分别说明在第一和第二实施例中本发明的阴极；
图4和5分别描述了现有技术和本发明的第一实施例阴极发射的电子的轨迹。
具体实施方式
为了简化描述和说明本发明与现有技术比较的差别和优点，使用同样的参考数字表示满足相同功能的元素。
图2说明本发明第一实施例的氧化物阴极K’的上部，包括均匀厚度ES的衬底2支持基于一个或多个碱—土氧化物的多孔阴极发射涂层1，具有提到为直径为DC的发射圆形的中心区12和厚度为EP也为圆形的提到为非发射外围区11；只是显示直径为DJ的环绕3的上部；外围区11的外直径近似相当于环绕3的直径DJ；根据实施例，发射区的外表面是凹的，就是说此区的曲率半径RC的中心在电子发射的同一边；根据实施例，衬底2和阴极发射涂层1之间的界面是平面；因此，在发射区12的涂层1的平均厚度小于在非发射区11同样涂层的厚度EP；这里，发射区12外表面的凹度有连接在非发射外围区11的平面上的球形帽形状；在非发射区11的厚度EP和发射区中心的最小厚度EC的差大于或等于10μm；如果EP-EC＝10μm和如果DC＝0.45mm，那么，RC 2＝(255)2+(R-20)2，凹区的曲率半径是RC＝1.276mm。
根据本发明，在发射区12阴极发射涂层的平均密度大于在非发射区11的同样涂层的平均密度。
根据刚描述的本发明的实施例，现描述获得阴极的过程。
为了制造此阴极，用外直径DJ＝1.4mm园管，管的一端用均匀厚度的平底壁封闭，其外表面作为阴极发射涂层衬底2；管壁形成环绕3，例如底壁厚度ES为100μm；在此情况，底壁是包括两个涂层的双金属，外涂层基于镍，涂有减少碱—土氧化物的元素，如镁，硅和钨；根据变体，底壁可由镍合金制成。
以众所周知的方式，95μm均匀厚度和0.85g/cm3密度的基于碱—土碳酸盐的涂层沉积在衬底2；在碱—土元素中，最好选择钡，锶或可能用钙。
冲压用凸工具头，在涂层沉积的中心产生22μm深的凹洞；如果在此情况中冲压工具头的凸度是球形的并且曲率半径RC＝1.267mm，碳酸盐涂层的冲压区是圆形的，其直径DC为0.45mm。
特别是作用于冲压机的压力，以众所周知的方式设置了后面的操作条件，使得适宜于冲压中心区的碳酸盐涂层平均密度大于非冲压外围区同样涂层的。应该注意到必须避免在文件US6351061，列4，行54到列5，行6描述的压力条件，相反的，通过限制冲压机的压力，推荐避免修改在冲压下碳酸盐涂层的密度。
在冲压中心区碳酸盐涂层的平均密度依赖于在冲压时区域体积的减小：
初始中心区体积：VCi＝EPπDC 2/4＝0.0143mm3；
相对于冲压体积的减小：
ΔV＝π(EP-EC)2(3RC-EP+EC)/3＝0.0016mm3；
最终中心区体积：VCf＝VCi-ΔV＝0.0127mm3。
那么，在中心区碳酸盐涂层的平均密度是0.85×(VCf/VCi)＝0.96g/cm3，即减小11％。这是在此区的平均密度，根据在冲压时压力的分布区内的绝对密度是可能有变化的。
在冲压区的中心，碳酸盐涂层的厚度至少小于非冲压区平均厚度的10％密度，至少大于非冲压区平均密度的10％；此比例是在阴极运行时碳酸盐分解后所期望的。
幸好，三极管制作后执行冲压，阴极必须合并于三极管，在冲压时在此三极管的电极G1和G2的洞用于引导冲压；这保证了冲压区相对于电极的洞很好的对中。
预想的其它的凹形并不离开本发明，例如，用卵形头冲压的圆柱形凹形；也可能用非轴对称的但有两个对称垂直面的冲头冲压，特别是WehneltG1有矩形洞的情况。
因此获得的阴极合并于常规的三极管，其本身合并于常规的电子枪，它本身在真空中合并于电子管；阴极激活后，碳酸盐涂层转变为基于碱—土氧化物的阴极发射涂层1，有相当于冲压区的中心发射区12和相当于非冲压区的非发射区11；碳酸盐的分解产生涂层尺度一些收缩，约5％。
阴极发射涂层1的特性是：
非发射区均匀厚度EP：90μm；
在发射区洞的最小厚度EC：70μm，即相对于EP至少减少20％；
非发射区的平均密度DP：0.85g/cm3；
发射区的平均密度DC：0.96g/cm3。
因此，发射区12涂层的平均厚度小于非发射区11同样涂层的平均厚度，发射区12涂层的平均密度大于非发射区11同样涂层的平均密度。
特别对本发明的阴极射线发射的形态学的感谢，截止电压漂移可能得到根本的限制，同时在直流模式和脉冲模式中仍维持好的最大发射性能。
可以看到，这些更好的性能出于这样的事实，根据本发明，截止电压漂移更多的依赖于阴极发射涂层发射区的中心部分—具有高的密度和低的厚度，其中发射性能更多的依赖于发射区周界或非发射区外围区域的特性，因为存在于周界的发射区圈对整个发射电流有更高的权重，也因为邻近的非发射区提供此周界阴极发射钡源。
附加的优点来自发射区表面的凹形，特别是球形，参考图4如上所解释，显示了由常规的阴极K发射的电子束F，图5说明根据本发明由具有凹的发射区表面的阴极K’发射的电子束F’。
因为由面对阴极K的发射区表面或由邻近电极作用电位的K’建立的等位面形状，特别是三极管G1和G2的等位面形状，由这阴极发射的电子轨迹会聚在沿着电子束F或F’轴延伸线的收敛区，长度为LC-O或LC-O’；收敛区也称为“交叉”区。
如图5说明的，与图4比较可以看到，凹形，特别是球形，根据本发明的阴极K’发射区的表面形状，阴极交叉区的长度小于常规阴极的交叉区长度，因此减小了斑点的大小并改进了本发明提供这样阴极的阴极射线管性能，特别是分辨率。
图3说明本发明第二实施例氧化物阴极K“的上部，包括如上面描述的阴极的同样的部件，参照同样的方式；根据此实施例，衬底2与发射区11之间的界面是凸形的，即此区的曲率半径RC’在电子发射的相反一边；根据此实施例，阴极发射涂层1的外表面近似为平面；因此，在发射区12的涂层1的平均厚度小于在非发射区11同样涂层的平均厚度EP；在此情况，衬底2与发射区11之间的界面凸面有与衬底2与非发射区11之间的界面平的表面连接的球形帽的形状；如前面，在非发射区11的厚度EP和在发射区中心的最小厚度EC之差大于或等于10μm。
根据本发明，在发射区12阴极发射涂层的平均密度大于在非发射区11同样涂层的平均密度。
根据已描述过的本发明的实施例，获得阴极的处理现在描述如下。
为了制造此阴极，用外径为DJ＝1.4mm的园管，管的一端用有凸中心区的底壁封闭相当于将来发射区12的位置；底壁厚度均匀，如为100μm量级；在此情况，如前面所述底壁是双金属。
以众所周知的方式，厚度为95μm和密度为0.85g/cm3的基于碱—土碳酸盐的均匀厚度的涂层用于有凸中心区的底壁或衬底2；在此处理阶段，获得的涂层有相应于衬底2的凸中心区的凸中心区的非平面的外表面。
用平工具头冲压，碳酸盐涂层的中心是平的，只是获得有比涂层其余部分大的密度和小的厚度的碳酸盐涂层。
可以预想其它凸形并不偏离本发明。
因此获得的阴极合并于常规的三极管，其本身合并于常规的电子枪，它本身在真空中合并于电子管；阴极激活后，碳酸盐涂层转变为基于碱—土氧化物的阴极发射涂层1，有相当于压平区的中心发射区12和相当于不压平区的非发射区11。
因此，在发射区12涂层的平均厚度小于在非发射区11同样涂层的平均厚度，在发射区12涂层的平均密度大于在非发射区11同样涂层的平均密度。
如前所述，使得根本的限制截止电压漂移有可能，在直流模式和脉冲模式中仍维持好的最大发射性能。

Claims (13)

1.一种用于电子枪的氧化物阴极，包括衬底(2)，支持基于一个或多个碱—土氧化物的多孔阴极发射涂层(1)，包括称为发射中心区(12)和称为非发射外围区(11)，其中：
在发射区(12)的涂层平均密度大于在非发射区(11)同样涂层的平均密度；
在发射区(12)的涂层平均厚度小于在非发射区(11)同样涂层的平均厚度。
2.如权利要求1所述的阴极，其特征在于发射区(12)包括，其厚度至少小于在非发射区(11)平均厚度的10％，同时，密度至少大于在非发射区(11)平均密度的10％。
3.如权利要求2所述的阴极，其特征在于发射区部分包括发射区中心。
4.如权利要求1到3之一所述的阴极，其特征在于发射区(12)的外表面是凹形的，其中衬底(2)和阴极发射涂层(1)的界面是平的。
5.如权利要求4所述的阴极，其特征在于凹形是球形的。
6.如权利要求1到3之一所述的阴极，其特征在于衬底(2)和发射区(12)的界面是凸的，其中阴极发射涂层(1)的外表面近似平面。
7.如权利要求1到6之一所述的阴极，其特征在于阴极发射涂层在每一点的厚度在30μm和90μm之间。
8.如权利要求7所述的阴极，其特征在于：
在发射区和非发射区之间的涂层平均密度之差大于或等于0.1g/cm3。
在非发射区的最大厚度和发射区最小厚度之间的差大于或等于20μm。
9.如前面任一个权利要求所述的阴极，其特征在于衬底(2)的厚度是均匀的。
10.一种电子枪三极管，适合于至少形成一个电子束，包括一个阴极K形成一个电子束，第一电极或“Wehnelt”(G1)由洞(52)穿透面向每一个阴极，为了形成每一个电子束的基础，第二电极(G2)也由洞穿透面向“Wehnelt”的每一个洞，用于通过每一个电子束的电子，其中每一个阴极是前面任何一个权利要求的阴极。
11.如权利要求10所述的三极管，其特征在于，对每一个阴极，发射区(12)相应于面向在第一电极(G1)的洞(52)的区域，外围区相应于除了发射区(12)的整个阴极发射涂层(1)。
12.一种电子枪，包括：作为如权利1到9任一个权利要求的阴极的电子源或如权利10和11任一个权利要求的三极管的电子源。
13.一种阴极射线管，至少包括一个如权利要求12所述的电子枪。
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