DE19618929A1 - Kathode für Elektronenröhren - Google Patents
Kathode für ElektronenröhrenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathode für
eine Elektronenröhre, im besonderen eine Kathode mit einer
erhöhten Lebensdauer und einer verbesserten Enddrifteigen
schaft für eine Elektronenröhre, wie eine Kathodenstrahlröhre
oder eine Bildaufnahmeröhre.
Fig. 1 ist eine schematische Teilansicht, welche eine
konventionelle Kathode für eine Elektronenröhre mit einer
plattenähnlichen Metallbasis 2, einer zylindrischen Man
schette 3, die auf den unteren Teil der Metallbasis 2 zum
Stützen aufgesetzt und im Inneren mit einer Heizvorrichtung
4 zum Heizen der Kathode ausgestattet ist, und einer elektronen
emittierenden Materialschicht 1, die auf die Metall
basis aufgeschichtet ist, darstellt.
Die elektronenemittierende Materialschicht 1 wird im
allgemeinen aus einem Alkaliererdmetalloxid gebildet, welches
Ba-Oxid, bevorzugt ein ternäres Metalloxid (Ba, Sr, Ca)O als
Hauptkomponente enthält.
Die elektronenemittierende Materialschicht 1 wird auf
die Metallbasis 2 folgendermaßen aufgebildet: Zuerst wird
ein Pulvergemisch aus Bariumcarbonat, Strontiumcarbonat und
Calciumcarbonat in einem organischen Lösungsmittel wie Nitro
cellulose oder ähnlichem gelöst. Diese Lösung wird dann
durch Aufsprühen oder galvanische Metallabscheidung auf die
Metallbasis einer Kathode für eine Elektronenröhre zur Aus
bildung einer Carbonatschicht aufgeschichtet. Das Innere der
Elektronenröhre ist mit einer Elektronenkanone versehen,
welche die Kathode einer Elektronenröhre verwendet, und wird
unter Verwendung der Heizvorrichtung in einem Absaugever
fahren zur Schaffung eines internen Vakuums auf etwa 1000°C
erhitzt. Während des Absaugeverfahrens wird Carbonat in
ein Oxid überführt, wie z. B. Bariumcarbonat in Bariumoxid
gemäß folgender Reaktionsgleichung:
BaCo₃ → BaO + CO₂ ↑ (1)
Die Kathode wird als "Oxidkathode" bezeichnet, da das
Carbonat durch Erhitzen bei hoher Temperatur während des Ab
saugeverfahrens in das Oxid umgewandelt wird.
Während des Kathodenbetriebs reagiert des Bariumoxid
mit dem reduzierenden Agenz (im Metallbasis enthaltenes
Silizium oder Magnesium) in der Grenzfläche zwischen der
Metallbasis und der elektronenemittierenden Materialschicht,
wobei freies Barium folgendermaßen erzeugt wird:
BaO + Mg → MgO + BaO ↑ (2)
4 Bao + Si → Ba₂SiO₄ + 2 Ba ↑ (3)
Das freie Barium trägt zur Elektronenemission bei. In
diesem Fall wird MgO, Ba₂SiO₄ oder ähnliches in der Grenz
fläche zwischen der elektronenemittierenden Materialschicht
und der Metallbasis gebildet. Diese Reaktionsprodukte wirken
als eine Barriere (eine intermediäre Schicht), welche die
Diffusion von Magnesium oder Silizium behindert, die die
Erzeugung von freien aus Barium emittierenden Elektronen
inhibiert. Auf diese Weise führt die intermediäre Schicht zu
einer Verkürzung der Lebensdauer der Oxidkathode. Außerdem
besteht ein weiterer Nachteil darin, daß ein hoher Wider
stand der intermediären Schicht den Stromfluß für emittierende
Elektronen verhindert, was die Stromdichte ein
schränkt.
Zusammen mit üblichen Trends zu höherer Auflösung und
größeren Schirmen für Fernseher oder andere Vorrichtungen,
die Kathodenstrahlröhren benutzen, entstand ein erhöhter
Bedarf an Kathoden mit hohen Stromdichten und längerer Lebens
dauer. Jedoch können konventionelle Oxidkathoden aufgrund
der eben erwähnten Nachteile hinsichtlich der Wirkung
und Lebensdauer diesen Bedarf nicht befriedigen.
Eine Kathode vom Imprägniertyp ist für ihre hohe Strom
dichte und lange Lebensdauer bekannt; ihr Herstellungsver
fahren ist jedoch komplex, und ihre Betriebstemperatur liegt
über 1100°C, d. h. etwa 300°C-400°C höher als die von
konventionellen Oxidkathoden. Da eine solche Kathode aus
einem Material mit viel höherem Schmelzpunkt, welches
sehr teuer ist, gefertigt sein muß, wurde von ihrer praktischen
Verwendung Abstand genommen.
So richtete sich ein großer Teil der Forschung auf die
Verlängerung der Lebensdauer einer konventionellen Oxidkathode
mit einer guten Praktikabilität. Z. B. offenbart das
US-Patent Nr. 4,797,593 eine Technik zur Verbesserung der
Lebensdauer einer Kathode durch Dispergieren von Sc₂O₃, Y₂O₃
oder ähnlichem in einem konventionellen ternären Carbonat.
Die japanische Patentoffenlegung Nr. 6-41137 offenbart eine
Technik, in der ein seltenes Erdmetalloxid, Eu₂O₃, in eine
elektronenemittierende Materialschicht eingeschlossen wird,
um die Lebensdauer der Kathode zu verbessern. In diesem Fall
verhindert das seltene Erdmetall die Erzeugung einer inter
mediären Schicht und das Verdampfen von freiem Barium, was
zu einer erhöhten Lebensdauer der Kathode führt. Jedoch
neigt die Elektronenemissionsmenge einer Kathode dazu, nach
einer vorbestimmten Betriebsdauer scharf abzufallen, da das
seltene Erdmetall das Sintern von Oxid bei der Kathodenbe
triebstemperatur beschleunigt. Auf diese Weise wird Oxid in
einen verhärteten Zustand gesintert, was zur Verminderung
des Reaktionsbereiches eines reduzierenden Agenz führt,
wobei die Menge der emittierenden Elektronen vermindert wird.
Demgemäß besitzen die oben beschriebenen Kathoden keine gute
Enddrift (cut-off drift) eigenschaft. Außerdem können diese
Kathoden nicht in einem konventionellen Oxidkathodenherstellungs
verfahren produziert werden, so daß ihr Herstellungs
verfahren modifiziert werden muß, um außerdem ein Kathoden
aktivierungsverfahren zu beinhalten, damit eine stetige und
reichliche Emission von Elektronen gewährleistet ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine
Kathode für eine Elektronenröhre zur Verfügung zu stellen,
deren Lebensdauer und Enddrifteigenschaft drastisch verbessert
sind und deren Herstellungsverfahren völlig mit den
Verfahren zur Herstellung einer konventionellen Kathode
austauschbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine
Kathode für eine Elektronenröhre enthaltend eine Metallbasis
mit Nickel als Hauptkomponente und eine elektronenemittierende
Materialschicht, die auf der Metallbasis aufgebildet
ist und ein Alkalierdmetalloxid mit Bariumoxid als Haupt
komponente enthält, gelöst, wobei die elektronenemittierende
Materialschicht außerdem eine Lanthan-Magnesium-Mangan-Oxid
enthält.
Bei dem Lanthan-Magnesium-Mangan-Oxid kann es sich um
eine Mischung aus La-Oxid, Mg-Oxid und Mn-Oxid oder eine
Mischung aus La-Mg-Kompositoxid und Mn-Oxid oder um ein La-
Mg-Mn-Kompositoxid handeln.
Die obigen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch detaillierte Beschreibungen ihrer
bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die angefügten
Zeichnungen deutlicher ersichtlich, wobei
Fig. 1 eine schematische Teilansicht einer Kathode
für eine Elektronenröhre ist,
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht ist, die eine
elektronenemittierende Materialschicht einer konventionellen
Kathode für eine Elektronenröhre mit ternären Oxiden mit
einer Kapillarkristallinstruktur darstellt und
Fig. 3 eine Grafik ist, welche die Lebensdauer
eigenschaften einer Kathode für eine Elektronenröhre gemäß
der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit der einen kon
ventionellen Kathode darstellt.
Fig. 4 ist eine Grafik, welche die Enddrifteigen
schaften einer erfindungsgemäßen Kathode für eine Elektronen
röhre im Vergleich mit denen einer konventionellen Kathode
zeigt.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung in der elektronen
emittierenden Materialschicht enthaltenden Magnesium (Mg)
und Mangan (Mn) dienen dazu, das beschleunigte Sintern des
seltenen Erdmetalloxids bei der Betriebstemperatur der Kathode
zu inhibieren. Durch Zugabe von La, Mg und Mn in die
elektronenemittierende Materialschicht wird das Sintern des
Oxids inhibiert, wodurch Elektronen gleichmäßig über einen
langen Zeitraum emittiert werden können, wodurch die Lebensdauer
und die Enddrifteigenschaften einer Kathode verbessert
werden.
Außerdem werden die La-Verbindung, Mg-Verbindung und
Mn-Verbindung ebenso mit (Ba, Sr, Ca)CO₃ gemischt und Butanol
lösungsmittel, Nitrocellulose oder ähnliches zu der Mischung
zugegeben, um eine Suspension zu bilden. Diese Suspension
wird auf die Metallbasis durch Aufsprühen, galvanische
Metallabscheidung oder ähnliches aufgebracht. Das
Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Kathode ist
also vollkommen mit einem konventionellen Verfahren aus
tauschbar, was zu der Praktikabilität der erfindungsgemäßen
Kathode beiträgt.
Fig. 1 stellt einen Querschnitt einer Kathode für
eine Elektronenröhre, wie oben beschrieben, dar. Die erfin
dungsgemäße Kathode besitzt eine elektronenemittierende
Substanzschicht, die auf die Metallbasis aufgebildet ist,
welche (Ba, Sr, Ca)O und das Lanthan-Magnesium-Mangan-Oxid
enthält. Anstelle des Copräzipitat-Ternäroxids (Ba, Sr, Ca)O
kann ein Copräzipitat-Binäroxid (Ba, Sr)O in der elektronen
emittierenden Substanzschicht enthalten sein. Bevorzugt wird
das La-Mg-Mn-Oxid aus einer Mischung von La-Nitrat, Mg-Nitrat
und Mn-Nitrat oder einer Mischung von La-Mg-Nitrat und
Mn-Nitrat oder La-Mg-Mn-Komposit-Nitrat gebildet.
Im allgemeinen werden Nitrate wie Ba(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂ und
Cä(NO₃)₂ in reinem Wasser gelöst und dann in der Lösung unter
Verwendung eines Ausfällmittels wie Na₂CO₃ oder (NH₄)₂CO₃ co
präzipiziert, um ein Copräzipitat-Ternärcarbonat zu erhalten.
Dabei werden verschiedene Formen von Carbonatkristall
partikeln erhalten, entsprechend der Konzentration oder des
pH-Wertes der Nitratlösung, der Temperatur während der Aus
fällung und der Geschwindigkeit der Ausfällung. Durch Regelung
der obigen Bedingungen bei der Herstellung der erfindungs
gemäßen Kathode kann ein Oxid mit einer Kapillarkristall
struktur (als bevorzugte Struktur bekannt) erhalten
werden.
Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt, der eine
elektronenemittierende Materialschicht einer konventionellen
Kathode für eine Elektronenröhre mit einem ternären Oxid,
welches eine Kapillarkristallstruktur aufweist, zeigt.
In der erfindungsgemäßen Kathode beträgt die Menge von
Lanthan-Magnesium-Mangan in bezug auf das copräzipitierte
Alkalierdmetall bevorzugt 0,001 Gew.-% - 20 Gew.-%. Wenn die
Menge unter 0,001 Gew.-% liegt, ist der lebensdauerverlängernde
Effekt schwach; wenn sie über 20 Gew.-% liegt, ist die
anfängliche Emissionseigenschaft gering.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand
bestimmter Beispiele konkret beschrieben, die dazu dienen,
diese Erfindung zu veranschaulichen, ohne dabei ihren Umfang
einzuschränken.
Nitrate, dargestellt als Ba(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂ und
Ca(NO₃)₂, wurden in reinem Wasser gelöst und unter Verwendung
von Na₂CO₃ copräzipitiert, um ein Copräzipititat-Ternärcarbonat
zu erhalten. Danach wurde zu dem Carbonat 1,5 Gew.-%
La(NO₃)₃· 6 H₂O, Mg(NO₃)₂· 6 H₂O bzw. Mn(NO₃)₂· 6 H₂O, bezogen
auf das ternäre Carbonat, zugegeben. Die so erhaltene
Mischung wurde auf die Metallbasis geschichtet. Die so ge
bildete Kathode wurde eingesetzt und in eine Elektronenkanone
eingebaut. Die Elektronenkanone wurde im Kolben einer
Elektronenröhre eingeschlossen und dann einem Absaugever
fahren eingesetzt, um ein internes Vakuum zu erzeugen. Das
Carbonat der elektronenemittierenden Substanzschicht wird
hierbei durch eine Heizvorrichtung zum Heizen der Kathode in
ein Oxid überführt, wobei die erfindungsgemäße Oxidkathode
hergestellt wird. Danach wurde die Elektronenröhre durch ein
konventionelles Herstellungsverfahren vervollständigt und
ihre anfängliche Emissionseigenschaft sowie die Enddrift
spannung bestimmt.
Die initiale Emissionseigenschaft wurde als der maximale
Kathodenstrom (bezeichnet als "MIK-Wert") und die Lebens
dauer der Kathode durch einen Restwert des anfänglichen
MIK-Werts über einen gegebenen Zeitraum bestimmt (siehe
Fig. 3). Die Enddrifteigenschaft wurde als die gedriftete
Menge der Endspannung (cut-off voltage), die dem anfänglichen
MIK-Wert entspricht, über einen gegebenen Zeitraum
bestimmt (siehe Fig. 4). Hierbei verschlechtert sich die
Bildqualität mit Anstieg der gedrifteten Menge.
Durch separate Verfahren hergestelltes La-Mg-Nitrat
und Mn-Nitrat wurden zu einem auf die gleiche Weise wie in
Beispiel 1 erhaltenen ternären Carbonat gegeben. La-Mg-
Nitrat und Mg-Nitrat wurden gleichmäßig gemischt, um
Mg₃La₂(NO₃)₁₂· 24 H₂O zu erhalten. Dann wurden jeweils 1,5
Gew.-% La-Mg-Nitrat und Mn-Nitrat, bezogen auf das ternäre
Carbonat, zu dem ternären Carbonat gegeben und nach dem
gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 verfahren, um die er
findungsgemäße Oxidkathode herzustellen, und die anfänglichen
Emissions- und Enddriftspannungseigenschaften bestimmt.
La-Nitrat, Mg-Nitrat und Mn-Nitrat wurden gleichmäßig
gemischt, um ein La-Mg-Mn-Nitrat zu erhalten. Das La-Mg-Mn-
Nitrat wurde zu einem ternären Carbonat gegeben, das auf die
gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten worden war. Dann
wurden 1,5 Gew.-% des La-Mg-Mn-Nitrats, bezogen auf das ternäre
Carbonat, zu dem ternären Carbonat gegeben und nach dem
gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 die erfindungsgemäße
Oxidkathode hergestellt und die anfänglichen Emissions- und
Enddriftspannungseigenschaften bestimmt.
Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde eine
konventionelle Kathode hergestellt, ohne daß jedoch La(NO₃)₃
· 6 H₂O, Mg(NO₃)₂·6 H₂O und Mn(NO₃)₂· 6 H₂O zugegeben wurden,
und die anfänglichen Emissions- und Enddriftspannungs
eigenschaften bestimmt.
Fig. 3 zeigt die Lebensdauereigenschaften und Fig. 4
die Enddrifteigenschaften der erfindungsgemäßen Oxidkathode
im Vergleich zu der konventionellen Kathode. Die "a"-Kurven
veranschaulichen die Eigenschaften einer Kathode mit einer
elektronenemittierenden Materialschicht, welche aus
schließlich ein konventionelles ternäres Oxid enthält, die
"b"-Kurven entsprechen einer Kathode, in der die Schicht ein
konventionelles ternäres Oxid und Lanthan-Magnesium-Mangan-
Oxid enthält, die "c"-Kurven entsprechen einer Kathode, in
der die Schicht ein konventionelles ternäres Oxid und ein
La-Mg-Kompositoxid und Mn-Oxid enthält, und die "d"-Kurven
entsprechen einer Kathode, in der die Schicht ein konventio
nelles ternäres Oxid und La-Mg-Mn-Kompositoxid enthält.
Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, war die Lebens
dauer der erfindungsgemäßen Kathode 15-20% länger als die
der konventionellen Kathode und die Enddriftspannung der
erfindungsgemäßen Kathode 10-25% geringer als die der
konventionellen Kathode. Insbesondere besaß die Kathode, in
der die elektronenemittierende Materialschicht La-Mg-Mn-
Kompositoxid enthält, bessere Lebensdauer- und Enddrifteigen
schaften als diejenige, welche La-Ma-Kompositoxid und Mn-
Oxid enthält, welche wiederum besser ist als diejenige, die
La-Oxid, Mg-Oxid und Mn-Oxid enthält.
Wie in den obigen Beispielen und dem Vergleichsbeispiel
gezeigt, handelt es sich bei der Kathode der vorliegenden
Erfindung um eine neue Oxidkathode, die unter gleichen
Bedingungen nicht nur eine längere Lebensdauer und bessere
Enddrifteigenschaften als die konventionelle Kathode
besitzt, sondern deren Herstellungsverfahren mit dem einer
konventionellen Oxidkathode vollkommen austauschbar ist.
Demgemäß überwindet die erfindungsgemäße Kathode die Nachteile
einer kurzen Lebensdauer und einer geringen Bildqualität,
welche den Gebrauch in großschirmigen, hochauflösenden
Röhren verhindert, wobei die Praktikabilität der Massenpro
duktion ohne irgendwelche Änderungen im Verfahren erreicht
werden kann.
Claims (5)
1. Kathode für eine Elektronenröhre, enthaltend eine
Metallbasis mit Nickel als Hauptkomponente und eine elektronen
emittierende Materialschicht, welche auf der Metall
basis aufgebildet ist, und die ein Alkaliererdmetalloxid mit
Bariumoxid als Hauptkomponente enthält, wobei die Schicht
außerdem ein Lanthan-Magnesium-Mangan-Oxid enthält.
2. Kathode für eine Elektronenröhre gemäß Anspruch 1,
wobei das Lanthan-Magnesium-Mangan-Oxid eine Mischung aus
La-Oxid, Mg-Oxid und Mn-Oxid ist.
3. Kathode für eine Elektronenröhre gemäß Anspruch 1,
wobei das Lanthan-Magnesium-Mangan-Oxid eine Mischung aus
La-Mg-Kompositoxid und Mn-Oxid ist.
4. Kathode für eine Elektronenröhre gemäß Anspruch 1,
wobei das Lanthan-Magnesium-Mangan-Oxid La-Mg-Mn-Komposit
oxid ist.
5. Kathode für eine Elektronenröhre gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gehalt an Lanthan-Magnesium-
Mangan 0,001-20 Gew.-%, bezogen auf das Alkalierdmetall,
welches Barium als Hauptkomponente enthält, beträgt.
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