CN85108462B - 具有包含铬还原剂之氧化物阴极的真空电子管 - Google Patents

Abstract

在一真空电子管中，一种创新的氧化物阴极包括含一金属基体，用以加热该基体至其工作温度的装置，和在该基体上的一碱土金属氧化物层。基体基本上不含硅，并且包含大于１．０％（重量）的有效浓度的铬金属，以逐渐迁移进入到氧化物层中，并还原该氧化物，以产生碱土金属。

Description

具有包含铬还原剂之氧化物阴极的真空电子管

本发明涉及一含有创新氧化物阴极的真空电子管。该创新的氧化物阴极可用于诸如真空二极管、真空三极管或阴极射线管等电子管中。

大多数真空电子管均采用至少有一个热离子氧化物阴极来作为电子源。典型的阴极包含一镍金属基体，在基体的一个表面上有一层基本上由氧化钡和一个或更多其它碱土金属氧化物组成的薄层，与另一表面相对的有一个维持基体的工作温度在约950°到1100°K的装置。基体含有少量的还原剂，而该还原剂在工作温度下，以不同的速率逐渐迁移进入氧化物层，并且还原氧化物层里的氧化钡成钡金属。钡金属在氧化物层上产生一低逸出功表面以在工作温度下有效地发射电子。由拜兹（Bounds）等人在“I.R.E.会议录”、第39卷，第788～799页（1951年版）上所作的题为“镍合金用于氧化物涂层阴极”文章，公开了在基体中普通采用的还原剂为元素铝、碳、镁、锰、硅、钛和钨。

仍把少量的元素硅渗进市面上任何氧化物阴极基体的镍中，即使在阴极工作期间，人们知道一个原硅酸钡的阻性分界层会形成在基体和氧化物层之间。为了限制这种分界层形成从而延长阴极的寿命，基体中的硅浓度通常小于0.1%（重量）而决不能大于0.25%（重量）。前文提及的其他还原剂在基体中的浓度也类似地加以限制。

已被提及作为还原剂的铬金属，决不能故意将之大量加进基体中，因为据称该铬金属将在基体和氧化物层之间形成一妨碍阴极工作的深黑色的分界层，以及因为人们相信铬金属在氧化物阴极的工作温度下升华太快，以致无法实用。于1983年1月25日授于了的K.Takahashi的美国专利第4，370，588号也指出扩散到氧化物层的铬会缩短阴极的发射寿命。

根据本发明，一真空电子管有一氧化物阴极，其基体基本上不含在氧化物阴极工作时能形成阻性分界面层的浓度的硅，而含有的铬的浓度能使铬有效地逐渐迁移进入并且还原该氧化物层。

一般优选铬的浓度大于1.0%（重量），通常约为5到20%（重量）。试验已经表明，如制作适当，阴极有长的使用寿命，而极少或没有分界层或迅速升华的不良影响。

这种氧化物阴极可用于诸如二极管，三极管或阴极射线管等真空电子管中。正如现有的氧化物阴极一样，本发明的氧化物阴极包括一个金属基片或基体，最好为镍金属;一个用来把阴极加热到和保持在它的工作温度的装置和一个在基体上的基本上由碱土金属氧化物组成的氧化物层。与已有的氧化物阴极不同处，本基体基本上不含硅，而且含有有效比例的铬金属，以在阴极工作寿命期间逐渐还原氧化物，在氧化物层中产生受到控制的碱土金属之量。

可将该阴极直接地或间接地加热。在装配本发明的阴极之前，可以在基体中有元素铬的存在，但最好在装配阴极于电子管之后，从邻接的铬源通过热迁移而导入基体中。其他的还原剂如元素镁，也可以在基体中存在。

在附图中：

图1是阴极射线管的符号表示图，其中阴极射线管包括按本发明的阴极。

图2A到2D是一组曲线图，其表示大约在1050°K时加热0，10，500以及超过1000小时后，双金属中的铬浓度。

图3，4，5和6为阴极四种不同实施例的部分剖视图。

在图1中象征性地表示的单枪阴极射线管11包括：一个在一端具有荧光屏13的真空玻璃泡12，一个在该端上的阳极14，一个在另一端的氧化物阴极15，以及在阴极15到阳极之间形成电子束的栅极16和17。阴极15包括一个在其外表面附有氧化物层19的基体18，一个相对于其内表面的电阻加热器20，以及一个在该加热器周围的金属套管21。阴极15的实际结构可以为图3中所示的结构。电子管可以包括一个以上的阴极，如普通在彩色显示和娱乐管所见的。而且，基体18和套管21可以为一个整体件或可以为焊在一起的两件。

在下列对实施例的说明中，氧化物阴极基本上是由三元（钡、锶和钙）碳酸盐（Ba.Sr.Ca）CO₃喷射在镍金属的基体上而组成的涂层，其中镍金属的基体中含有少量的还原剂。在涂层中可以使用一种或多种化合物，这些化合物加热分解成一种或多种碱土金属（包括钡）的氧化物。与现有的氧化物阴极不同，该阴极的基体基本上不含硅，而含有铬金属作为主要还原剂，其含量优选10%（重量），而其他还原剂可以存在。“基本不含硅”一词意指任何含量的硅作为还原剂对氧化物层均不起作用，且在基体和氧化物层之间不形成分界层。

在阴极被装入真空管后，通过供能给阴极的加热装置对该管进行热处理，因而涂层的碳酸盐在热的作用下分解，在基体上产生氧化物层。镍基体的一些用途是支持碳酸盐涂层和氧化物层，传导热到碳酸盐涂层和氧化物层，传导电流到氧化物层以及提供能热迁移到氧化物层的还原剂。

本发明阴极的电子发射，与现有的氧化物阴极一样，均取决于氧化物层游离钡金属的存在，该游离钡能在氧化物层产生低逸出功表面。在热处理和阴极工作寿命期间，镍基体中的还原剂逐渐扩散到氧化物层里，并同氧化钡反应，产生游离钡金属和还原剂的化合物。基体中还原剂移动性的降低和（或）损失是使用阴极时电子发射衰退的主要原因。

在较好的氧化物阴极中，基体中存在的元素铬的浓度大于1.0%（重量），且通常为5到20%（重量）。与已有实施相反，以前认为不希望在氧化物阴极中有任何形式的铬，即使是微量的也应避免。但是，已有的实施认为在基体中还原剂的浓度必须小心地控制，其值不大于1.0%（重量）。

基体中铬的存在会产生不希望的影响，这已被证实了。这些不希望的影响是由于在基体和氧化物层之间的分界面上形成了氧化铬之故，即导致氧化物层与基体的粘性变差。但是，当极少或没有铬的氧化物在含铬基体的分界面上形成时，可以产生具有工作寿命长的有效的氧化物阴极。

在本发明的阴极中，在装配该阴极之前，要禁止或避免铬-氧键，常见的镍-氧键在基体表面上形成。在该阴极被装入真空电子管后，在热处理过程中，常见的镍-氧-钡键在基体层分界面上形成。这可用若干方法均能得到。要谨慎地处理镍-铬合金基体以抑制在基体的表面形成铬-氧化物键。

借助于另一种方法，能将有不含铬的镍基体的阴极装入真空管中。然后，以常用的方法在1030到1080°K左右下加热阴极至少10小时，使真空管进行工作，将来自邻接源的铬迁移到基体之中。阴极工作若干星期之后，才可以保证有足够的铬迁移。较活性的还原剂如元素镁，可以存在于基体中，以增加阴极的电子发射，直至有足够的铬浓度已迁移到基体之中。图2A到2D分别为在约1050°K情况下加热0，10，500和1000小时的初始结合的约为3.0密耳（76μm）厚的双金属中的铬浓度分布曲线，该双金属由2.0密耳（51μm）厚的镍片22和1.0密耳（25μm）厚的镍铬合金片23（20%的铬～80%的镍）所组成。这个数据表明在阴极工作的最初500小时间，大量铬迁移到镍的外表面24上。在加热超过1000小时后，在镍片22中的铬浓度平均约为6%（重量）。如果该表面携带一层附着的氧化物层，那么通过蒸气传递使铬原子迁移到氧化物层，在那里它们与氧化钡反应，并还原氧化钡形成元素钡和铬酸钡，按下式反应式进行：

8BaO+2Cr→Ba₃（CrO₄）₂+5Ba

在大约1030到1080°K的正常阴极工作温度下，元素铬的蒸气压约为5.0×10^-11大气压。随元素钡的逐渐产生，阴极在一个长时间的工作后保持电子发射具有相当高的水平。反应产物并不会作为一个分界面层集中在基体和氧化物层之间的分界面上。在此相比，在相同的温度下，元素硅（其存在于所有市场上的氧化物阴极之中，而本发明的阴极则特别排除其有效浓度）的蒸气压约为4.7×10^-13大气压，大约低两个数量级。基体中的元素硅在基体和氧化物层间的分界面上，趋于形成原硅酸钡的阴性分界面层。

图3表示本发明阴极的第一种最佳实施例。按1983年3月8日授予的P.J.孔兹（Kunz）的美国专利第4，376，009号披露的方法来制备基体。按那种方法，将1密耳（25μm）厚的镍铬合金和2密耳（51μm）厚的阴极镍之双金属拉制成一个管子或套管25，该管的一端被壁26封闭。然后，将阴极镍的外层作选择蚀剂，在套管25的封闭的端壁和邻近的套管侧壁上留下镍金属的结合的基体或帽盖27。在该种情况下，受拉双金属的内层套管25包括大约20%（重量）的铬和大约80%（重量）的镍。帽盖27含镍高于95%（重量）以及含低于5%（重量）的其他成分，其中包括约0.1%（重量）的镁和4.0%（重量）的钨。任何一层均不含有明显量的硅;也就是硅含量低于0.001%（重量）。图2A表示在双金属中铬的最初分布。氧化物层28置于帽盖27的外表面，将加热器29装在套管25之内，并用管脚31伸出套管25的开口端。灯丝加热器在套管25内的表面上设置有一层电绝缘涂层。在拉制和蚀刻基体或帽盖27后，喷射三元碳酸盐在帽盖27的端壁上，然后将具有涂层的帽盖和套管装入电子管中。把电阻加热器29插入套管25内，并将该加热器管脚31焊在电接点上（图未示）。绝缘层33置于灯丝加热器29的表面上。完成管的装配后，将该管抽真空至低压再密封。然后加电压（通常约为6.2伏特直流电压）在管脚31上，使灯丝加热器29加热并升温基体27至1050°K左右。在高于600°K，在帽盖27上的碳酸盐涂层分解生成氧化物，而形成一个氧化物层，一段时间后，帽盖27中的还原剂迁移进入氧化物层并且进行反应，形成游离元素钡。而且，在套管25的端壁上的铬迁移进入帽盖27中，正如图2B，2C和2D所示，最终进入氧化物层28。

图4表示氧化物阴极的第二种实施例。2密耳（51μm）厚的阴极镍的基体包括一套管41，其一端壁43封闭。端壁43的内表面上附着一铬金属层45，端壁43的外表面附有氧化物层47。电阻加热器49置于套管41内，其管脚51伸出套管的开口端。在灯丝加热器上有一个绝缘层53。用类似于第一种实施例所述的方法，可制取该第二种实施例。

图5表示氧化物阴极的第三种实施例，1密耳（25μm）厚的镍铬合金之基体包括一套管61，其一端由端壁63封闭，该端壁起着基体的作用。端壁63的外表面附有氧化物层65。电阻加热器67置于套管61内，其管脚69伸出套管61的开口处。在灯丝加热器67上有一个绝缘层71。在制取该实施例的过程中，在沉积三元碳酸盐涂层之前，将所有的氧化物从端壁63的外表面上除去。于是，在后处理的全过程中，防止该表面氧化，在如上作法时，抑制铬氧化物形成。随后，在高温的热处理过程中，在端壁63（基体）和氧化层65之间的分界面上主要形成一镍-氧-钡结合体，从而在端壁63上形成足够结合的氧化物层65。

图6表示氧化物阴极的第四种实施例，其阴极包括1密耳（25μm）厚的镍铬套管73和2密耳（51μm）厚的镍帽盖75，该帽盖焊在套管73的一端。套管73和帽盖75其组分类似于第一种构形的套管和帽盖。氧化物层77置于帽盖75的外表面。帽盖75的端壁内表面上附有铬金属层79。一电阻加热器81置于套管73内，其管脚83伸出套管73的开口端。在灯丝加热器上有一绝缘层85。

Claims (11)

1、一种具有氧化物阴极的真空电子管，包括一金属基体，一套筒，一位于套筒内的将该基体加热到其工作温度的装置，以及一在该基体上的基本上由碱土金属氧化物构成的层，其特征在于，所说基体（18）基本上不含硅，而含有有效浓度范围为5到20%（重量）的铬金属用以逐渐还原该氧化物，以产生碱土金属。

2、根据权利要求1所述的管子，其特征在于，该基体（18）依以下制备：将基本上不含铬和硅的金属基片层（22）与含有较大比例铬金属而不含硅的金属辅助层（23）结合一起，用一种加热可分解成该氧化层（19）的材料涂覆在该金属基片层的表面，然后在特定的温度下加热该经涂覆层和结合了的金属层，该特定温度为：在该温度下，所说的辅助层中有效比例的铬能逐渐迁移到该基片层和该涂层中。

3、根据权利要求2所述的管子，其特征在于，该基体中的铬金属，其平均浓度约6.0%（重量）。

4、根据权利要求3所述的管子，其特征在于，将涂层和结合金属层在温度为1030到1080°K的范围内加热至少50小时。

5、根据权利要求1所述的管子，其特征在于，除了该基体（18）含有铬金属外，还含有至少一种有效比例的还原剂。

6、根据权利要求1所述的管子，其特征在于，该金属基体（18）基本上包括主要比例的镍金属和包括（a）该铬金属和（b）至少一种快速作用的金属还原剂的一种小比例金属还原剂，以还原该氧化物层（19），并且该氧化物层包括氧化钡。

7、根据权利要求6所述的管子，其特征在于，所述的一种快速作用的金属还原剂为镁金属。

8、根据权利要求1所述的管子，其中在所说基体上的所述层包括钡的氧化物作为主要组分，其特征在于，该基体（18）基本上是由主要比例的镍金属和有效浓度范围为5到20%（重量）的小比例铬金属组成，铬金属作为氧化钡的主要还原剂。

9、根据权利要求8所述的管子，其特征在于，所说的铬金属是通过热迁移而从邻接的铬源导入该基体（18）中。

10、根据权利要求9所述的管子，其特征在于，所述邻接源是涂覆于该基体（18）上的与涂覆有氧化物层（47，77）的基体表面相对的表面上的一铬金属层（45，79）。

11、根据权利要求9所述的管子，其特征在于，该邻接源是镍-铬合金结合到该基体（18）表面的片条（25），该表面是与涂覆有氧化物层（28）的基体表面相对的表面。