DE2325136A1 - Nicht-thermische elektronenroehre mit keramischem heizbarem substrat - Google Patents

Description

München, 9. Mai 1973

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.st.A,)

Nicht-thermische Elektronenröhre mit keramischem heizbarem Substrat

Priorität: 17. Mai 1972; V.St.A.\ Nr. 254 259

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronenemissionsfähige Röhre, die ein evakuiertes Gefäß und eine Anzahl von4m Abstand voneinander befindlichen Elektroden aufweist, die in dem Gefäß befestigt sind und eine cäsiumbehandelte elektronenemissionsfähige Kathode enthalten₅ die als Schicht auf der einen Oberfläche eines dünnen keramischen Plättchens gebildet ist.

Nicht-thermische Elektronenröhren weisen im allgemeinen eine Elektronen emittierende Oberfläche, also eine Kathode, auf, die für den Betrieb der Röhre nicht geheizt werden muß. Die Kathode besteht im allgemeinen aus einer Schicht aus Halbleitermaterial, deren Oberfläche in der Weise cäsiumbehandelt '.worden ist, daß eine die Austrittsarbeit herabsetzende Schicht aus Cäsium, Cäsium und Sauerstoff oder Fluor darauf aufgebracht worden ist.

300848/0996

Bei solchen Kathoden, bei denen das Halbleitermaterial Silicium oder eine Verbindung oder Legierung der Elemente der Gruppen IIIA und VA oder HB 'und.VIA des periodischen Systems der Elemente ist, wird beim Aufbringen der die Austrittsarbeit herabsetzenden Schicht die Kathodenschicht auf eine relativ hohe Temperatur aufgeheizt, nämlich in der Größenordnung zwischen 400° C und 600°C, nachdem die Kathodenschicht in der Röhre montiert worden ist. Solche Kathoden sowie die dabei vorgenommenen Aktivierungsverfahren werden beispielsweise in den US-Patentschriften 3 630 587, 3 632 442 und 3 644 770 beschrieben.

Ein bekanntes Mittel zur Durchführung des Aufheizvorganges besteht aus einer geheizten Drahtwendel, die eng benachbart der Rückseite eines Metallsubstrats angeordnet ist, auf dem sich die Halbleiterschicht befindet. Wenn die Drahtwendel geheizt wird, heizt die von ihr ausgehende Strahlungsenergie das Metallsubstrat und die Kathodenschicht auf. Ein weiteres bekanntes Mittel zur Durchführung des Aufheizvorganges ist eine fokussierte externe intensive Lichtquelle, wie etwa eine Quarzlampe hoher Intensität in Verbindung mit einem Parabolspiegel. Das Licht wird durch" das transparente Röhrengefäß direkt auf das Kathodenmaterial fokussiert. Bei beiden bekannten Terfahrensweisen wird der Wärmeübergang durch Strahlungsenergie bewirkt, so daß erhebliche Wärmemengen an andere Komponenten der Röhre verlorengehen. Zum Beispiel kann bei FotovervielfacherrÖhren ein Teil der von der Drahtwendel abgegebenen Strahlungsenergie als Streustrahlung auftreten und die in der Nähe angeordneten Dynoden aufheizen, so daß diese beschädigt werden. Ferner kann auch eine gewisse Menge der Strahlungsenergie von dem Metallsubstrat der Kathode zu anderen Komponenten reflektiert werden. In ähnlicher Weise wird das

309848/0996

fokussierte Licht von der externen Lichtquelle beim Durchgang durch das Röhrengefäß reflektiert und ferner auch von der Kathodenschicht selbst zu anderen internen Röhrenkomponenten reflektiert. Wenn eine daneben befindliche Dynode, die eine Antimonschicht aufweist, während der Aufheizung der Kathode ebenfalls aufgeheizt wird, 'verdampft das Antimon von der Dynodenoberflache zu anderen Teilen des Röhrengefäßes, wodurch die Arbeitsweise der Röhre beeinträchtigt wird. ,-■;■■■

Ein weiterer Nachteil bei den gegenwärtig benutzten Aufheizmitteln besteht darin, daß die Aufheizung häufig ungleichmäßig ist. Dies resultiert in Ungleichmäßigkeiten der Betriebseigenschaften der aktivierten Kathode»

Bei der erfindungsgemäßen Röhre wird eine Kathodenanordnung vorgesehen,.die aus einem dünnen keramischen Substrat besteht, auf dem eine Kathode angeordnet ist. Ein durch Metallisierung gebildetes Heizmuster ist auf dem Substrat in direktem thermisch leitendem Kontakt^mit der Kathode vorgesehen.

Bei der Erfindung erfolgt die Aufheizung durch Wärmeleitung anstatt durch Wärmestrahlung. Der direkte Wärmeleitungskontakt hat eine Wärmeübertragung zwischen der Heizung und der Kathode mit wesentlich höherem Wirkungsgrad zur Folge. Daher muß die Heizung nicht auf derartig hohe Temperaturen aufgeheizt werden, die eine zerstörerische Streustratilung zu anderen Röhrenkomponenten zur Folge haben wurden. Ferner ist die Aufheizung der 'Kathodenschicht gleichmäßig. Nach Aktivierung der Kathode wird das Heizmuster zu einer passiven Struktur, da die nicht-thermische Kathode für ihren Betrieb nicht geheizt zu werden braucht.

3 0 9848/09 96

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit den Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße, teilweise im Schnitt gezeigte Fotovervielfacherröhre;

Figur 2 in vergrößertem Maßstab eine Querschnittsansicht der Röhre von Figur 1 entlang der Schnittlinie 2-2 von Figur 1;"

Figur 3 eine Draufsicht auf die eine Oberfläche der Kathodenelektrode der Röhre der Figuren 1 und 2; und

Figur 4 . eine Draufsicht auf die entgegengesetzte

Oberfläche, der Kathodenelektrode von Figur 3.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Fotovervielfacherröhre 10 enthält eine Fotokathodenanordnung 12, die zusammen mit einer Anzahl von cäsium-antimonit-überzogenen Dynoden 16 zur Elektronenvervielfachungj einer Anzahl von Feldelektroden 18 und einer Anode 20'zum Einfangen der vervielfachten Eletronen_s die von einer Dynode 16 zur anderen etwa entlang dem durch die gestrichelten Linien 22 angedeuteten Weg wandern, in einem Glasgefäß 14 eingeschlossen ist. In dem Gefäß 14 sind ferner in den Zeichnungen nicht gezeigte Quellen von Cäsium und Sauerstoff zur Aktivierung der Fotokathode der Anordnung 12 eingeschlossen.

Die Fotokathodenanordnung 12 wird im Detail in den Figuren 3 und 4 gezeigt und enthält ein dünnes rechteckiges Plättchen 24 aus Aluminiumoxid (AlpO,), das etwa 1 cm breit, 3s5 cm lang und 0,5 mm dick ist. Eine Oberfläche des Plättchens ist mit einem rechteckigen Block 26 ₉ bestehend aus' einer etwa 25 η dicken Molybdänschicht, versehen, die durch Aufbringen.im.Siebdruckverfahren und Aufbrennen einer

309848/0996

Molybdän-Steatit-Metallisierungsfarbe hergestellt worden ist, die üblicherweise zum Metallisieren von Keramikgegenständen "benutzt wirdο Ein vorderer Abschnitt 28 des Blockes 26 erstreckt sich bis zu einem Kontaktbefestigungsloch 30 am unteren Ende des Plättchens 24 „ Auf dem Block 26 befindet sich eine dünne fotoemissionsfähige Schicht 31 von aus der Dampfphase aufgewachsenem polykristallinem Galliumarsenid-Phosphid mit einer Schichtdicke zwischen etwa 5 und 30 u, wobei der Gehalt an Galliumarsenid etwa 80 % beträgt. Einzelheiten des AufWachsens aus der Dampfphase werden z. B. in der US-PS 3 218 205 beschrieben„

In Figur 4 ist.erfindungsgemäß die entgegengesetzte Oberfläche des Plättchens 24 mit einer Molybdänschicht versehen, die im Zickzackmuster aufgetragen ist» Diese streifenförmige Schicht hat eine in etwa gleichmäßige Breite und ist ungefähr 25 η dick, so daß ein in Kontakt mit dem Plättchen 24 stehender, als elektrische Widerstandsheizung wirkender Streifen 32 gebildet ist_o Jedes Ende des als elektrische Widerstandsheizung wirkenden Streifens 32 erstreckt sich zu einem anderen Kontaktloch 30 bzw« 34· an der Basis des Plättchens 24. Der Heizstreifen 32 kann durch das Aufbringen von Molybdän-Steatit-Farbe im Siebdruckverfahren und durch darauffolgendes Aufbrennen gebildet werden„ Erfindungsgemäß sind in der Nähe des oberen und des unteren Endes des Keramikplättchens 24 Langlöcher 36 bzw» 38 vorgesehen ₉ die sich fast über die ganze Breite des Plättchens 24 erstrecken< > Diese Langlöcher 36 und 38 stellen Wärmesperren där_s die dazu dienen, die Gleichmäßigkeit der Aufheizung durch Ge= ringhaltung der Wärmeverluste an den Enden des Plattchens 24 zu verbessern,, Zur weiteren Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung ist ferner der Heizstreifen 32 an den Abschnitten 40" und 42 in der Mähe der als Wärmesperren

309.84870998

wirkenden Langlöcher 36 und 38 etwas verschmälert. Dies dient dem Zweck, die Wärmeabgabe der Widerstandsheizung in diesen Bereichen zu erhöhen, um die Wärmeverluste auszugleichen, die trotz der Wärmesperren an dem oberen und dem unteren Ende des Plättchens auftreten»

Aufgrund dieser Ausbildung der Kathodenanordnung 12 erfolgt die Aufheizung der Fotokathodenschicht 31 durch direkte Wärmeleitung. Da nur ein relativ geringer Wärmeverlust an andere Röhrenkomponenten wie etwa die Dynoden 16 stattfindet, wird ein unerwünschtes Verdampfen von Antimon von den Dynoden 16 vermieden. "

Elektrische Zuleitungen 44 aus hochtemperaturbeständigem Federmetall werden an dem Plättchen 24 mittels der Löcher 30, 3^· in der Basis des Plättchens 24 befestigt, nachdem dieses in der Röhre 10 montiert worden ist, wie in Figur gezeigt ist.

Die Erfindung kann bei verschiedenen .Arten von Elektronen emittierenden Röhren Anwendung finden, bei denen nichtthermische Kathoden verwendet werden und bei denen es erwünscht ist, eine unnötige Aufheizung anderer interner Komponenten der Röhre beim Aktivieren der Kathode zu vermeiden. Derartige nicht-thermische Kathoden werden im allgemeinen aktiviert durch Aufbringen einer Schicht aus Cäsium, Cäsium und Sauerstoff oder Cäsium und Fluor und darauffolgendes Aufheizen der Kathode auf eine erhöhte Temperatur. Bei der Kathode kann es sich dabei um eine Emitterkathode mit in Durchlaßrichtung vorgespannter Sperrschicht, um eine Fotokathode oder um einen Sekundäremitter handeln. Der Halbleiter kann irgendein für eine Kathodenschicht geeigneter Halbleiter sein. Zum Beispiel kann es sich um Silicium oder um eine Verbindung oder Legierung zwischen den Gruppen IUA

309848/OStS

iond VA oder, den Gruppen HB und YIA des periodischen Systems- der Elemente handeln.

Die Dicke des keramischen Materials für das Plättchen ist vorzugsweise groß genug, um auf der Kathodenseite eine einigermaßen gleichmäßige Temperatur zu erhalten. Wenn das Substrat zu dick ist, besteht Jedoch die Gefahr, daß aufgrund von thermischen Spannungen Keramikmaterial absplittert. Für das Muster des Heizelements kommen verschiedene Muster in Frage, die eine über die Oberfläche relativ gleichmäßige Wärmeentwicklung bewirken. Es ist jedoch, wenn es sich um ein längliches Substratplättchen handelt wie in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, wünschenswert, für eine zusätzliche Wärmezufuhr zu dem Substratplättchen in der Nähe der Enden desselben zu sorgen. ,

Es können verschiedene Metalle für den Heizstreifen und für die Metallisierung der emittierenden Kathodenfläche verwendet werden. Schwer schmelzbare Metalle wie etwa Molybdän und Wolfram werden vorzugsweise verwendet, wenn die Kathodenschicht auf dem Substratplättchen direkt aus der Dampfphase aufwachsen muß. Dies beruht auf den schwierigen Bedingungen ₉ die beim Aufbringen von III-V-Verbindungen aus der Dampfphase in dem betreffenden Ofen eingehalten werden müssen» Während des Aufwachsens der Kathodenschicht wird das Substratplättchen hochreaktionsfähigen Gasen bei Temperaturen im Bereich von 600-1000⁰C ausgesetzt!, Molybdän und Wolfram sind die einzigen allgemein im Gebrauch befindlichen Metalle, die diese besonderen Bedingungen aushalten und mit den III-V-Verbindungen so weit verträglich sind, wie das zum Aufwachsen einer Schicht mit genügend regelmäßiger Kristallordnung im Interesse einer wirksamen Arbeits-' weise der Kathodenschicht erforderlich ist. Wenn die Kathodenschicht selbst genügend leitfähig ist, um ohne eine

30 984 8/09 96

darunter-befindliche metallisierende Zwischenschicht zu arbeiten,· kann die Kathodenschicht direkt auf das keramische Material aufgebracht werden.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Substratplättchen zwar um ein verhältnismäßig lichtundurchlässiges Aluminiumoxid; es könnten jedoch auch andere keramische Oxidmaterialien verwendet werden, beispielsweise Saphir oder Spinell. Die Wahl des Keramikmaterials ist nicht kritisch. Es muß für die in der fertigen Röhre verlangten Vakuumbedingungen geeignet sein. Vorzugsweise ist das Keramikmaterial dafür geeignet, mit Molybdän oder Wolfram metallisiert zu werden,.und ist fähig, die Τβπιρβ^ΐμΓβη auszu7 halten, die zur Bildung der Kathodenschicht und zum Aktivieren der Schicht nach Einfügung der Struktur in das Röhrengefäß erforderlich sind. Hochaluminiumhaltige Keramikstoffe sind besonders geeignet.

, Das Heizmuster kann sich auf derselben Seite des Keramiksubstrats befinden wie die Kathode und kann von der Kathodenschicht durch eine dazwischen angeordnete elektrisch isolierende Schicht wie etwa Siliciumdioxid getrennt sein oder in direktem Berührungskontakt mit der Kathodenschicht stehen. Vorzugsweise steht das Heizmuster in direktem Wärmeleitungskontakt mit der Kathodenschicht, wobei unter direktem Wärmeleitungskontakt verstanden wird, daß die Wärmeübertragung von dem Heizmuster zu der Kathodenschicht primär durch Wärmeleitung erfolgt, und zwar entweder durch direkten Berührungskontakt oder über ein dazwischen befindliches thermisch leitendes Material.

Nachdem das Heizmuster für die Cäsiumbehandlung der Kathode verwendet worden ist, wird es zu einer passiven Struktur,

309848/0996

die für den ^Betrieb der Rohre nicht verwendet wird, da die cäsiumbehandelte Kathode zur Erzielung der Elektronenemission nicht erhitzt wird.

30 9848/099 6 Patentansprüche;

Claims (7)

1. 4t

   P. a te η tan s'...p- r ü c h e

   Elektronenemissionsfähige Röhre mit einem evakuierten Gefäß und einer Anzahl im Abstand voneinander befindlicher Elektroden, die in dem Gefäß montiert sind und eine cäsiumbehandelte elektronenemissionsfähige Kathode enthalten, die als Schicht auf der einen Oberfläche eines dünnen keramischen Plättchens gebildet ist, gekennzeichnet durch eine elektrische Heizung, die durch einen metallischen Widerstandsstreifen (32) gebildet ist, der sich auf dem Plättchen (24i in direktem Wärmeleitungskontakt mit der Kathode (31) befindet.
2. 2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet , daß der zur Heizung dienende Widerstandsstreifen (32) sich auf der einen Oberfläche des Substratplättchens (24) befindet.
3. 3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die emissionsfähige Kathode eine auf der einen Oberfläche des Substrats angeordnete Metallschicht (26), eine auf dieser Metallschicht angeordnete Halbleiterschicht (31) und eine auf der Oberfläche der Halbleiterschicht angeordnete, die Austrittsarbeit herabsetzende Schicht aus Cäsium, Cäsium und Sauerstoff oder Cäsium und Fluor aufweist\
4. 4. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennz e ic h η e t , daß der metallische Widerstandsstreifen (32) im wesentlichen aus Molybdän oder Wolfram besteht.
5. 5. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht mindestens

   309848/0996

   ein Element der Gruppen ΠΙΑ, VA, HB und VIA des periodischen Systems der Elemente enthält.
6. 6. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i chnet , daß das Keramikplättchen (24) sich in dem Gefäß (14) in Längsrichtung desselben erstreckt und an jedem Ende mit je einem quer über das Plättchen verlaufenden Langloch (36, 38) versehen ist und daß der metallische Widerstandsstreifen (32) sich zwischen den Langlöchern auf dem Plättchen erstreckt.
7. 7. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstandsstreifen (32) aus einer Metallschicht von im -wesentlichen gleichmäßiger Breite besteht, die sich im Zickzackmuster zwischen den Langlöchern (36, 38) erstreckt, und daß der Metallstreifen "neben jedem Langloch je einen Abschnitt (40, 42) verringerter Breite aufweist.

   30 98A8/0996

   Leer s eι f e