DE19702997A1 - Kathodenanordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenanordnung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung und insbesondere eine Katho­ denanordnung, die eine Metall-Keramik- oder Cermet-Tablette als Glühelektronenemitter verwendet, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Kathodenanordnung.

Kathodenanordnungen, die in einer Elektronenröhre wie beispielsweise einer Kathodenstrahlröhre oder einer Bildauf­ nahmeröhre verwandt werden, können in indirekt beheizte Kathodenanordnungen und direkt beheizte Kathodenanordnungen in Abhängigkeit von der Art der Heizung unterteilt werden.

Von diesen Kathodenanordnungen schließen die indirekt beheizten Kathodenanordnungen Oxidkathodenanordnungen und Imprägnierungskathodenanordnungen ein.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigt in einer Schnittansicht eine übliche Oxidkathodenanordnung.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt die Oxidkatho­ denanordnung ein scheibenartiges Grundmetall 2, eine zylin­ drische Hülse 3, die an den unteren Teil des Grundmetalls 2 gepaßt ist, um dieses zu halten, und die innen mit einer Heizung 4 zum Erwärmen der Kathodenanordnung versehen ist, und einen Glühelektronenemitter 1, der auf das Grundmetall 2 geschichtet ist.

Eine derartige Oxidkathodenanordnung kann bei einer relativ niedrigen Temperatur von beispielsweise 700 bis 800°C infolge ihrer geringen Austrittsarbeit verwandt wer­ den. Abgesehen von diesem Vorteil ist eine Oxidkathodenan­ ordnung jedoch mit einigen Problemen verbunden. Da eine Oxidkathodenanordnung aus einem Halbleitermaterial mit einem hohen elektrischen Widerstand gebildet ist, kann sie bei einer hohen Glühelektronenemissionsdichte beschädigt werden. Weiterhin führt die Ausbildung einer Widerstandsschicht zwischen dem Grundmetall und dem Glühelektronenemitter zu einer Abnahme der Lebensdauer der Kathodenanordnung.

Eine Imprägnierungskathodenanordnung wird andererseits dadurch gebildet, daß ein Glühelektronenemissionsmaterial wie beispielsweise Bariumcarbonat, Strontiumcarbonat oder Kalziumcarbonat in poröses Wolfram imprägniert wird. Obwohl eine derartige Imprägnierungskathodenanordnung eine hohe elektrische Stromdichte und eine größere Lebensdauer hat, bestehen bei dieser Anordnung gleichfalls Probleme insofern, als der Herstellungsvorgang kompliziert ist und daher die Produktionskosten relativ hoch sind.

In Gegensatz dazu umfaßt eine direkt beheizte Kathoden­ anordnung einen Glühelektronenemitter und einen Glühdraht zum Halten und zum Erwärmen des Glühelektronenemitters. Der Glühdraht steht in Kontakt mit einer elektrischen Stromquel­ le, um den Glühelektronenemitter mit einem elektrischen Strom zu versorgen und direkt zu beheizen. Die direkt be­ heizte Kathodenanordnung erzeugt somit eine hohe Glühelek­ tronendichte in sehr kurzer Zeit nach Beginn der elektri­ schen Stromversorgung. Eine direkt beheizte Kathodenanord­ nung hat gleichfalls eine lange Lebensdauer.

Unter den direkt beheizten Kathodenanordnungen gibt es eine Kathodenanordnung, die einen Glühelektronenemitter aus einem Metall-Keramik- oder Cermet-Material wie beispiels­ weise Cr₃Si verwendet. Cermet ist eine Zusammensetzung aus einem Keramikmaterial und einem Metall und hat daher einen guten Wärmewiderstand und eine hohe Festigkeit. Eine Katho­ denanordnung, die ein Cermet-Material verwendet, hat somit eine niedrige Austrittsarbeit und eine längere Lebensdauer. Bis jetzt wird jedoch das Cermet-Material als Glühelektrone­ nemitter nur in Form einer dünnen Schicht benutzt, die im folgenden als Cermet-Dünnfilm bezeichnet wird. Der Cermet- Dünnfilm wird dadurch gebildet, daß Chromatome und Silicium­ atome gleichzeitig zerstäubt werden. Ein derartiges Zerstäu­ bungsverfahren ist jedoch kompliziert und aufwendig und ein Cermet-Dünnfilm eignet sich nicht besonders gut als Glüh­ elektronenemitter. Das ist der Grund dafür, daß Cermet bis­ her als Glühelektronenemitter für eine Kathodenanordnung nicht in großem Umfang benutzt wurde.

Durch die Erfindung soll daher eine Kathodenanordnung geschaffen werden, die eine Cermet-Tablette, d. h. Cermet in Tablettenform als Glühelektronenemitter verwendet.

Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung umfaßt dazu einen Glühelektronenemitter und einen Glühdraht zum Halten und Erwärmen des Glühelektronenemitters, wobei der Glühelek­ tronenemitter eine Cermet-Tablette aus Chromsilicid und Siliciumdioxid ist.

Durch die Erfindung soll weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Kathodenanordnung geschaffen werden, die eine Cermet-Tablette als Glühelektronenemitter verwendet, bei dem ein mechanischer Legierungsprozeß benutzt wird, um dadurch eine Kathodenanordnung mit ausgezeichneten Eigen­ schaften und niedrigen Kosten zu erzielen.

Dazu umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstel­ len einer Kathodenanordnung, die eine Cermet-Tablette ver­ wendet, die folgenden Schritte: a) mechanisches Legieren eines Chrompulvers und eines Siliciumpulvers zur Bildung eines Chromsilicidpulvers, b) mechanisches Legieren des Chromsilicidpulvers und Siliciumdioxid (SiO₂)-Pulver, um ein Cermet-Pulver zu bilden, c) Mischen des Cermet-Pulvers und eines Bindemittels und Formen des Reaktionsgemisches unter Druck, um eine Cermet-Tablette zu bilden, d) Wärmebehandeln der Cermet-Tablette unter Vakuum, um die Gase in der Tablet­ te zu entfernen, e) zusätzliche Wärmebehandlung der Cermet- Tablette, um das Cermet-Pulver in der Tablette zu homogeni­ sieren und f) Anbringen eines Glühdrahtes an der Cermet- Tablette.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht einer üblichen Oxidkathoden­ anordnung und

Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht das Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kathodenanordnung umfaßt einen Glühelek­ tronenemitter 31 und einen Glühdraht 32, wobei der Glühelek­ tronenemitter 31 eine Cermet-Tablette aus Chromsilicid und Siliciumdioxid in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1-9 : 1 ist. Der Durchmesser der Cermet-Tablette liegt dabei zwischen 0,9 und 1,5 mm.

Der Glühdraht 32 ist an einem Ende am Glühelektronene­ mitter 31 angebracht, um diesen zu halten. Er ist weiterhin an seinem anderen Ende an eine nicht dargestellte elektri­ sche Stromquelle geschweißt, um den Glühelektronenemitter 31 mit elektrischem Strom zu versorgen und direkt zu beheizen. Ein derartiger Glühdraht besteht im allgemeinen aus einem Wolframdraht und ist am Glühelektronenemitter 31 in dersel­ ben Weise wie bei einer herkömmlichen Kathodenanordnung angebracht. Der Glühdraht ist beispielsweise in den oder durch den Glühelektronenemitter gesteckt oder durch Schwei­ ßen ggf. mit einer zwischen dem Glühdraht und dem Glühelek­ tronenemitter liegenden Metallplatte an der Bodenfläche des Glühelektronenemitters angebracht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Kathodenanordnung umfaßt in einem Schritt a) eine mechanische Legierungsbehandlung die Schritte der Anordnung von Chrompulver und Siliciumpulver in einem Molverhältnis von 3 : 1 in einem Reaktor, des Drehens des Reaktors mit einer Geschwindigkeit von 300-700 Umdrehungen pro Minute über 10-50 Stunden und der Wärmebehandlung des Reaktionsgemisches Drei einer Temperatur von 600-1000°C über 0,5-2 Stunden. Im Schritt a) kann weiterhin ein Prozeßsteuermittel wie bei­ spielsweise Stearinsäure oder Methanol in einer Menge von 1-3 Gew.-% auf der Grundlage des Gesamtgewichtes des Chrompul­ vers und des Siliciumpulvers zugesetzt werden.

In einem Schritt b) umfaßt eine mechanische Legierungs­ behandlung die Schritte der Anordnung des Chromsilicidpul­ vers und des Siliciumdioxidpulvers in einem Gewichtsverhält­ nis von 1 : 1-9 : 1 in einem Reaktor, des Drehens des Reaktors mit einer Geschwindigkeit von 100-400 Umdrehungen pro Minute über 3-24 Stunden und der Wärmebehandlung des Reaktionsgemi­ sches bei einer Temperatur von 1000-1700°C über 0,5-5 Stun­ den. Dabei wird Siliciumdioxidpulver zugegeben, um die Aus­ trittsarbeit auf weniger als 1 eV herabzusetzen.

Im Schritt c) kann irgendeine Art von Bindemittel ver­ wandt werden, das üblicherweise benutzt wird. Vorzugsweise ist das Bindemittel ein Wachs oder ein Alkohol wie bei­ spielsweise Polyvinylalkohol. Die Cermet-Tablette wird vor­ zugsweise in Tablettenform mit einem Durchmesser von 0,9-1,5 mm und einem Druck von 3-8 t/cm² geformt.

Im Schritt d) wird die Cermet-Tablette bei einer Tempe­ ratur von 400-700°C 0,5-3 Stunden lang wärmebehandelt, um die Gase in der Cermet-Tablette zu entfernen.

In einem Schritt e) wird die Cermet-Tablette zusätzlich bei einer Temperatur von 1300-1800°C 1-100 Stunden lang wärmebehandelt, um das Cermet-Pulver in der Tablette zu homogenisieren.

Schließlich kann in einem Schritt f) ein Glühdraht am Glühelektronenemitter so angebracht werden, wie es üblicher­ weise erfolgt. Der Glühdraht kann beispielsweise in oder durch den Glühelektronenemitter gesteckt werden oder an der Bodenfläche des Glühelektronenemitters durch Schweißen ggf. mit einer zwischen dem Glühdraht und dem Glühelektronene­ mitter vorgesehenen Metallplatte angebracht werden.

Die mechanische Legierungsbehandlung hat den Vorteil, daß das Reaktionspulver fein pulverisiert und daher homogen gemischt ist und daß die Wärmebehandlung bei einer Tempera­ tur erfolgt, die unter dem Schmelzpunkt des Reaktanten liegt. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, das mit einer mechanischen Legierungsbehandlung arbeitet, kann daher eine Kathodenanordnung problemlos und mit geringen Kosten hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Kathodenanordnung weist darüber hinaus eine Cermet-Tablette mit niedriger Austrittsarbeit und hoher elektrischer Stromdichte als Glühelektronenemitter auf, was deren Eigenschaften verbessert, beispielsweise die Lebensdauer verlängert.

Im folgenden wird der Herstellungsvorgang anhand eines Beispieles näher erläutert.

Beispiel

16,96 g Chrompulver und 3,026 g Siliciumpulver wurden in einem Kugelmühlenreaktor angeordnet, in den 100 Gew.-% Kugeln und 3 Gew.-% Stearinsäure auf der Grundlage des Ge­ samtgewichtes an Chrompulver und Siliciumpulver eingefüllt wurden. Der Reaktor wurde mit einer Geschwindigkeit von 500 Umdrehungen pro Minute 30 Stunden lang gedreht und das Reak­ tionsgemisch wurde anschließend bei 800°C 1 Stunde lang wärmebehandelt, um ein Cr₃Si-Pulver zu erhalten.

Das Cr₃Si-Pulver und SiO₂-Pulver (Gewichtsverhältnis von Cr₃Si zu SiO₂ betrug 9 : 1) wurden im Reaktor angeordnet. Der Reaktor wurde bei einer Geschwindigkeit von 400 Umdrehungen pro Minute 6 Stunden lang gedreht und das Reaktionsgemisch wurde dann bei 900°C 2 Stunden lang wärmebehandelt, um ein Cermet-Pulver zu bilden.

Danach wurde das Cermet-Pulver mit Polyvinylalkohol vermischt und bei einem Druck von 5 t/cm² verpreßt, um dem Cermet-Pulver die Form einer Tablette mit einem Durchmesser von 1,0 mm zu geben.

Die Cermet-Tablette wurde dann bei 650°C 1 Stunde lang unter Vakuum wärmebehandelt, um die Gase in der Tablette zu entfernen, und anschließend nochmals bei 1400°C 3 Stunden lang wärmebehandelt, um das Cermet-Pulver in der Tablette zu homogenisieren.

Schließlich wurde ein Wolframdraht in die Cermet-Ta­ blette gesteckt, um eine Kathodenanordnung zu bilden.

Was die Kathodenanordnung anbetrifft, so wurden die Austrittsarbeit und die elektrische Stromdichte bei Be­ triebstemperatur (1200°C) gemessen.

Zum Vergleich wurden die Austrittsarbeit und die elek­ trische Stromdichte bei Betriebstemperatur einer üblichen Oxidkathodenanordnung gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle

Wie es in der obigen Tabelle angegeben ist, ergibt ein Vergleich mit einer üblichen Oxidkathodenanordnung, daß eine Kathodenanordnung mit einer Cermet-Tablette gemäß der vor­ liegenden Erfindung eine höhere Qualität hat, d. h. eine niedrige Austrittsarbeit und eine längere Lebensdauer zeigt. Das Verfahren zum Herstellen der Cermet-Tablette ist wesent­ lich einfacher als das der Herstellung eines Cermet-Dünn­ films, so daß die Kathodenanordnung mit einer Cermet-Tablet­ te gemäß der vorliegenden Erfindung problemlos und unter niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Claims (12)

1. Kathodenanordnung mit einem Glühelektronenemitter und einem Glühdraht zum Halten und Erwärmen des Glühelek­ tronenemitters, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühelek­ tronenemitter aus einer Cermet-Tablette (31) besteht, die Chromsilicid und Siliciumdioxid umfaßt.

2. Kathodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des Chromsilicids zum Siliciumdioxid zwischen 1 : 1-9 : 1 liegt.

3. Verfahren zum Herstellen einer Kathodenanordnung mit einer Cermet-Tablette, gekennzeichnet durch die Schritte

• a) mechanisches Legieren eines Chrompulvers und eines Siliciumpulvers zur Bildung eines Chromsilicidpulvers,
• b) mechanisches Legieren des Chromsilicidpulvers und Siliciumdioxidpulver zur Bildung eines Cermet-Pulvers,
• c) Mischen des Cermet-Pulvers und eines Bindemittels und Formen des Reaktionsgemisches unter Druck zu einer Cer­ met-Tablette,
• d) Wärmebehandeln der Cermet-Tablette im Vakuum, um die Gase in der Tablette zu entfernen,
• e) zusätzliche Wärmebehandlung der Cermet-Tablette, um das Cermet-Pulver in der Tablette zu homogenisieren, und
• f) Anbringen eines Glühdrahtes an der Cermet-Tablette.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) Chrompulver und Siliciumpulver in einem molaren Verhältnis von 3 : 1 gemischt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) weiterhin ein Prozeßsteuermittel in einer Menge von 1-3 Gew.-% auf der Grundlage der Gesamtmenge an Chrompulver und Siliciumpulver zugegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßsteuermittel Stearinsäure oder Methanol ist.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt a) die mechanische Legierungsbehandlung die Schritte der Anordnung von Chrompulver und Siliciumpulver in einem Reaktor, des Drehens des Reaktors mit einer Geschwin­ digkeit von 300-700 Umdrehungen pro Minute über 10-50 Stun­ den und der Wärmebehandlung des Reaktionsgemisches bei einer Temperatur von 600-1000°C über 0,5-2 Stunden umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) das Chromsilicidpulver und das Siliciumdi­ oxidpulver in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 1-9 : 1 gemischt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt b) die mechanische Legierungsbehandlung die Schritte der Anordnung des Chromsilicidpulvers und des Sili­ ciumdioxidpulvers in einem Reaktor, des Drehens des Reaktors mit einer Geschwindigkeit von 100-400 Umdrehungen pro Minute über 3-24 Stunden und der Wärmebehandlung des Reaktionsgemi­ sches bei einer Temperatur von 1000-1700°C über 0,5-5 Stun­ den umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt c) das Reaktionsgemisch mit einem Druck von 3-8 t/cm² verpreßt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt d) die Cermet-Tablette auf einer Temperatur von 400-700°C 0,5-3 Stunden lang wärmebehandelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt e) die Cermet-Tablette bei einer Temperatur von 1300-1800°C 1-100 Stunden lang wärmebehandelt wird.