DE2710086C2 - Verfahren zur Herstellung von direktgeheizten Kathoden für Kathodenstrahlröhren - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von direktgeheizten Kathoden für KathodenstrahlröhrenInfo
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- H01J9/04—Manufacture of electrodes or electrode systems of thermionic cathodes
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- Solid Thermionic Cathode (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteilung 5^
vuir uirci« igcuciAicii rkdtiiuucM IL-'" rväiiiOuCnäirämrOiiren
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kathodenstrahlröhren mit direktgeheizten Kathoden haben einen geringeren Energieverbrauch und eine
beträchtlich kürzere Startzeit nach dem Einschalten bis zum eigentlichen Betriebsbeginn als Kathodenstrahlröhren
mit indirekt geheizten Kathoden, jedoch besteht bei direktgeheizten Kathoden das Problem einer
thermischen Verformung aufgrund der raschen Aufhcizung.
Kathodenstrahlröhren mit thermisch deformierter Kathode weisen aber nachteilige Eigenschaften auf, die
in der Praxis vermieden werden müssen.
Nachstehend werden der Stand der Technik und die
Erfindung anhand der Zeichnung erläutert: es zeigt
Fig. I einen Querschnitt durch eine Kathode, die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Aus der DE-AS 21 60 145 ist bereits ein Verfahren zur
Herstellung einer direkt geheizten Kathode bekannt bei dem ids Kathodensubstrat eine (lache Metallplatte
verwendet wird, auf die nacheinander eine aus einer Metallegierung bestehende Zwischenschicht, eine aus
einer Nickellegierung bestehende Verbindungs. chient
und eine Elektronen emittierende Emissionsschicht aufgebracht werden. Die flache Metaliplatte besteht
dabei aus reinem Metall wie Nicke! bzw. Wolfram, einer Hochwiderstandslegiei ung, die 80% Nickel und 20%
Chrom enthält oder aus einer anderen Legierung, die neben 55 bis 62% Nickel noch 6 bis 20% Eisen. 17 bis
30% Molybdän, 1 bis 2% Mangan, t % Silizium, bis zu 5% Wolfram und bis zu 35% Chrom enthalten kann.
In der DE-OS 26 35 289 wurde bereits vorgeschlagen,
die flache Metallplatte aus einer Nickel-Wolfram-Zirkonium-Legierung
herzustellen, die 20 bis 30 Gewichtsprozent Wolfram und 0,3 bis 5 Gewichtsprozent Zirkonium
enthält.
Andere übliche Legierungen für das Kathodensubstrai enthalten 15 bis 30 Gewichtsprozent Wolfram. 0,1
bis 1,5 Gewichtsprozent Zirkonium und Rest Nickel und/oder Kobalt (vgl. W. H. Kohl, »Electron Tubes«.
I960. General (vgl. 'Valter H. Kohl, «Materials and Techniques for Electron Tubes«. New York und London
I960.Seite557bis566).
Die thermionisch Elektronen emittierende Emissionsschicht besteht üblicherweise aus einem Oxidgemisch,
das durch Calcinieren von zusammengesetzten Carbonaten von Barium. Strontium und Calcium [(Ba. Sr,
CA)COj] bei hohen Temperaturen von beispielsweise etwa 1000 C." erhalten wurde. Zirkonium, das in kleiner
Menge im Kalhodensubstra! enthalten ist. wirkt auf das
Oxidgemisch als Reduktionsmittel und erleichtert die thermionische Emission. Die Verbindungsschichten
verbinden das Kalhodensubs'rat u; J die Emissionsschichl
fest miteinander.
Direktgeheizte Kathoden wurden bisher im allgemeinen dadurch hergestellt, daß reines Nickclpulver auf das
Kathodensubstrat bis zu einer Stärke von 1 bis 5 mg/cm' aufgebracht und das so beschichte te Kaiho
densubslrat im Vakuum bei einer Temperatur von etwa 700 bis etwa 900"C erhitzt wurde, wodurch das
Nickelpulver unter Bildung einer VerbinJungsschicht auf dem Kathodensubstrat eingebrannt wurde: anschließend
wurde ein zusammengesetztes Carbonat des Bariums. Strontiums und Calciums [(Ba. Sr. Ca)CO.]
nach Abkühlen auf das gebrannte Kathodensubstrat bis zu einer Stärke von 1 bis 5 mg/cm2 aufgebracht und dvs
beschichtete Kathodensubstrat im Vakuum bei einer Temperatur von etwa 1000"C nochmals gebrann!.
„ _ ι i_
eine feste Verbindung der Oxide mit dem Kathodensubstrat
er/ielt wurde.
Bei nach diesem Verfahren hergestellten Kathoden ist jedoch festzustellen, daß bei der Herstellung oder im
Betrieb infolge der gegenseitigen Diffusionsvorgänge zwischen Kathodensubstrai und Verbiindungsschicht
thermisch bedingte Deformationen auftreten, durch die die flache Metallplatte des Kaihodensubstrats konvex
zur Verbindungsschicht hin verbogen wird: demgemäß bestand das gravierende Problem bei der Herstellung
von Kathodenstrahlröhren, die thermische Verformung direktgeheizter Kathoden zu verhindern.
Zur Vermeidung der Diffusion zwischen Kathodensubstrat
und Verbindungsschicht besitzt die aus der DE-AS bekannte Kathode bereits eine zwischen dem
Kathodensubsirat und der Verbindungsschicht angeordnete
zusätzliche Zwischenschicht aus einer Keramik-Metall-Verbindung.
die die Diffusion zwischen dem Kathodensubstrat und der Verbindungsschich; verhindern
Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es, das Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so
weiterzubilden, daß sich direktgeheizte Kathoden herstellen lassen, die sich weder bei der Herstellung
noch im Betrieb in die Funktion störender Weise verformen.
Diese Aufgabe wird durch die im kenn^.^i.-ienden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merscmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Fig.! 2-igt schemalisch den ".^fhau einer nach dem
erfindungsgemäßen Verfui.'-n erhältlichen Kathode
mit dem Kaihodensubstrat l.dtr Zwischenschicht 6.der
Verbindungsschicht 4 und der Emissio-isschicht 3. Von
der in der I ig. 3 dei DE-AS 21 60 145 angegebenen Kathode unterscheidet sich die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte Kathode dadurch, daß die Zwischenschicht 6 nicht aus einer Keramik-Metall-Verbindung,
sondern aus der im Merkmai bl) des Anspruchs 1 angegebenen Nickellegierung besteht.
Die flache Metallplatte für das Kathodensubstrat aus der entsprechenden Legierung wird in Schritt (a) so
vorzugsweise so hergestellt, daß man ein Gemisch der jeweiligen Metallpulver unter Druck formt, danach di°
Mischung sintert und die gesinterte Mischung kaitwalzt. Die Stärke der flachen Metallplatte wird im Hinblick auf
das Kaltwalzen sowie den elektrischen Widerstand gewählt; sie beträgt im allgemeinen
< lOOiim und vorzugsweise 20 bis 50 .um.
Danach wird in Schritt (b) die Zwischenschicht aus der Legierung auf eine oder beide Seiten der flachen
Metallplatte aufgebracht. Zur Kathodenhersteilung würde es genügen, die Zwischenschicht nur auf der Seite
des Kathodensubstrats vorzusehen, auf der die Err.issionsschicht
ausgebildet werden soll, jedoch kann die Zwischenschicht auch auf beiden Seiten ausgebildet
werden, was den Vorteil hat. daß dann keine
Spannungen auftreten, wenn die Diffusionssehicht im
folgenden Schritt (c) durch Erhitzen der flachen Metallplatte ausgebildet wird und Nickel in die
Metallplatte eindiffundiert.
Wenn die Gesamtdicke der Zwischenschicht 6 und "><>
der Verbindungsschicht * auf der Stirnseite und auf der Rückseite der flachen Metallplatte weniger als 1% der
Dicke des Kathodensubstrats beträgt, wird die thermische Deformation nicht verhindert: wenn die Gesamtdicke
andererseits 15% der Dicke des Kathodensub- '■>'>
'.'.ra's iihnr«'hre»iie ι wird der elektrische Widerstand
der gesamten Kathode durch die auf dem Kathodensubstrat mit hohem elektrischen Widerstand vorliegenden
zusätzlichen Metallegierungsschichicn herabgesetzt, so
daß eine längere Einbrenndauer erforderlich ist;60
gleichzeitig fallen iolchc KalhoJcn ichr unterschiedlich
aus. Daher beträgt die Gcsamtdicke der Metallschichtcn auf der Vorderseite und der Rückseite des Kathodensubstrats
vorzugsweise 1 bis 15% der Dicke der Metallplatte.
Zur Ausbildung der Zwischenschicht bieten sich beispielsweise die Platzierung, das Aufdampfen, die
chemische Abscheidung aus der Gasphase, die loncnplattierung
oder die Kaschiervng mit Folien oder Platten an. wobei die Plattierung am meisten bevorzugt
wird.
Zur Plattierung können beliebige galvanische oder chemische Verfahren herangezogen werden. Die
galvanische Plattierung mit Nickel wird beispielsweise in einem üblichen Nickel-Plattierungsbad. das z. B.
150 g/l Nickelsulfat. 15 g/l Ammoniumchlorid und 15 g/I
Borsäure (pH 6.0) enthält, bei einer Badtemperalur von
25 C und einer Stromdichte von 1 A/dm2 durchgeführt.
Aufgrund der wechselseitigen Diffusion des Nickels aus der Nickelpulverschicht in das Kathodensubstrat
und der Diffusion des Nickels aus dem Kathodensubsirat in die Nickelpulverschicht besitzt die Diffusionssehicht
eine von Kathodensubstrat abhängige Zusammensetzung. Die Zwischenschicht kann entsprechend
nicht nur aus reinem Nickel, sondern auch als Legierungsschicht vorgesehen werden: die Zusammensetzung
der Legierung der Zwischenschicht wird in geeigneter Weise im Hinblick auf die Leqierungizusammensetzung
des Kathodensubstrai·, gewählt werden. Im
Fall einer Zwischenschicht mit 5 Hs 10 Gew.-%
Wolfram beeinflußt ein Zirkoniumzusatz die Wärmeverformung nicht und ist dementsprechend nicht
unbedingt erforderlich: Wolfram oder Molybdän haben jedoch einen Einfluß auf die Wärmeverformung. Nach
einer Weiterbildung weist die Zwischenschicht 5 bis 10 Gew.-% W und 0,2 bis 0.8 Gew.-°/o Zr auf: Rest Ni. Die
Zwischenschicht aus Ni-Legierungen mit W und/oder Mo und ggt. Zr kann auf dem Kathodensubstrat in der
gleichen Weise wie die Nickelschirht ausgebildet werden. Insbesondere kann eine gewünschte Folie oder
Platte aus diesen Legierungen dadurch hergestellt werden, daß man eine Mischung aus Nickel-, Kobalt-,
Wolfram-, Molybdän- bzw. Zirkoniumpulver in« gewünschten
Mischungsverhältnis zu einer Platte sintert (Abmessungen z. B. IO mm χ 80 mm χ 150 mm), die
resultierende Platte kaltwalzt und im Vakuum tempert (Temperatur 800 bis 1000 C. Druck
< 1.33 inPa) und diese Schritte mehrmals wiederholt, wobei sich z. B.
folgende Stufen ergeben:
5 mm x 80 mm Χ 250 mm
- 2 mm x 80 mm X 700 mm
■* 1 mm x 80 mm X 1300 mm
■* 1 mm x 80 mm X 1300 mm
- 0,4 mm x 80 mm κ 2500 mm.
Beim Erhitzen der Zwischenschicht auf dem Kathodensubstrai
im Vakuum findet eine wechselseitige Diffusion von Nickel. Kobalt. Wolfram. Molybdän b/w.
Zirkonium statt: dabei entsteht eine Diffusionssehicht m" einem Konzentrationsgradienten an Nickel. Kob;.lt.
Wolfram. Molybdän bzw. Ziikonium. Durch die
Wärmebehandlung tritt keine Deformauon auf.
Ü!C Legierung für ιύι?>
Kaiin>vicr.siib%tr;;i bcv.eh;
vorzugsweise aus 2' bis 30 Gew.-% W und 0.2 bis 0.8 Gew.-% Zr. Rest Nickel.
Die flache NiCtallplatte mit der Zwischenschicht wird
bis zur gewünschten Stärke. /.B. 30 um. kaltgewalzt.
Um die gewünschte Dicke zu erzielen, wird das Kaltwalzen und Vakuuintempern zweimal wiederholt,
wobei die Dicke der zusammengesetzte'* Platte mit der
darauf befindlichen Diffusionssehicht in folgenden Stufen verringere wird:
1 mm-· 0,4 mm-·· 0,03 mm.
Aus der erhaltenen Platte wird in Schritt (d) die
Kathodenform durch Stanzen hergestellt. Dann wird in
Schritt (e) Nickclpulver aufgebracht und das Substrat
■:ur Ausbildung einer Diffusionsschicht und Erzeugung
einer Ni-Legierung erhitzt. In Schritt (0 wird schließlich
eine Lösung eines zusammengesetzten Carbonate von Barium, Strontium Und Calcium, Z. B. eine durch
40-h-Mischcn von löOgCarbonat mit JOOg Nitrocellulose
und 10,01 Butyl'acetat in einer Kugelmühle
hergestellte Losung* auf djS Substrat aufgebracht. Dann
wird bei hoher Temperatur calcinicrt* um die Carbonate
in Oxide überzuführen: hierbei entsteht die Emissionsschicht.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Vergleichsbeispiel
Es wurde eine Platte aus einer Legierung mit 28 Gew.-% W und 0.4 Gew.-% Zr (Rest \i) nach dem
Sinterverfahren hergestellt: nach plastischer Verformung betrug die Dicke 30 μπι. Aus der Platte wurde ein
Kathodensubstrat gestanzt.
Dann wurde Nickelpulver auf einer Seite des Substrats bis zu einer Stärke von 2 mg/cm2 aufgetragen
und bei 9000C im Vakuum 30 min lang erhitzt, um das
Nickelpulver in die Kaihodenoberfläche einzubrennen. Danach wurde die Verbiegung der Kathode (als Höhe
der Krümmung infolge Wärmeverformung) gemessen. Sie betrug 25 bis 35 μπι. Ohne Korrektur der
Krümmung nach dem Einbrennen des Nickelpulvers wurde eine Lösung von (Ba. Sr. Ca)COj mit der
vorstehend beschriebenen Zusammensetzung in eine Menge von 2 mg/cm2 auf das Substrat aufgetragen und
danach 30 min auf 1000°C erhitzt. Dadurch wurde die
Emissionsschicht gebildet Die Verbiegung der resultierenden Kathode lag im Bereich von 40 bis 50 μπι.
Beispie·1
Eine flache Platte aus einer Legierung mit 28Gew.-%
W und 0.4 Gew.-% Zr (Rest Ni) und einer Dicke von 30 μπι, die wie im Vergleichsbeispiel hergestellt worden
war. wurde beiderseitig mit je 1 μπι Ni plattiert und danach erhitzt. Aus der erhaltenen Platte wurde ein
Kathodensubstrat geformt. Danach wurde reines Nickelpcdver auf eine Seite des Substrats in einer Menge
von 2 mg/crr2 aufgebracht, das bei 9000C 30 min in das
Substrat eingebrannt wurde. Anschließend wurde dieselbe Lösung von (Ba, Sr, Ca)COj wie im Vergleichsbeispiel
in einer Menge von 2 mg/cm2 auf das Substrat aufgebracht und zur Herstellung einer Emissionsschicht
6 h auf 10000C erhitzt. Danach wurde die Krümmung
der resultierenden Kathode gemessen.
Die Verbiegung betrug etwa 2 bis etwa 3 μπι (ohne
Nickelplatlierungsschicht auf dem Substrat betrug die Verbiegung 40 bis 55 μπι).
Um den Einfluß der Dicke der Nickelplattierungsschicht
festzustellen, wurden flache Platten aus einer Legierung mit 28 Gew.-% W und 0,4 Gew.-°/o Zr (Rest
Ni) und einer Dicke von 30 μπι beiderseitig mit 0.05 μπι
bzw. 0,5 μπι Ni plattiert und danach erhitzt. Aus den
resultierenden Platten wurden Kathodensubstrate hergestellt. Dann wurde Nickelpulver in einer Menge von
mg/cm2 auf die Substrate aufgebracht und bsi 8000C
im Vakuum 30 min gebrannt. Danach wurde die gleiche Lösung von (Ba, Sr, Ca)CO? wie im Vergleichsbeispiel in
einer Menge von 2 mg/cm2 auf das Substrat aufgetragen und zur Erzeugung einer Emissionsschicht 6 h auf
10000C erhitzt. Anschließend wurde die Verbiegung der
erhaltenen Kathoden gemessen.
Im Fall der Nickclplallicrungsschicht von 0,05 μπι
betrug die Verbiegung 25 bis 40μηι; bei der
Nickclplatticrung von 04 [ttn war die Verbiegung sehr
klein und lag im Bereich des Meßfehlers. Die NickclplattierUngsschicht sollte mindestens 0,1 μπϊ dick
sciir,
ίο lime flache Platte aus einer Legierung mit 28 GeW.-%
W und 0.4 Gew. % Zr Und einer Dicke von ÖJ5 mm
wurde auf einer Seile bis /u einer Dicke von 30 μπι mit
Ni plattiert und dann /ur f'r/eugung einer Diffusionsschicht
15 h lang im Vakuum auf 1000 C erhitzt. Die
resultierende Platte wurde auf eine Dicke von JO μπι
kaltgewalzt und zu einem Kaihodensubstrat gestan/i. Danach wurde wie in Beispiel 2 verfahren.
Die Verbiegung nach dem Einbrennen des Nickelpulvers sowie nach der Erzeugung der Emissionsschicht
beirug jeweils 2 bis 3 μη: diese Werte lagen im Bereich
des Meßfehlers.
in einem weiteren Versuch wurde die flache Platte beiderseitig bis jeweils zu einer Dicke von 3 μπι mit Ni
plattiert und dann wie oben weiter verfahren. Die
resultierende Kathode wurde 100 h im Vakuum auf 8000C erhitzt; die Verbiegung betrug nur 2 bis 3 μπι.
Auf eine flache Platte aus einer Legierung mit 28
Gew.-% W und 0.4 Gew.-% Zr (Rest Ni) und einer
Dicke von 10 mm wurde beide! seitig eine P'atte aus
einer Legierung mit 10 Gew.-% W und 0,4 Gew.-% Zr
(Rest Ni) in einer Dicke von 1 mm aufgebracht und zur
Ausbildung einer Diffusionsschicht 20 h im Vakuum auf 10000C erhitzt Die resultierende Platte wurde auf eine
Dicke von 30 μπι kaltgewalzt und zu einem Kathodensubstrat
gestanzt Danach wurde wie in Seispiel 2 weiter
verfahren. Die Verbiegung nach dem Brennen des Nickelpulvers sowie nach der Erzeugung der Emissionsschichi
betrug jeweils nicht mehr als 2 bis 3 μπι. Auch nach 100 h weiterem Erhitzen auf S00°C im Vakuum
beirug die Verbiegung nur 2 bis 3 μπτ.
Entsprechende Ergebnisse wurden mit Zwischenschichten aus Legieringen mit 10 Gew.-% W und 0.4
Gew.-% Zr (Rest N.; mit einer Dicke von 1 mm auf
beiden Seiten der flachen Metallplatte erhalten.
Es wurde eine Kathode wie in Beispiel 4 hergestellt mit dem Unterschied, daß anstelle der Legienings"latte
mit 10 Gew.-% W und 0,4 Gew.-% Zr (Rest Ni) eine
Platte aus reinem Nickel verwendet wurde: Die Verbiegung nach dem Einbrennen des Nickelpulvers
sowie nach der Erzeugung der Emissionsschicht betrug jeweils nicht mehr als 2 bis 3 μπι
In einem weiteren Versuch wurde eine Kathode wie in Beispiel 4 hergestellt mit dem Unterschied, daß
anstelle der Legierungsplatte mit 10 Gew.-% W und 0,4 Gew.-% Zr (Rest Ni) eine Legierungsplatte mit 15
Gew.-% W und 0,4 Gew.-% Zr (Rest Ni) verwendet wurde. Dabei wurde festgesteift, daß sich hierdurch die
Verbiegung bis auf größenordnungsmäßig 10 μπι erhöhte.
Die Legierungsplatte, die durch Diffusion an das Kathodensubstrat gebunden wird, entliäDi daher geeigneterweise
0 bis IO Gew.-% W und 0 bis 1,5 Gew.-% Zr
(Rest Ni).
Aus den Beispielen ergibt sich, daß die thermisch
bedingte Verformung von Kathoden, die bisher einen gravierenden Nachteil bei direklgeheizten Kathodenstrahlröhren
darstellte, aufgrund des Erfindungskonzepts völlig verhindert und die Lebensdauer der
Kathoden zugleich erhöht werden kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von direktgeheizten Kathoden für Kathodenstrahlröhren mit folgenden
Merkmalen:
(a) Als Kathodensubstrat (1) wird eine flache Metallplatte aus folgender Legierung vorgesehen:
— 15bis3OGew.-% W und/oder Mo.
— O.Ibis 1.5 Gew.-% Zr.
— Rest Ni und/oder Co;
(b) auf die Metallplatte wird eine aus einer Metallegierung bestehende Zwischenschicht (6)
aufgebracht:
(c) anschließend wird die flache Metallplatte erhitzt, wobei ein Metall aus der Zwischenschicht
(6) in die flache Metallplatte diffundiert und eine zusammengesetzte Platte resultiert; ,Q
(d) die zusammengesetzte Platte wird in die
gewünschte Kathodenform gebracht;
(e) auf der Zwischenschicht (6) wird eine Verbindungsschicht (4) aus einer Ni-Legierung erzeugt;
(f) auf der Verbindungsschicht (4) wird eine thermionisch Elektronen emittierende Emissionsschicht
(3) aufgebracht,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
(bl) die Zwischenschicht (6) besteht aus
- O bis 10 Gew.-% W und/oder Mo,
- 0bisl.5Gew.-%Zr,
- Rest Ni.
und J5
(el) die Verbindungsschicht (4) wird durch Eindiffundieren von Ni-Pulver erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet,
daß die Zwischenschicht (6) und die Verarmungsschicht (4) so aufgebracht werden, daß -»ο
ihre Gesamtdicke i bis 15% der Dicke der Metallplatte beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (6) im
Veffahrensichriii (b) durch galvanische and/oder
chemische Plattierung erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung im
Verfahrensschritt (d) durch Kaltwalzen vorgenommen wird.
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP2468076A JPS52108770A (en) | 1976-03-09 | 1976-03-09 | Manufacture for direct heat type cathode |
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Family Applications (1)
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