DE2635772C3

DE2635772C3 - Direkt erhitzte Oxidkathode

Info

Publication number: DE2635772C3
Application number: DE2635772A
Authority: DE
Inventors: Akira Mobara Misumi (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1976-08-09
Publication date: 1978-10-26
Also published as: FR2339950B1; FR2339950A1; DE2635772B2; GB1559875A; DE2635772A1; US4081713A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine direkt erhitzte Oxidkathode mit 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.

Die Kathode teilt man in den Typ der indirekt erhitzten Oxidkathode und den der direkt erhitzten Oxidkathode ein. Bei der indirekt erhitzten Oxidkathode beträgt die Startzeit fast 20 Sekunden, während die Startzeit bei der direkt erhitzten Oxidkathode sehr kurz, etwa 1 bis 2 Sekunden ist. Daher eignet sich die direkt erhitzte Öxidkathode am besten als Schnellstarttyp.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direkt erhitzte Oxidkathode mit einem Trägermetall aus einer Nickel als Grundmetall enthaltenden Legierung und einem auf dem Trägermetall nach Aufsintern von Metallpulverkörnchen, z. B. aus Nickel, zur Haftverbesserung abgeschiedenen elektronenemissionsfähigen Erdalkalimetalloxid zu entwickeln, die sich im Betrieb unter Wärmeentwicklung praktisch nicht verformt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemSß dadurch gelöst, daß Pulver aus Nickel oder Kobalt oder einer Ni-Co-Legierung als Grundmetall enthaltenden Legierungen auf beiden Seiten des das Erdalkalimetalloxid aufnehmenden Trägermetalls abgeschieden sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

IQ Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Aufbaus der herkömmlichen direkt erhitzten Oxidka-

t5 thode,

Fig.2 ein Diagramm zur Darstellung der Änderungen der Deformation des Trägermetalls mit der Zeit,

Fig.3 ein Diagramm 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 F i g. 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 ist 2 ein Erdalkalimetalloxid mit geeigneter Elektronenemissionsfähigkeit, das auf das Trägermetall 1 aufgebracht ist Die Oberseite des Trägermetalls 1 ist durch Ni als Grundmaterial enthaltende Körnchen 3 mit Teilchengrößen von einigen μπι aufgerauht indem einige mg der Körnchen je cm² des Trägermetalls 1 aufgesprüht und in Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre aufgesintert sind. Dadurch ist das Trägermetall 1 fest mit dem Oxid 2 überzogen.

jedoch wächst bei einem solchen Aufbau der direkt erhitzten Oxidkathode die Diffusionsgeschwindigkeit der Nickelpulverteilchen 3 in das Trägvirmetall 1 mit der Wärmeentwicklung des Trägermetalls 1, und infolgedessen entsteht eine Beanspruchung an der Oberflächenschicht des Trägermetalls 1 an dessen mit den Nickelteilchen 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 das Radius R (cm), wächst mit steigender Betriebsdauer des Kathodenaufbaus, wie in F i g. 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 Träpermetalltemperatur von 950⁰C, die Kurve B für 1000⁰C und die Kurve C für 1050⁰C. Als Ergebnis ändert sich nach und nach der Abstand zwischen dem Oxid 2 und einer Gitterelektrode, und infolgedessen ändert sich auch die Einsalzspannung. In Fig. 3 ist die Änderung OEcoder Einsatzspannung Fco gegen die Zeit aufgetragen. So ändert sich im Fall einer Farbkathodenstrahlröhre mit einem solchen Kathodenaufbau die Einstellbedingiing für den Arbeitspunkt des Dreifachkathodenstrahlerziugers während der Betriebslebensdauer, und der Weißausgleich geht nachteilig verloren. Wenn die Deformation des Trägermetalls 1 weiter

fö wächst, platzt das Oxid 2 ungünstigerweise ab.

Um diese Nachteile zu vermeiden, werden 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

In Fig.4 ist ein Ausführungsbeispiel des Aufbaus einer direkt erhitzten Oxidkathode gemäß der Erfindung dargestellt, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche Teile wie in Fig. 1 bezeichnen. In Fig.4 ist zusätzlich Ni als Grundmaterial enthallende Pulver 30 auf der Unterseite des Trägermetalls abgeschieden, während auf der entgegengesetzten Seite die Pulverteilchen 3 abgeschieden sind. Die Pulverteilchen 30 werden zweckmäßig gleichzeitig mit den Pulverteilchen 3 gesintert Im einzelnen werden beispielsweise Karbonylnickel-PuIver, die üblicherweise eine Teilchengröße von einigen μπι aufweisen, als Pulver 3 mit einem Abscheidegrad von 1,5 mg/cm² abgeschieden, und daher müssen dann die gleichen Karbonylnickel-Pulver mit Teilchengrößen von einigen μσι auf der Rückseite des Trägermetalls 1 als Pulver 30 mit dem gleichen Abscheidegrad von 1,5 mg/cm² abgeschieden werden. Bei einem solchen Kathodenaufbau erfolgt die Nickeldiffusion an beiden Seiten des Trägcrrnctaüs 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 I abzuscheidenden Pulver 3 und 30 können Pulver aus Nickel allein, wie oben erwähnt. Pulver aus Kobalt allein, Pulver aus einer Ni-Co-Legierung als Grundmaterial und eine geringe Menge von Elementen, wie z. B. ein reduzierendes Element, enthaltende Legierungen verwendet werden. Im Fall der Pulver aus einer Ni-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. Es bestehen praktisch jedoch keine ernsthaften Einwände, eine Kombination verschiedener Arten von Metallpulvern aufzubringen, indem man beispielsweise Nickelpulver auf die Oberseite und Kobaltpulver aui die Unterseite des Trägermetalls aufbringt.

Was den Abscheidegrad der Pulver betrifft, so wurde weiter oben ein Wert von 1,5 mg/cm² angegeben; es sei jedoch noch festgestellt, daif bei einem Abscheidegrad von weniger als 0,3 mg/cm² eine Gefahr des Oxidabplatzens besteht und daß bei einem 4,0 mg/cm² übersteigenden Abscheidegrad schließlich eine merkliche Deformation der Kathode und eine starke Fluktuation der Kathodentemperatur auftreten können. Daher ist der praktisch brauchbare Bereich des Abscheidegrads der Pulver 03 bis 4,0 mg/cm².

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 wird dementsprechend verkürzt.

Es kann hier Abhilfe geschaffen werden, d. h., es können nicht nur die Deformation des Trägermetalls 1 und ein Ablösen des Oxids 2 verhindert werden, sondern man kann auch einen ausreichenden Nachschub des reduzierenden Elements zum Oxid erreichen und dadurch die Elektronenemissionsfähigkeit des Oxids

ίο verbessern.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist nämlich hierzu ein reduzierendes Element, z. B. Zr, in den Metallpulvern 3 und 30 in F i g. 4 enthalten.

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

3 BaO + Zr — BaZrO₃ + 2 BaJ

Das reduzierende Element Zr wird nicht nur vom Trägermetall 1, sondern nach dieser Ausgestaltung der Erfindung auch von den Metallpulverteilchen 3 und 30 an der Rückseite des Trägermetalls 1 ( -ntinuierlich für eine lange Zeit geliefert, und so kann üa> Oxid seine Elektronenemissionsfähigkeit und seine Funktionsfähigkeit für eine längere Zeit beibehalten. Hierbei ist die den Pulvern 3 und 30 zuzusetzende Zr-Menge nicht auf den Lösungsbereich von Zr in den Legierungspulvern beschränkt. Die Löslichkeit von Zr in einer Nickelbasis-Legierung ist allgemein etwa 0,2 bis etwa 0,3 Gew.-%, doch existiert Zr im Überschuß über die Löslichkeit als intermetallische Verbindung in den Pulvern. Wenn Zr innerhalb des Löslichkeitsbereiches nach der angegebenen Reaktionsformel verbraucht wird, dann zersetzt sich die intermetallische Verbindung, so daß Zr in der festen Phase 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 Lösungsbereiches enthaltenden Pulver dauernd Zr mit der gleichen Geschwindigkeit wie die der 0,2 bis 03 Gew.-% Zr enthaltenden Pulver, bis die intirmeullisehe Verbindung verschwindet. So können diese Pulver die Reaktion nach der genannten Reaktionsformel für eine -ehr lange Zeit in Gang halten und damit die Elektronenemissionsfähigkeit des Oxids für eine längere Zeit als bisher aufrechterhalten.

Was die Menge des Zr als reduzierendes Element in den Pulvern betrifft, so ist eine Menge von weniger als 0,04 Gew.-% Zr für die Verlängerung der Kathodenlebensdauer nicht 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.-%.

Beim verstehenden Ausführungsbeispiel beschränkt sich die Beschreibung auf die Verwendung von Pulvern aus einer Ni-Zr-Legi"/ung. Wenn eine Mischung von Pulvern aus einer Zr-freien Legierung und Zr enthaltenden Pulvern verwendet wird, um den Zr-Gehalt einzustellen. läPt sich praktisch die gleiche Wirkung

M) wie in dem Fall erziJen, wenn Pulver einer Zr-Legierung mit einer niedrigeren Zr-Konzentration verwendet werden.

Andere reduzierende Elemente als Zr, z. B. C, Mg. Si. Al usw., haben eine gleichartige Wirkung wie Zirkon.

h'i doch tritt dabei in einigen Fällen eine Nebenwirkung auf, und daher muß bei riirer Verwendung ausreichende Vorsicht walten. So ist es beispielsweise im Fall von C schwierig. Pulver zu erhalten, in denen C in der die

Löslichkeit (angenähert 0,1 Gew.-%) übersteigenden Menge gleichmäßig verteilt wird, und es muß besondere Vorsorge getroffen werden, um eine stabile Qualität zu sichern. Inn Fall von Mg führt ein Anstieg des Mg-Gehalt:s sehr bald zu einer heftigen Verdampfung ■> von Mg und zur Neigung der Bildung einer Verbindung mit niedrigem Schmelzpunkt. Daher sollte allenfalls eine Mg-Legierung mit einer möglichst niedrigen Mg-Konzentration verwendet werden. Der praktisch einsatzfähige Bereich des Mg-Gehalts liegt von etwa 0,1 bis etwa Hi 1,0 Gew.-%. Im Fall von Si und ΛΙ liegen die l.öslichkcitügrcnzcn in einer Höhe von etwa 7 Cjcw.%, und wenn Pulver mit höhcrem ΛΙ- oder Si-Gehalt verwende! werden, ist die Naehlieferungsgeschwindigkcit von Al oder Si übermäßig hoch, wodurch sich der ' > Widerstand der Zwischenschicht erhöht und folglich zu einer nachteiligen Wirkung ;nif die Funktion der Oxidkathode führt. Rs ist also bei Verwendung dieser reduzierenden Llemcnte erforderlich, die higenschalten der Kathode zu berücksichtigen, bei der diese Zusätzi zu verwenden sind.

Der Kathodenaufbau erlaubt die Deformation de Trägermetalls selbst äußerst gering zu halten. Beispiels weise kann bei einer Farbkathodenstrahlröhre aufgrüne dieses Aufbaus der Verlust an Weißausgleich verhinder werden. Weiter läßt sich das Ablösen des Oxids von de Kathode wirksam nicht nur bei der Farbkathodenstrahl röhre, sondern auch in anderen Kathoden verwenden den Geräten verhindern. Außerdem sichert die Vcrwen dung von Ni als Grundmaterial und ein reduzierende F.lcmcnt enthaltenden Metallpulvern nicht nur di( Verhinderung einer Deformation des Trägermctalls unc eines Abschälens des Oxids, sondern auch einer ausreichenden Nachschub des reduzierenden F.lement zum Oxid, wodurch dessen Kleklroncnemissionsfähig keit wirksam aufrechterhalten und dessen Funktionsfä higkeit für eine längere Zeitdauer beibehalten werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

U Direkt erhitzte Oxidkathode mit einem Trägermetall aus einer Nickel als Grundmetall enthaltenden Legierung und einem auf dem Trägermetall nach Aufsintern von Metallpulverkörnchen, wie Nickel, zur Haftverbesserung abgeschiedenen elektronenemissionsfähigen Erdalkalimetalloxyd, dadurch gekennzeichnet, daß Pulver (3, 30) aus Nickel oder Kobalt oder einer Ni-Co-Legierung als Grundmetall enthaltenden Legierungen auf beiden Seiten des das Erdalkalimetalloxid (2) aufnehmenden Trägermetalls (1) abgeschieden sind.
2. Oxidkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermetall (1) wenigstens Wolfram und ein Reduktionsmittel enthält.
3. Oxidkathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Mg, AI,"Si oder Zr ist
4. Oxidkathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Nickel als Grundmetall enthaltenden Legierungsgruppe gewählten Metallpulver (3, 30) ein Reduktionsmittel enthalten.
5. Oxidkathode nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß 03 bis 4,0 mg Metallpulver (3, 30) pro cm² abgeschieden sind.
6. Oxidkathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel C, Mg, Si oder Al ist.
7. Oxidkathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsmittel Zr ist.
8. Oxidkathode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zr-Ge.iah 0,1 bis 10 Gew.-% beträgt.
9. Oxidkathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auf beiden Seiten des Trägermetalls (1) Pulver aus einer Nickelbasislegierung ohne Reduktionsmittelzusatz abgeschieden sind.