DE2635772A1

DE2635772A1 - Direkt erhitzte oxidkathode

Info

Publication number: DE2635772A1
Application number: DE19762635772
Authority: DE
Inventors: Akira Misumi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1976-08-09
Publication date: 1977-08-11
Also published as: FR2339950A1; GB1559875A; DE2635772B2; US4081713A; FR2339950B1; DE2635772C3

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R. BEETZ sen.

Dlpl..|ng. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. B E E TZ Jr.

81-25 . 8Qi)P( 25

8000 München 22 steinedonstraße ίο _ΤβΙ. (089,227201,227244,295910

Telegr. Allpatent München Telex 522Ο48

9. August 1976

H I T A C H I₃ LTD.
5-I₃ l-chome₃ Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokio (Japan)

Direkt erhitzte Oxidkathode

Die Erfindung bezieht sich auf eine direkt erhitzte Oxidkathode, insbesondere auf einen direkt erhitzten Oxidkathodenaufbau aus einem Trägermetall, auf dem ein Erdalkalimetalloxid abgeschieden ist.

Eine Kathode wird allgemein in einer Empfängerröhre, Entladungsröhre, Kathodenstrahlröhre usw. verwendet, doch soll gewöhnlich die in der Kathodenstrahlröhre verwendete Kathode schnell funktionsfähig sein, um unverzüglich Bilder wiederzugeben, Die Startzeit muß also schnell sein.

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Andererseits teilt iran die Kathode in zwei Typen ein, und zwar den Typ der indirekt erhitzten Oxidkathode und den der direkt erhitzten Gxidkathode. Bei der indirekt erhitzten Oxidkathode beträgt die Startzeit fast 2ü Sekunden, während die Startzeit bei der direkt erhitzten Oxidkathode sehr kurz wie 1 bis 2 Sekunden ist. Daher eignet sich die direkt erhitzte Oxidkathode am meisten als Schnellstarttyp.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direkt erhitzte Oxidkathode mit einem Trägermetall aus einer Nickel als Grundir.etall enthaltenden Legierung und einem auf dem Träfrermetall nach Aufsintern von Metallpulverkörnchen wie Nickel zur Haft-verbesserunn: abgeschiedenen elektronenemissionsfähigen Lrdalkalimetalloxid zu entwickeln, die sich im Betrieb unter Wärmeentwicklung praktisch nicht verf orn-t.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Pulver aus Metall der Nickel: Kobalt; Ni-Co-Legierung; Nickel, Nickel und Kobalt oder Kobalt als Grundmetall enthaltende Legierungen umfassenden Gruppe auf beiden Seiten des das Erdalkalimetalloxid aufnehmenden Trägermetalls abgeschieden sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

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Pig. 1 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines

Beispiels des Aufbaus der herkömmlichen direkt erhitzten Oxidkathode;

Fig. 2 ein Eigenschaftsdiagramm zur Darstellung

der Änderungen der Deformation des Trägermetalls mit der Zeit;

Fig. 3 ein Eigenschaftsdiagramm zur Darstellung der Änderungen der Einsatzspannung mit der Zeit; und

Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des Aufbaus der erfindungsgemäßen direkt erhitzten Oxidkathode.

Man erkennt in Fig. 1 ein Trägermetall 1, das sich zur Wärmeentwicklung bei Stromdurchfluß eignet und aus einer Nickellegierung besteht, die ein zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit geeignetes Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Wolfram, und ein reduzierendes Element, wie z. B. Mg, Al, Si und Zr enthält. Außerdem erkennt man ein Erdalkalimetalloxid 2 mit geeigneter Elektronenemissionsfahigkeit, das auf das Trägermetall 1 aufgebracht ist. Die Oberseite des Trägermetalls 1 ist durch Ni als Grundmaterial enthaltende Körnchen 3 niit Teilchengrößen von einigen /um aufgerauht, indem einige mg der Körnchen auf das Trägermetall 1

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je lcm des Trägermetalls durch Aufblasen aufgebracht und im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre aufgesintert sind, wodurch das Trägermetall 1 fest mit dem Oxid 2 überzogen ist.

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Jedoch wächst bei einem solchen Aufbau der direkt erhitzten Oxidkathode die Diffusionsgeschwindiprkeit der Nickelpulverteilchen 3 in das Trägermetall 1 mit der Wärmeentwicklung des Trägeriretalls 1, und infolgedessen entsteht eine Beanspruchung an der Oberflächenschicht des Trägermetalls 1 an dessen mit den NickelteiLehen 3 im Kontakt befindlicher Seite, wodurch das Trägermetall 1 in Richtung zur Gitterelektrodenseite zu einer konvexen, kugelartigen Gestalt verformt wird. Die Verformungskrümmung, d. h. der Reziprokwert des Radius R^crn) wächst mit steigender Betriebsdauer des Kathodenaufbaus, wie in Fig. 2 dargestellt ist, wo die Zeit (min) als Abszisse und der Reziprokwert des Radius R als Deformation auf der Ordinate aufgetragen sind. Die Kurve A gilt für die Trägermetalitemperatur von 950 ⁰C, die Kurve ß für 1000 ⁰C und die Kurve C für IO5O ⁰C. Als Ergebnis ändert sich nach und nach der Abstand zwischen dem Oxid 2 und einer Gitterelektrode, und infolgedessen ändert sich auch die Einsatzspannunf. In Fig. 3 ist die Änderung AEp₀ der Einsat zspannung E_CQ gegen die Zeit aufgetragen. So ändert sich im Fall einer Farbkathodenstrahlröhre mit einem solchen Kathodenaufbau die Einstellbedingung für den Arbeitspunkt des Dreifachkathodenstrahlerzeugers während der Betriebslebensdauer, und der w'eißaus gleich geht nachteilig verloren. Wenn die Deformation des Trägermetalls 1 weiter wächst, platzt das Oxid 2 ungünstigerweise ab.

Uni diese Machteile zu vermeiden, werden erfindungsgemäß metallische Pulver auch auf der Rückseite des Trägermetalls 1 abgeschieden, damit die Diffusion von Nickel oder Kobalt an beiden Seiten des Trägermetalls 1 unter Vermeidung einer Krümmung des Trägermetalls erfolgt.

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In I·¹ if,. i\ ist ein Ausführungsbeispiel des Auf haus einer direkt erhitzten Oxidkathode remäP· der Erfindung dargestellt, wobei gleiche Pozugsziffern gleiche Teile wie in 7ig. 1 bedeuten. In Fig. *J erkennt man zusätzlich Ni als Grundmaterial enthaltende Pulver 30. die auf der Oberfläche des Tröprermetalls abgeschieden sind, die der Seite entgegengesetzt ist, auf der die Pulverteilchen 3 abgeschieden sind. Die Pulverteilchen 30 werden zweckmäßig gleichzeitig mit den Pulverteiichen 3 gesintert. Im einzelnen werden beispielsweise Karbonylnickel-Pulver, die üblicherweise eine Teilchengröße von einiron ,um aufweisen,

als Pulver 3 mit einem Abscheidegrad von 1,5 mg/cm abgeschieden, und daher müssen dann die gleichen Karbonylnickel-Pulver mit Teilchengrößen von einigen /uir auf der Rückseite des Trätrcrrretalls 3 als Pulver 30 mit dem gleichen Abscheidegrad von 1,5 mg/cm abgeschieden werden. Bei einem solchen Kathodenaufbau erfolgt die Nickeldiffusion an beiden Seiten des Trägermetalls 1 durch dessen Wärmeentwicklung, und die dadurch auf das Trägermetall 1 zur Einwirkung kommenden Belastungen lassen sich an der Oberseite und der Unterseite des Trägermetalls 1 ausgleichen, so daß die Deformation geringstmöglich gehalten wird. Damit lassen sich also ein Verlust des Weißausgleichs und ein Abschälen des Oxids verhindern.

Als die auf der Oberseite und der Unterseite des Trägermetalls 1 abzuscheidenden Pulver 3 und 30 können Pulver aus Nickel allein, wie oben erwähnt, Pulver aus Kobalt allein, Pulver aus einer Ni-Co-Legierung oder Pulver von Ni, Ni-Co oder Co als Grundmaterial und eine geringe Menge von keinen ungünstigen Einfluß auf die Kathode selbst ausübenden Elementen, wie z. B. ein reduzierendes Element, enthaltenden Legierungen verwendet werden. Im Fall der Pulver aus einer Ni-

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Co-Legierung kann das Mischungsverhältnis von Ni zu Co nach Wunsch gewählt werden.

Es ist an sich vorzuziehen, die Metallpulver gleicher Art auf die Oberseite und die Unterseite des Trägermetalls aufzubringen, anstatt Metallpulver verschiedener Arten hierfür zu verwenden, doch bestehen praktisch keine ernsthaften Einwände, eine Kombination verschiedener Arten von Metallpulvern aufzubringen, indem man beispielsweise Nickelpulver auf die Oberseite und Kobaltpulver auf die Unterseite des Trägermetalls aufbringt.

Was den Abscheidegrad der Pulver betrifft, so wurde

ρ weiter oben ein Wert von 1,5 mg/cm angegeben; es sei jedoch noch festgestellt, daß bei einem Abscheidegrad

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von weniger als 0,3 mg/cm eine Gefahr des Oxidabplatzens

besteht und daß bei einem 4,0 mg/cm übersteigenden Abscheidegrad schließlich eine merkliche Deformation der Kathode und eine starke Fluktuation der Kathodentemperatur auftreten können. Daher ist der praktisch brauchbare Bereich des Ab-

2 scheidegrads der Pulver 0,3 bis 4,0 mg/cm .

Auch bei dem vorstehend erläuterten Kathodenaufbau kann sich der Nachteil ergeben, daß ein reduzierendes Element, das vom Trägermetall 1 an das Oxid 2 zu liefern ist, das durch Erhitzen und Zersetzen eines Karbonats im Vakuum hergestellt ist, schnell an Menge verliert, da das Trägermetall 1 des direkt erhitzten Oxidkathodenaufbaus dünner als dasjenige der indirekt erhitzten Oxidkathode ist und keine ausreichende Menge des reduzierenden Elements im Trägermetall 1 gespeichert werden kann. Daher kann das reduzierende Element dem Erdalkalimetalloxid 2 nicht ausreichend zugeführt werden, und die Lebensdauer der Kathode

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wird dementsprechend verkürzt.

Gemäß der Erfindung V-«mn hier Abhilfe geschaffen werden, d. h. es können nicht nur die Deformation des Träo;ermetalls 1 und ein Ablösen des Oxids 2 verhindert werden, sondern man kann erfiniunp;sgemäft auch einen ausreichenden Machschub des reduzierenden Elements zum Oxid erreichen und dadurch die Elektronenemissionsfähip-keit des Oxids verbessern.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist nämlich hierzu ein reduzierendes Element, z. E. Zr, in den Metallpulvern 3 und 30 in Fig. 4 enthalten.

Beim obigen Kathodenaufbau findet die Reduktion des Oxids nach der folgenden Reaktionsformel statt:

3BaO + Zr > BaZrO + 2Ba T

Das reduzierende Element Zr wird nicht nur vorn Trägermetall 1, sondern nach dieser Ausgestaltung der Erfindung auch von den Metallpulverteilchen 3 und auch von den Metallpulverteilchen 30 an der Rückseite des Trägermetalls 1 kontinuierlich für eine lange Seitdauer geliefert, und so kann das Oxid seine Elektronenemissionsfähigkeit und seine Funktionsfähigkeit für eine längere Zeitdauer beibehalten. Hierbei ist die den Pulvern 3 und 30 zuzusetzende Zr-Menge nicht auf den Festlösungsbereich von Zr in den Legierungspulvern beschränkt. Die Festlösiichkeit von Zr in einer Nickelbasis-Legierung ist allgemein etwa 0₅2 bis etwa 0_Ä3 Gew.?, doch

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existiert Zr im Überschuß über die Pestlöslichkeit als intermetallische Verbindung in den Pulvern. Wenn Zr innerhalb des Festlöslichkeitsbereichs nach der angegebenen Reaktionsformel verbraucht wild, dann zersetzt sich die intermetallische Verbindung, so daß Zr in der Festlösungsphase bei etwa 0,2 bis etwa 0,3 Gew.% gehalten wird, d. h. daß die intermetallische Verbindung als Nachschubspeicher wirkt. Daher liefern die Zr oberhalb seines Festlösungsbereichs enthaltenden Pulver dauernd Zr mit der gleichen Geschwindigkeit wie der der 0,2 bis 0,5 Gew.% Zr enthaltenden Pulver, bis die intermetallische Verbindung verschwindet. So können diese Pulver die Reaktion nach der genannten Reaktionsformel für eine sehr lange Zeitdauer in Gang halten und damit die Elektronenemxssxonsfähigkext des Oxids für eine längere Seitdauer als bisher aufrechterhalten.

Was die Menge des Zr als reduzierenden Elements in den Pulvern betrifft, so ist eine Menge von weniger als 0,04 Gew.% Zr für die Verlängerung der Kathodenlebensdauer nicht wesentlich wirksam, und ihre obere Grenze wird durch einen zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit niedrigerem Schmelzpunkt ungeeigneten Grenzwert bestimmt. Daher ist der praktisch brauchbare Vorzugsbereich des Zr-Zusatzes 0,1 bis 10 Gew.Si.

Beim vorstehenden Ausführungsbexspiel beschränkt sich die Beschreibung auf die Verwendung von Pulvern aus einer Ni-Zr-Legierung, doch auch, wenn eine Mischung von Pulvern aus einer Zr-freien Legierung und Zr enthaltenden Pulvern verwendet wird, um den Zr-Gehalt einzustellen, läßt sieh praktisch die gleiche Wirkung wie in dem Fall ersislen, wenn Pulver einer Zr-Legierung mit einer niedrigeren Zr-

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Konzentration verwendet werden.

Andere reduzierende Elemente als Zr, z. E. C₃ I"[g, Si, Al usw. haben eine im Prinzip der von Zr gleichartige Wirkung, doch tritt dabei in einigen Fällen eine bei Zr nicht angetroffene Nebenwirkung auf, und daher muß bei ihrer Verwendung ausreichende Vorsicht walten. So ist es beispielsweise im Fall von C schwierig, Pulver zu erhalten, in denen C in der die Festlöslichkeit (angenähert 0,1 Gew.%) übersteigenden Menge gleichmäßig verteilt wird, und es muß besondere Vorsorge getroffen werden, um eine stabile Qualität zu sichern. Im Fall von Mg führt ein Anstieg des Mg-Gehalts sehr bald zu einer heftigen Verdampfung von Mg und zur Neigung der Bildung einer Verbindung mit niedrigem Schmelzpunkt. Daher sollte allenfalls eine Hg-Legierung mit einer möglichst niedrigen Mg-Konzentration verwendet werden. Der Praktisch einsatzfähige Pereich des Mg-Gehalts liegt von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.$. Im Fall von Si und Al liegen die Festlöslichkeitsgrenzen in einer Höhe von etwa 7 Gew.?., und wenn Pulver mit höherem Al- oder Si-Gehalt verwendet werden, ist die Nachlieferungsgeschwindigkeit von Al oder Si übermäßig hoch, wodurch sich der Widerstand der Zwischenschicht erhöht und folglich zu einer nachteiligen Wirkung auf die Funktion der Oxidkathode führt. Es ist also bei Verwendung dieser reduzierenden Elemente erforderlich, die Eigenschaften der Kathode zu berücksichtigen, bei der diese Zusätze zu verwenden sind.

Wie im Vorstehenden beschrieben ist, liefert die Erfindung eine direkt erhitzte Oxidkathode mit einem Trägermetall aus einer Ni als Grundmaterial enthaltenden Legierung, die bei Stromdurchfluß zur Wärmeentwicklung geeignet ist, und einem auf dem Trägermetall abgeschiedenen Erdalkali-

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metalloxid mit einer Elektronenemissionsfähigkeit und Metallpulvern aus der Gruppe, die Ni allein, Co allein, Ni-Co-Legierungen, Ni, Ni-Co oder Co als Grundmaterial enthaltende Legierungen und Ni als Grundmaterial und ein reduzierendes Element enthaltende Legierungen umfaßt, Vielehe Pulver auf beiden Seiten des Trägermetalls abgeschieden sind, wobei auf die eine Pulverabscheideschicht das Oxid aufgebracht ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Kathodenaufbau läßt sich die Deformation des Trägermetalls selbst äußerst gering halten. Beispielsweise kann bei einer Farbkathodenstrahlrohre aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus der Verlust an Weißausgleich verhindert werden. Weiter läßt sich das Ablösen des Oxids von der Kathode wirksam nicht nur bei der Farbkathodenstrahlrohre, sondern auch in anderen Kathoden verwendenden Geräten verhindern. Außerdem sichert die Verwendung von Ni als Grundmaterial und ein reduzierendes Element enthaltenden Metallpulvern nicht nur die Verhinderung einer Deformation des Trägermetalls und eines

Abschälerß des Oxids, sondern auch einen ausreichenden Nachschub des reduzierenden Elements zum Oxid, wodurch dessen Elektronenemissionsfähigkeit wirksam aufrechterhalten und dessen Funktionsfähigkeit für eine längere Zeitdauer beibehalten werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

( 1/ Direkt erhitzte Oxidkathode mit einem Trägermetall aus einer Nickel als Grundmetall enthaltenden Legierung und einem auf dem Träcermetall nach Aufsintern von Metallpulverkörnchen wie Micke! zur Haftverbesserung abgeschiedenen elektronenemissionsfähigen Erdalkalimetalloxid, dadurch gekennzeichnet , daß Pulver (3, 30) aus Metall der Nickel; Kobalt; Ni-Co-Legierung; Nickel, Nickel und Kobalt oder Kobalt als Grundmetall enthaltende Legierungen umfassenden Gruppe auf beiden Seiten des das Erdalkalimetalloxid (2) aufnehmenden Trägermetalls (1) abgeschieden sind.
2. Oxidkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägprmetall Wenigstens Wolfram und ein Reduktionsmittel enthält.
3. Oxidkathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Mg, Al, Si oder Zr ist.
4. Oxidkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ^ie Metallpulver (3, 30) mit einem Abscheidegrad von 0,3 bis 4,0 mg/cm abgeschieden sind,
5. Oxidkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Nickel als Grundmetall enthaltenden Legierungsgruppe gewählten. Metallpulver (3, 30) ein Reduktionsmittel enthalten.
6. Oxidkathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel C, Mg, Si oder Al ist.

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ORlGiNJAL INSPECTED
7. Oxidkathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Zr ist.
8. Oxidkathode nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß der Zr-Gehalt O₃I bis 10 Gew.% beträgt.
9. Oxidkathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf beiden Seiten des Trägermetalls (1) Pulver aus einer Nickelbasislegierung ohne Reduktionsmittelzusatz abgeschieden sind.
10. Oxidkathode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

die Metallpulver (3, 30) mit einem Abscheidegrad von 0,3

2
bis 4,0 mg/cm abgeschieden sind.
11. Oxidkathode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Zr ist.

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