DD209703A5

DD209703A5 - Verfahren zum herstellen einer nachlieferungskathode und nach diesen verfahren hergestellte nachlieferungskathode

Info

Publication number: DD209703A5
Application number: DD83249417A
Authority: DD
Inventors: Johannes Van Esdonk; Jacobus Stoffels
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1982-04-01
Filing date: 1983-03-31
Publication date: 1984-05-16
Also published as: US4625142A; DE3364254D1; ES521145A0; ES8605125A1; ES528067A0; JPS58177484A; EP0091161A1; CA1212715A; KR840004823A; KR900008790B1; ES8407243A1; EP0091161B1; ES8406791A1; ES528068A0; NL8201371A

Abstract

DURCH DIE VORANGEHENDE HERSTELLUNG EINES KATHODENKOERPERS DER SKANDIUMOXID ENTHAELT, BEI DER HERSTELLUNG EINER NACHLIEFERUNGSKATHODE UND DURCH DAS SPAETERE ANBRINGEN DES EMITTERWERKSTOFFS IN DER KATHODE IST ES MOEGLICH, EINE GROESSERE SKANDIUMOXIDKONZENTRATION IN DER KATHODENOBERFLAECHE ZU ERHALTEN. DIES ERGIBT EINE LAENGERE LEBENSDAUER UND EINE GERINGERE EMPFINDLICHKEIT DER KATHODE GEGENUEBER IONENBESCHUSS IM VERGLEICH ZU DEN BISHER BEKANNTEN, SKANDIUMOXIDHALTIGEN KATHODEN.

Description

Berlin, den 29. 6. 83 62 235 17

Verfahren zum Herstellen einer Nachlieferungskathode und nach diesjtnJjTejffaJ^^

,Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einige Verfahren zum Herstellen einer Nachlieferungskathode mit Barium- und Skandiumverbindungen zum Nachliefern von Barium an die emittierende Oberfläche eines Kathodenkörpers_s der im wesentlichen aus einem bei hoher Temperatur schmelzenden Metall oder aus einer derartigen Legierung besteht*

Charakteristik der.bekannten technischen Lösungen

Es gibt bei den Nachlieferungskathoden nebst Oxydkathoden drei andere Hauptarten, die L-Kathode, die gepreßte Kathode und die imprägnierte Kathode« Eine Übersicht über diese drei Typen von Nachlieferungskathoden findet sich in Philips Technical Review,,Volume 19, 1957/58, Nr_e 6, S. 177 ... 208, welch© Veröffentlichung als hierin aufgenommen betrachtet werden kann. Nachlieferungskathoden sind dadurch gekennzeichnet, daß es eine funktioneile Trennung zwischen der Elektronen emittierenden Oberfläche einerseits und einem Vorrat des Emitterwerkstoffs andererseits gibt, der dazu dient, ein ausreichend niedriges Austrittspotential dieser emittierenden Oberfläche zu bewirken« Die Emission einer L-Kathode erfolgt aus der Oberfläche eines porösen Metallkörpers, dessen Austrittspotential durch absorbiertes Ba und BaO herabgesetzt ist« Hinter dem porösen Körper besitzt die L-Kathode eine Vorratskammer, in der sich eine Mischung aus

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Wolframpulver und Emitterwerkstoff befindet (beispielsweise Barium-Calcium-Aluminat). Eine gepreßte und eine imprägnierte Kathode haben einen etwas anderen Aufbau, denn dabei fehlt die Vorratskammer und der Emitterwerkstoff ist in den Poren des porösen Metallkörpers angebracht. Eine Preßkathode wird durch das Pressen einer Mischung aus Metallpulver gebildet, beispielsweise Wolfram und/oder Molybdänpulver und Emitterwerkstoff. Eine imprägnierte Kathode entsteht durch die Imprägnierung eines gepreßten und gesinterten porösen Metallkörpers mit Emitterwerkstoff.

Ein derartiges, im ersten Absatz beschriebenes Verfahren ist aus der US-PS 4 007 393 (PHN 7909) bekannt. Darin ist beschrieben, daß ein poröser Metallkörper, der aus Wolframpulver gepreßt ist, gesintert ist und eine Dichte von etwa 80 % der theoretischen Dichte hat, mit einer Mischung imprägniert wird, die neben Bariumoxid, Calciumoxid und Aluminiumoxid noch 3 Grew·-^ Skandiumoxid enthält. Die so hergestellte

Kathode kann einen Strom mit einer Stromdichte von 5 A/cm bei einer Betriebstemperatur von 100 ⁰C für etwa 3OOO Stunden liefern. In der US-PS 3 358 178 ist eine gepreßte Vorratskathode beschrieben, deren Kathodenkörper aus Wolframpulver und Bariumskandat (Ba^Sc^Ou) zusammengesetzt ist. Das Bariumskandat bildet 5 bis 30 % des Gesamtgewichts des Kathodenkörpers. Mit einer derartigen Kathode wird eine Stromdichte von 1,5 bis 4 A/cm² bei 1000 ⁰C bis 1100 ⁰C für einige tausend Stunden erhalten. Ein derartiger Kathodenkörper muß bei der Herstellung nach dem Pressen etwa 5 Minuten bei etwa 155O ⁰C gesintert werden. Eine höhere Sintertemperatur könnte Zersetzung des Bariumskandats zur Folge haben. Durch

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diese verhältnismäßig niedrige Sintertemperatur wird die Pp rosität des gesinterten Kathodenkörpers Jedoch so groß, daJ3 das vorhandene Barium leicht zur Oberfläche hin diffundiert und anschließend verdampft. Weiter ist die Bariummenge in der Kathode verhältnismäßig gering, wodurch die Lebensdauer der Kathode nachteilig beeinflußt wird. Dies ist insbesonde re der lall bei Betriebstemperaturen über 985 ⁰C

Ziel der Erfindung ist es, die geringe Lebensdauer zu vergrößern«

.Wesens, ,der, Erfindung;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einige Verfahren zum Herstellen von Kathoden anzugeben, die neben einer hohen Stromdichte eine längere Lebensdauer als die bisher bekannten gepreßten Kathoden mit Skandiumoxid haben und weniger empfindlich gegenüber Kathodanzerstäuben des Skandiumoxids durch Ionenbeschüß_f als die bisher bekannten imprägnierten Kathoden mit Skandiumoxid sind*

Diese Aufgabe wird mit einem ersten Verfahren zum Herstellen einer Nachlieferungskathode eingangs erwähnter Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kathodenkörper (die Matrix) aus einer Metallpulvermenge gepreßt wird, die zumindest teilweise mit Skandiumoxid vermischt ist, wonach der Körper gesintert und die Kathode mit Emitterwerkstoff versehen wird.

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Unter der emittierenden Oberfläche der Kathode erstreckt sich eine 20 bis 100 /Um dicke skandiumoxidhaltige Zone,

Alle beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen es, eine hohe Skandiumoxidkonzentration, im Vergleich zu bekannten Kathoden, in der Kathodenoberfläche mit den erwähnten Vorteilen zu erhalten. Die Verfahren können sowohl bei L-Kathoden als auch bei imprägnierten Kathoden verwendet werden,

Ausführunff gbeispiej,,

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Bs zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kathode;

Fig. 2j eine Ansicht einer erfindungsgemäßen zylinderförmigen Kathode, und

Fig. 3! einen Längsschnitt durch eine L-Kathode.

Beispiel 1

In Fig, 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kathode dargestellt, Der Kathodenkörper 1 wird aus Wolframpulver gepreßt, auf dem vor dem Zusammenpressen eine o,2 mm dicke Schicht einer Mischung von 95 Gew.-% Wolframpulver und

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5 Gew.-% Skandiumoxid angebracht ist. Nach dem Zusammenpreßiind Sintervorgang besteht der Kathodenkörper aus einer 0,1 mm dicken, skandiumoxidhaltigen porösen Wolframschicht mit einer Dichte von etwa 83 % auf einer 0,7 mm dicken porösen Wolframschicht mit einer Dichte von etwa 75 %· Die Dichte des vollständigen Kathodenkorpers der bisher bekannten Kathoden betrug etwa 80 %j so daß der erfindungsgemäße Kathodenkörper eine größere Imprägniermittelmenge (Emitterwerkstoff) enthalten kann» Anschließend wird der Kathodenkörper mit Barium-Calcium-Aluainat (z. B₆ 5BaO, 2Al₂Oo, 3CaO oder 4BaO. 1A^O-J* 1CaO) imprägniert» Dann wird der imprägnierte Kathodenkörper in eine Halterung 2 eingepreßt und mit dem Kathodenschaft 3 verschweißt. In dem Kathodenschaft 3 befinden sich ein wendeiförmiger Kathodenheizfaden 4, der aus einem wendelförmig gewickelten Metallkern 5 und aus einer Aluminiumoxidisolierschicht 6 besteht. Da sich in der emittierenden Oberfläche 7 eine verhältnismäßig hohe Skandiumoxidkonzentration befindet, wird eine Emission von etwa 100 A/cm² bei 985 ⁰C bei einer Impulsbelastung von 1000 Volt in einer Diode mit einem Kathoden-Anodenabstand von 0,3 mm erhalten·

Beispiel 2

Aus einem aus gepreßtem und gesintertem Wolframpulver hergestellten Wolframkörper wird ein in Fig. 2 in der Ansicht dargestellter Zylinder 20 gedreht. Anschließend wird eine Skandiumoxid und Alkohol enthaltende Suspension mit einem Pinsel auf der Außenseite 21 des Zylinders angebracht, wobei eine etwa 10 /Um dicke Schicht entsteht. Der so bedeck-

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Beispielsweise kann das Metallpulver aus Wolfram und/oder Molybdän oder aus einer Legierung dieser beiden Metalle bestehen· Durch die erfindungsgemäße vorangehende Sinterung der Mischung aus Skandiumoxid (ScgOo) und Metallpulver beispielsweise bei 1900 ⁰C für etwa eine Stunde und erst anschließendes Anbringen des Emitterwerkstoffs auf der Kathode ist es möglich, Kathoden herzustellen, in denen an der Oberfläche viel Skandiumoxid, im Vergleich mit bekannten Kathoden, vorhanden ist. Dieses Anbringen des Emitterwerkstoffs kann sowohl durch Imprägnierung des porösen Metallkörpers beispielsweise mit Barium-Calcium-Aluminat (Zusammensetzung beispielsweise 5 BaO, 2AIgO.,. 3CaO) als auch durch das Anbringen einer Tablette, die Barium-Calcium-Aluminat enthält, in der Vorratskammer der L-Kathode erfolgen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden Kathoden mit einer mittleren kontinuierlichen Stromdichte von 10 A/cm bei 985 ⁰C, wenn gemessen in einer Kathodenstrahlröhre, hergestellt· In einer Diodenmeßanordnung mit einem Kathoden-Anodenabstand von 0,3 mm wurde bei 985 ⁰C und bei einer Impulsbelastung von 1000 Volt eine Stromdichte von etwa

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100 A/cm gemessen· Die hergestellten Kathoden hatten außerdem eine längere Lebensdauer und waren für Ionenbeschuß weniger empfindlich als die bisher bekannten Kathoden. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, daß nur ein Teil des Metallpülvers aus dem der poröse Metallkörper gepreßt wird, mit Skandiumoxid vermischt ist, aus welchem Teil eine Oberflächenschicht gebildet wird· Dies bietet bei imprägnierten Kathoden den Vorteil, daß der Teil des Kathodenkörpers ohne Skandiumoxid eine größere Porosität als die Kathodenkörper der bisher benutzten imprägnierten Kathoden haben kann, wo-

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durch eine größere Imprägniermittelmenge (Emitterwerkstoff) aufgenommen werden kann. Auf diese Weise ist es auch möglich, imprägnierte und L-Kathoden herzustellen, auf denen viel Skandiumoxid vorhanden ist»

Die Skandiumoxidmenge im Gemisch aus einem Skandiumoxid und Metallpulver beträgt vorzugsweise 2 bis 15 Gew,-%«

Es ist erfindungsgemäß auch möglich, viel Skandiumoxid an der Kathodenoberfläche zu erhalten^ wenn der Kathodenkörper aus einer Metallpulvermenge gepreßt, anschließend gesintert wird, und dann eine Skandiumoxidschicht auf der Oberfläche des Kathodenkörpers angebracht wird, wonach der Kathodenkörper mit der darauf befindlichen Skandiumoxidschicht nachgeheizt wird, wonach die Kathode mit Saitterwerkstoff versehen wird. Das Nachheizen erfolgt bei etwa 1900 °C·

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Beispielsweise ist es möglich, eine Skandiumoxidschicht in ?orm einer Skandiumoxidsuspension (die Skandiumoxid und Alkohol enthält) auf einem gesinterten porösen Metallkathodenkörper anzubringen. Dies ermöglicht es, auf einfache Weise beispielsweise zylindrische Kathoden herzustellen.

Bin weiteres Verfahren sam Herstellen einer erfindungsgemäßen Nachlieferungskathode ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkörper aus einer Metallpulvermenge gepreßt wird, wonach eine Körperoberfläche mit einer Skandiumoxidschicht ausgerüstetwird, wonach der Körper gesintert und anschließend die Kathode mit Emitterwerkstoff versehen wird.

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te Zylinder wird anschließend bei 1900 ⁰C geheizt, wonach über die Innenseite die Zylinderkathode mit Barium-Calcium-Aluminat imprägniert wird· Darauf wird in der Kathode ein Heizelement angebracht. Die so erhaltene Kathode hatte eine Emission, die der Emission der Kathode nach dem Beispiel 1 vergleichbar ist,

Beispiel 3

Ein aus reinem Wolframpulver gepreßter Kathodenkörper wird vor dem Sintern bei 1900 ⁰C mit Skandiumoxidpulver eingerieben (eine poröse 5 bis 10 M. dicke Schicht). Nach dem Sintervorgang wird die Kathode auf die übliche Weise imprägniert. Eine derartige Kathode hatte auch wieder sehr gute Emissionseigenschaften, etwa 100 A/cm bei 985 ⁰C bei einer Impulsbelastung von 1000 Volt, wenn gemessen in einer Diodenaddierung mit einem Kathoden-Anodenabstand von 0,3 mm. Die Lebensdauer der Kathode war länger als die der bisher bekannten, skandiumhaltigen Kathoden. Auch war die Kathode nicht sehr empfindlich gegenüber Ionenbeschuß.

Beispiel 4

In Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße L-Kathode dargestellt; Der Kathodenkörper 30 ist aus einer Mischung von 95 G-ew.~% Wolframpulver und 5 Gew.-% Skandiumoxid gepreßt und anschließend gesintert. Der Kathodenkörper 30 ist auf einem Molybdänkathodenschaft 31 befestigt, der mit einem hochstehenden Rand 32 versehen ist. In dem Kathodenschaft 31 befindet sich ein Kathodenheizfaden 33. Im

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Hohlraum zwischen dem Kathodenkörper 30 und dem Kathodenschaft 31 befindet sich ein Emitterwerkstoffvorrat 34 (beispielsweise Barium-Calcium-Aluminat in der Mischung mit Wolfram). Diese Kathode hatte eine Emission, die der Emission der Kathode nach Fig. 1 vergleichbar ist und hatte eine längere Lebensdauer und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Ionenbeschuß als die bisher bekannten skandiumoxidhaltigen Kathoden.

Claims

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1· Verfahren zum Herstellen einer Nachlieferungskathode mit Barium- und Skandiumverbindungen zum Nachliefern von Barium zur emittierenden Oberfläche eines Kathodenkörpers, der im wesentlichen aus einem bei hoher Temperatur schmelzenden Metall oder einer derartigen Legierung besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der Kathodenkörper (die Matrix) aus einer Metallpulvermenge gepreßt wird, die zumindest teilweise mit Skandiumoxid vermischt ist, wonach der Körper gesindert und die Kathode mit Emitterwerkstoff versehen wird«

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch,daß nur ein Teil des Metallpulvers, aus dem der poröse Kathodenkörper gepreßt wird, mit Skandiumoxid vermischt ist, aus welchem Teil eine Oberflächenschicht des Kathodenkörpers gebildet wird»

3· Verfahren nach Punkt 1 oder 2,gekennzeichnet dadurch, daß die Skandiumoxidmenge in der Mischung aus Skandiumoxid und Metallpulver etwa 2 bis 15 Gew.-% beträgt.

4. Verfahren zum Herstellen einer Nacblieferungskathode mit Barium- und Skandiumverbindungen zum Nachliefern von Barium zur emittierenden Oberfläche eines Kathodenkörpers, der im wesentlichen aus einem bei hoher Temperatur schmelzenden Metall oder einer derartigen Legierung besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der Kathodenkörper aus einer Metallpulvermeng® gepreßt und anschließend gesin-

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tert wird, dann eine Skandiumoxidschicht auf der Oberfläche des Kathodenkörpers angebracht wird, wonach der Kathodenkörper mit der darauf befindlichen Skandiumoxidschicht nachgeheizt wird, wonach die Kathode mit Emitterwerkstoff versehen wird.

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Erfindun^sjnsp.ruch

5· Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Skandiumoxidschicht in der ^orm einer Skandiumoxidsuspension auf dem Kathodenkörper angebracht wird,

6, Verfahren zum Herstellen einer Nachlieferungskathode mit Barium- und Skandiumverbindungen zum Nachliefern von Barium zur emittierenden Oberfläche eines Kathodenkörpers, der im wesentlichen aus einem bei hoher Temperatur schmelzenden Metall oder einer derartigen Legierung besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der Kathodenkörper aus einer Metallpulvermenge gepreßt wird, wonach eine Oberfläche des Körpers mit einer Skandiumoxidschicht versehen wird, wonach der Körper gesintert und anschließend die Kathode mit Emitterwerkstoff versehen wird_e

7· Nachlieferungskathode "in der Herstellung nach dem Verfahren nach einem der Punkte 2 und 3» gekennzeichnet dadurch, daß sich unter der emittierenden Oberfläche der Kathode eine 20 bis 100 /Um dicke skandiumoxidhaltige Zone erstreckt.

8. Nachlieferungskathode nach Punkt 7» gekennzeichnet dadurch, daß sie eine L-Kathode ist.

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