DE19508038A1 - Kathode für eine Elektronenröhre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode für eine Elektronenröhre und insbesondere eine thermische Elektronen­ emittierende Kathode erhöhter Lebensdauer zur Verwendung in einer Elektronenröhre, wie beispielsweise in einer Kathoden­ strahlröhre oder einer Bildaufnahmeröhre.

Bei einer herkömmlichen thermische Elektronen-emittierenden Kathode für eine Elektronenröhre ist eine sogenannte "Oxidkathode" weitverbreitet im Einsatz. Eine Oxidkathode umfaßt eine Metallbasis, die als Hauptbestandteil Nickel (Ni) und einen geringen Anteil an Silicium (Si), Magnesium (Mg) oder dergleichen als Reduktionsmittel und eine darauf aufgetragene Schicht aus einem Alkalierdmetallkarbonat ent­ hält, das als Hauptbestandteil Barium (Ba) und vorzugsweise ein ternäres Karbonat enthält, das aus (Ba,Sr,Ca)CO₃ oder einem binären Karbonat davon zusammengesetzt ist. Der Be­ griff "Oxidkathode" wird vorliegend aus der Tatsache abge­ leitet, daß das Karbonat in einem Evakuierungsprozeß bei der Herstellung einer Elektronenröhre in ein Oxid umgewandelt wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Kathode für eine Elektronenröhre unter Darstellung einer scheibenar­ tigen Metallbasis 2, einer zylindrischen röhrenartigen Hülse 3, die am unteren Teil der Metallbasis 2 zur Abstützung an­ gebracht und auf der Innenseite mit einer Heizung 4 zum Be­ heizen der Kathode versehen ist, und einer Schicht aus einer Elektronen-emittierenden Substanz 1, die Ba als Hauptbe­ standteil enthält und auf der Metallbasis aufgetragen und auf dieser ausgebildet ist. Um die Kathode herzustellen, wird ein organisches Nitrocellulose-Lösungsmittel oder der­ gleichen mit einem pulverförmigen Karbonat gemischt, das BaCO₃ als Hauptbestandteil enthält, und dann auf der Metall­ basis 2 durch einen Prozeß aufgetragen, wie beispielsweise Spritzen oder Elektroniederschlagen. Eine derartige Kathode wird auf einer Elektronenkanone angebracht und in eine Elek­ tronenröhre eingebaut. Daraufhin wird die Kathode durch die Heizung 4 auf 1000°C in einem Evakuierungsprozeß aufgeheizt, um ein internes Vakuum zu erzeugen, während dessen das Bari­ umkarbonat sich in Bariumoxid wie folgt umwandelt:

BaCO₃ → BaO + CO₂↑ (1).

Während des Kathodenbetriebs reagiert das derart erzeugte Bariumoxid mit dem Reduktionsmittel (dem Si oder Mg, das in der Metallbasis enthalten ist) in der Grenzfläche zwischen der Metallbasis und der Schicht der Elektronen-emittierenden Substanz gemäß den folgenden Formeln:

BaO + Mg → MgO + Ba↑ (2)

4BaO + Si → Ba₂SiO₄ + 2Ba↑ (3).

Das derart erzeugte freie Ba trägt zur Elektronenemission bei. Ferner wird MgO, Ba₂SiO₄ oder dergleichen in der Grenz­ fläche zwischen der Schicht der Elektronen-emittierenden Substanz und der Metallbasis ausgebildet und dient als "Zwischenschicht" genannte Grenze, um das Mg oder Si daran zu hindern, in die Elektronen-emittierende Schicht zu dif­ fundieren. Die Zwischenschicht verhindert dadurch die Erzeu­ gung von freiem Ba. Die Zwischenschicht führt deshalb zu ei­ ner Verkürzung der Kathodenlebensdauer. Ein weiterer Nach­ teil besteht darin, daß ein hoher Widerstand der Zwischen­ schicht den Stromfluß zum Emittieren der Elektronen verhin­ dert und die Stromdichte begrenzt.

Zusammen mit dem populären Trend zu höherer Auflösung und größeren Bildschirmen für Fernseher und anderen Vorrichtun­ gen, die Kathodenstrahlröhren verwenden, besteht ein zuneh­ mender Bedarf an Kathoden mit hohen Stromdichten und länge­ ren Lebensdauern. Herkömmliche Oxidkathoden sind jedoch nicht dazu in der Lage, diesen Bedarf zu erfüllen, weil sie mit den vorstehend genannten Nachteilen in bezug auf das Leistungsvermögen und die Lebensdauer behaftet sind.

Eine Kathode vom Imprägnierungstyp ist für ihre hohe Strom­ dichte und lange Lebensdauer bekannt. Das Herstellungsver­ fahren für diese Kathode ist jedoch komplex und ihre Be­ triebstemperatur liegt über 1100°C, das bedeutet etwa 300°C oder 400°C über derjenigen von Oxidkathoden. Da das Material für eine derartige Kathode einen höheren Schmelzpunkt haben muß, und da diese Kathode in der Herstellung teuer ist, ist ihr praktischer Einsatz problematisch.

Ein großer Teil der Forschung wurde deshalb zur Verlängerung der Lebensdauer einer herkömmlichen Oxidkathode eingesetzt, deren praktischer Einsatz sich stark empfiehlt.

Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4 797 593 (Mitsubishi) eine Technik zur Verbesserung der Lebensdauer einer Kathode durch Dispergieren von Sc₂O₃, Y₂O₃ oder der­ gleichen in das herkömmliche ternäre Karbonat. Auch die ja­ panische Patentoffenlegungsschrift 64-41137 (Phillips) of­ fenbart eine Technik, bei der Eu₂O₃ in einer Elektronen­ emittierenden Substanz enthalten ist, um die Kathodenlebens­ dauer zu verbessern.

Die Seltenerdmetalle enthaltenden Kathoden haben deshalb er­ höhte Lebensdauern, weil das Seltenerdmetall die Ausbildung einer Zwischenschicht verhindert und frei von verdampftem Barium ist. Das Ausmaß an Elektronenemission der Kathode fällt jedoch nach einer bestimmten Betriebszeitperiode plötzlich ab, weil das Seltenerdmetall ein Sintern der Oxide bei der Betriebstemperatur der Kathode beschleunigt. Das Oxid wird deshalb in einen ausgehärteten oder verhärteten Zustand verkohlt, was zu einer Abnahme der Reaktionsstellen mit einem Reduktionsmittel führt, wodurch die Menge der emittierten Elektronen vermindert wird. Darüber hinaus sind die vorstehend beschriebenen Kathoden nicht vollständig aus­ tauschbar oder kompatibel mit einer herkömmlichen Oxidka­ thode und erfordern eine Modifikation des Kathodenaktivie­ rungsprozesses zur Sicherstellung einer stabilen und ergie­ bigen Emission von thermischen Elektronen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kathode für eine Elektronenröhre zu schaffen, deren Lebens­ dauer deutlich verbessert ist, und die mit den Verfahren zur Herstellung der herkömmlichen Kathode vollständig austausch­ bar oder kompatibel ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Demnach schafft die Erfindung eine Kathode für eine Elektro­ nenröhre mit einer Nickel als Hauptbestandteil enthaltenden Metallbasis und einer Schicht aus einer Elektronen-emittie­ renden Substanz, die auf der Metallbasis ausgebildet ist, wobei die Schicht ein Alkalierdmetalloxid umfaßt, das aus einem Alkalierdmetallkarbonat durch Wärmebehandlung umgewan­ delt ist, das Barium als Hauptbestandteil und sowohl eine Lanthan (La) -Verbindung und eine Magnesium (Mg) -Verbindung oder eine Lanthan-Magnesium-Verbindung enthält.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung bei­ spielhaft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer üblichen Ka­ thode für eine Elektronenröhre,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht einer typischen Schicht ei­ ner Elektronen-emittierenden Substanz einer herkömmlichen Kathode für eine Elektronenröhre unter Darstellung eines ternären Karbonats, das eine kapillare kristalline Struktur hat, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Lebensdauereigen­ schaften von Kathoden für eine Elektronenröhre gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu denjenigen einer her­ kömmlichen Kathode.

Das in der Schicht der Elektronen-emittierenden Substanz ge­ mäß der Erfindung enthaltene Magnesium dient dazu, das Sel­ tenerdmetall daran zu hindern oder zu hemmen, das Sintern der Kathode zu beschleunigen. Durch Einbauen eines Selten­ erdmetalls und Magnesium in der Schicht der Elektronen-emit­ tierenden Substanz wird das Oxidsintern oder Oxidationssin­ tern gehemmt, so daß eine gleichmäßige Menge an Elektronen für eine lange Zeit emittiert werden kann, wodurch die Le­ bensdauereigenschaften einer Kathode verbessert werden kön­ nen.

Die La-Verbindung und die Mg-Verbindung werden ferner eben­ falls mit einem Karbonat gemischt, woraufhin Nitrocellulose- Lösungsmittel oder -Verdünnungen oder dergleichen der derart gewonnenen Mischung zugesetzt werden, so daß eine Suspension zubereitet wird. Diese Suspension wird durch Sprühen oder Spritzen, Elektroniederschlag oder dergleichen auf die Me­ tallbasis aufgetragen. Das Verfahren zur Herstellung der Ka­ thode gemäß der vorliegenden Erfindung ist deshalb mit den herkömmlichen Verfahren vollständig austauschbar und kann problemlos praktisch angewendet werden.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer üblichen Kathode für eine Elektronenröhre, wie vorstehend beschrieben. Die Kathode gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine Schicht aus einer Elektronen-emittierenden Substanz, die auf der Metallbasis ausgebildet ist in Form von (Ba,Sr,Ca)CO₃, die sowohl eine La-Verbindung wie eine Mg-Verbindung oder eine La-Mg-Verbin­ dung enthält. Es ist insbesondere bevorzugt, sowohl Lanthan- Nitrat wie Magnesium-Nitrat zu verwenden, um die La-Verbin­ dung und die Mg-Verbindung jeweils zu erhalten, und ein La- Mg-Nitrat zu verwenden, das vorausgehend aus Lanthan-Nitrat und Magnesium-Nitrat gebildet worden ist und die La-Mg-Ver­ bindung enthält, weil Nitrat in Butanol oder Nitrocellulose leicht in kolloidale Form überführbar und dadurch gleichmä­ ßig in die Karbonate dispergiert werden kann.

Nitrate, wie beispielsweise Ba(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂ und Ca(NO₃)₂ werden üblicherweise in reinem Wasser gelöst und daraufhin in der Lösung unter Verwendung von Na₂CO₃ oder (NH₄)₂CO₃ als Fällungsmittel mitgefällt, um ein ternäres mitgefälltes Kar­ bonat zu erhalten, wobei verschiedene Formen von Karbonat­ kristallpartikeln entsprechend der Nitratkonzentration oder dem pH-Wert, der Temperatur während des Ausfällens und der Ausfällgeschwindigkeit gewonnen werden. Beim Herstellen der erfindungsgemäßen Kathode kann ein Karbonat kapillarer Kri­ stallstruktur (die als bevorzugte Struktur bekannt ist) durch Steuern der vorstehend genannten Bedingungen erhalten werden.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer typischen Schicht einer Elektronen-emittierenden Substanz einer her­ kömmlichen Kathode für eine Elektronenröhre unter Darstel­ lung eines ternären Karbonats, das eine kapillare kri­ stalline Struktur hat.

Beim Herstellen der erfindungsgemäßen Kathode ist eine La- Verbindung und eine Mg-Verbindung oder eine La-Mg-Verbindung daraus, die einem mitgefällten Karbonat eines Alkalierdme­ talls zugesetzt wird, das eine kapillare Kristallstruktur hat, mit einem Gehalt an 0,01 Gew.-% bis 20,0 Gew.-% bezogen auf das Gewicht des Alkalierdmetallkarbonats bevorzugt. Wenn der Gehalt geringer als 0,01 Gew.-% ist, ist die Wirkung der Lebensdauervergrößerung gering, und wenn er mehr als 20,0 Gew.-% beträgt, ist die Anfangsemissionseigenschaft schlecht.

Im Fall, daß sowohl die La-Verbindung wie die Mg-Verbindung enthalten sind, ist es bevorzugt, diese mit demselben Ge­ wicht zu verwenden. Im Fall, daß eine La-Mg-Verbindung ent­ halten ist, ist es bevorzugt, das La-Mg-Nitrat zu verwenden, das durch Mischen des Lanthan-Nitrats mit dem Magnesium-Ni­ trat erhalten wird.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung in bezug auf die speziellen Beispiele konkreter beschrieben, die dazu be­ stimmt sind, die vorliegende Erfindung näher zu beschreiben, ohne ihren Umfang zu beschränken.

Beispiel 1

Nitrate, wie beispielsweise Ba(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂, Ca(NO₃)₂ wurden in reinem Wasser gelöst und unter Verwendung von Na₂CO₃ mitgefällt, um ein mitgefälltes ternäres Karbonat zu erhalten. Daraufhin wurden 1,5 Gew.-% von jeweils La(NO₃)₃ 6H₂O und Mg(NO₃)₂·6H₂O bezogen auf das Gewicht des ternären Karbonats dem Karbonat zugesetzt. Die dadurch erhaltene Mi­ schung wurde auf die Metallbasis aufgetragen. Die derart ausgebildete Kathode wurde in eine Elektronenkanone einge­ führt und eingebaut, woraufhin eine Heizung eingeführt und eingebaut wurde, um die Kathode innerhalb einer Hülse zu er­ hitzen. Die Elektronenkanone wurde in dem Kolben einer Elek­ tronenröhre abgedichtet und daraufhin einem Luftabsaugprozeß unterworfen, um ein internes Vakuum zu erzeugen, wodurch die Heizung das Karbonat der Elektronen-emittierenden Substanz der Schicht zersetzte, um ein Oxid auszubilden. Auf diese Weise wurde die erfindungsgemäße Kathode zubereitet. Darauf­ hin wurde eine Elektronenröhre durch ein herkömmliches Her­ stellungsverfahren erzeugt, und ihre Anfangsemission wurde abgeschätzt. Die Anfangsemissionseigenschaft wurde unter Verwendung eines Stroms (des sogenannten "MIK(maximalen Ka­ thodenstrom)" abgeschätzt, und die Lebensdauer der Kathode wurde durch eine Restrate über eine gegebene Periode in be­ zug auf den anfänglichen MIK-Wert bestimmt (siehe Fig. 3).

Beispiel 2

Eine durch einen getrennten Herstellungsprozeß zubereitete La-Mg-Verbindung wurde dem ternären Karbonat zugesetzt, das in derselben Weise wie im Beispiel 1 erhalten wurde. Mit an­ deren Worten wurden Lanthan-Nitrat und Magnesium-Nitrat gleichmäßig gemischt, um ein La-Mg-Nitrat Mg₃La₂(NO₃)₁₂· 24H₂O zu erhalten. Daraufhin wurden 1,4 Gew.-% der La-Mg- Verbindung bezogen auf das Gewicht des ternären Karbonats dem Karbonat zugesetzt, gefolgt durch denselben Prozeß wie im Beispiel 1, um die erfindungsgemäße Kathode zu erzeugen und die Anfangsemissionseigenschaft und Lebensdauer der Ka­ thode abzuschätzen (siehe Fig. 3).

Vergleichsbeispiel

Eine herkömmliche Kathode wurde in derselben Weise wie im Beispiel 1 zubereitet, jedoch ohne Zusetzen von La(NO₃)₃· 6H₂O und Mg(NO₃)₂·6H₂O. Die Anfangsemissionseigenschaft und die Lebensdauer der Kathode wurden abgeschätzt (siehe Fig. 3).

Fig. 3 zeigt die Lebensdauereigenschaften einer herkömmli­ chen Kathode sowie von Kathoden, die das neue Material gemäß der Erfindung enthalten. Die mit "a" bezeichnete Kurve be­ trifft Lebensdauereigenschaften einer Kathode, die eine Schicht aus einer Elektronen-emittierenden Substanz hat, die ein herkömmliches ternäres Karbonat enthält. Die mit "b" be­ zeichnete Kurve entspricht einer Kathode, bei der die Schicht ein herkömmliches ternäres Karbonat sowie La- und Mg-Verbindungen enthält, und die mit "c" bezeichnete Kurve entspricht einer Kathode, bei der die Schicht ein herkömmli­ ches ternäres Karbonat und eine La-Mg-Verbindung enthält. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, war die Lebensdauer der erfin­ dungsgemäßen Kathode 15 bis 20% länger als diejenige der herkömmlichen Kathode.

Wie in den vorstehenden Beispielen und dem Vergleichsbei­ spiel gezeigt, handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Ka­ thode um eine neue Oxidkathode, die nicht nur eine um 15 bis 20% längere Lebensdauer hat als die herkömmliche Kathode un­ ter gleichen Bedingungen, sondern die auch vollständig aus­ tauschbar ist (hinsichtlich ihrer Herstellung) mit den Her­ stellungsverfahren der herkömmlichen Oxidkathode. Die erfin­ dungsgemäße Kathode überwindet deshalb die Nachteile einer kurzen Lebensdauer, die die Verwendung in großen Bildschir­ men mit Hochauflösungsröhren verhindern, während sie dazu in der Lage ist, eine Massenherstellung zu ermöglichen.

Die Erfindung betrifft eine Kathode für eine Elektronenröhre mit einer Schicht aus einer Elektronen-emittierenden Sub­ stanz, die Alkalierdmetallkarbonate mit Kapillarkristallen enthält, wobei 0,01 bis 20,0 Gew.-% von sowohl einer Lanthan (La)-Verbindung wie einer Magnesium (Mg)-Verbindung oder einer La-Mg-Verbindung, jeweils bezogen auf das Gewicht des Alkalierdmetallkarbonats zugesetzt sind. Die Kathode zeichnet sich durch eine vollständige Austauschbarkeit mit einer herkömmlichen Oxidkathode und einer 15 bis 20% längeren Lebensdauer aus.

Claims (4)

1. Kathode für eine Elektronenröhre mit einer Nickel als Hauptbestandteil enthaltenden Metallbasis und einer Schicht aus einer Elektronen-emittierenden Substanz, die auf der Metallbasis ausgebildet ist, wobei die Schicht ein Alkalierdmetalloxid umfaßt, das aus einem Alkalierd­ metallkarbonat durch Wärmebehandlung umgewandelt ist, das Barium als Hauptbestandteil, eine Lanthan (La)-Verbindung und eine Magnesium(Mg)-Verbindung enthält.

2. Kathode für eine Elektronenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehalte an der La-Verbindung und der Mg-Verbindung 0,01 bis 20,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Alkalierdmetallkarbonats betragen.

3. Kathode für eine Elektronenröhre mit einer Nickel als Hauptbestandteil enthaltenden Metallbasis und einer Schicht aus einer Elektronen-emittierenden Substanz, die auf der Metallbasis ausgebildet ist, wobei die Schicht
,ein Alkalierdmetalloxid umfaßt, das aus einem Alkalierd­ metallkarbonat durch Wärmebehandlung umgewandelt ist, das Barium als Hauptbestandteil und eine Lanthan-Magnesium- Verbindung enthält.

4. Kathode für eine Elektronenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an La-Mg-Verbindung 0,01 bis 20,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Alkalierdme­ tallkarbonats beträgt.