DE2715242A1

DE2715242A1 - Verfahren zum herstellen einer kathode

Info

Publication number: DE2715242A1
Application number: DE19772715242
Authority: DE
Inventors: Robert Allen Gange
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1976-04-05
Filing date: 1977-04-05
Publication date: 1977-10-13
Also published as: US4100449A; FR2347771A1; JPS52122457A; FR2347771B1; JPS566621B2; GB1575530A

Description

Verfahren zum Herstellen einer Kathode

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer draht- oder linsenförmigen Glühkathode mit einem Querschnitt, der bezüglich der Längsachse im wesentlichen gleichförmig ist.

Elektronische Glühkathoden sind entweder direkt oder indirekt geheizt. Eine direkt geheizte Kathode enthält einen Kern aus einem hitzebeständigen Metall, wie Wolfram, der entweder selbst als Elektronenemitter arbeitet oder mit einem emissionsfähigen Material, z.B. auf Karbonatbasis, überzogen ist. Eine indirekt geheizte Kathode, d.h. eine Kathode, bei der das emissionsfähige Material nicht direkt erhitzt wird, enthält ein Heizerelement, das vom emissionsfähigen Material durch einen Körper aus einem elektrisch isolierenden Material getrennt ist.

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Es gibt bereits die verschiedensten Arten

von Kathoden, keine eignet sich jedoch für Wiedergabeeinrichtungen oder Bildröhren, bei denen eine gleichmäßige, linien- oder strichförmige thermionische Elektronenquelle benötigt wird. Eine Strichkathode, d.h. eine draht- odei linienförmige Quelle für thermisch erzeugte Elektronen, würde sich andererseits besonders gut als Kathode für flache Bildröhren eignen. Für eine ausreichend gleichförmige Emission ist es jedoch erforderlich, daß die Kathode unter raumladungsbegrenzten Emissionsverhältnissen arbeitet. Dies bedeutet, daß der Abstand zwischen der Kathode und der effektiven Anode, durch die die Elektronen gesammelt werden, sehr exakt eingehalten werden muß. Die bekannten draht- oder linienförmigen Kathoden weisen jedoch erhebliche Ungleichmäßigkeiten in ihrem Querschnitt und ihrer Geradlinigkeit entlang ihrer Längsrichtung auf. Diese Ungleichmäßigkeiten beruhen in erster Linie auf den Niederschlags- und Beschichtungsverfahren, die bei der Herstellung Anwendung finden. Selbst bei hoher Zugbelastung sind diese Ungleichförmigkeiten und Nichtlinearitäten so groß, daß sich erhebliche Schwankungen des Abstandes zwischen der Kathode und der Anode ergeben, die eine Verwendung in einer Bildwiedergabeeinrichtung unmöglich machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine draht-, linien- oder strichförmige Kathode anzugeben, die längs ihrer Längsachse einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt hat.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

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Ein Elektronenfilament oder Kathodendraht

gemäß der Erfindung enthält einen zylindrischen Körper aus einem hitzebeständigen Metall. Der Körper ist im Querschnitt im wesentlichen gleichförmige bezüglich seiner longitudinalen Achse. Konzentrisch auf und um den zylindrischen Körper und längs dessen Längsachse ist eine Schicht aus einem emissionsfähigen Material angeordnet. Die Schicht aus dem emissionsfähigen Material hat eine im wesentlichen gleichförmige Dicke.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele

der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Linienkathode gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Kathode gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Kathodenanordnung, in der die Strichkathode gemäß Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht in einer Ebene 4-4 der Fig. 3;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer Kathode gemäß der Erfindung und

Fig. 6 eine teilweise aufgebrochen gezeichnete, perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Apparatur zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

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In den Figuren 1 und 2 ist eine direkt qe-

heizte, langgestreckte Kathode 10 dargestellt, die einen zylindrischen Körper 12 aus einem hitzebeständiqen Metall, wie Wolfram, enthält. Der aus Wolfram bestehende Körper 12 hat z.B. einen Durchmesser von 250 μπι und eine Länge, die im allgemeinen mindestens das Hundertfache des Durchmessers beträgt, wobei Verhältnisse von 1000 zu 1 typisch sind. Für die meisten Anwendungen liegt der Durchmesser des Wolframkörpers 12 im allgemeinen im Bereich zwischen etwa 10 μΐη und etwa 1000 μΐη. Der zylindrische Körper 12 ist kataphoretisch mit einer Schicht 14 aus einem Emissionskarbonat oder einer Kathodenpaste überzogen. Die Kathodenpaste kann beispielsweise etwa 13% CaCO₃, 31% SrCO₃ und 56% BaCO₃ enthalten. Die Schicht 14 aus der emissionsfähigen Karbonat-Kathodenpaste ist konzentrisch auf dem und um den aus Wolfram bestehenden Körper 10 und längs dessen Längsachse angeordnet. Die Dicke der emissionsfähigen Schicht 14 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 40 μπι. Für die meisten Anwendungen wird die Dicke der emissionsfähigen Schicht 14 zwischen etwa 10 μπι und etwa lOO μΐη liegen.

Die direkt geheizte filamentförmige Kathode 10 ist im wesentlichen gleichförmig im Querschnitt um ihre Längsachse. D.h. daß die Schwankungen des Durchmessers der Ka thode unter etwa 25 μπι liegen. Dies steht im Gegensatz zu den viel größeren, d.h. oft über 125 μΐη betragenden Schwankungen bei direkt geheizten Oxidkathoden, die unter Anwendung bekannter Beschichtungsverfahren hergestellt sind. Außerdme hat sich gezeigt, daß die Kathoden gemäß der Erfindung bei Betrachtung in starker Vergrößerung wesentlich gleichförmiger sind als die bekannten durch Sprühbeschichtung hergestellten Kathoden.

Bei einer Ausführungsform einer Kathodenan ordnung ist der Kathodendraht 10 in der Mitte eines 1 mm χ 1 mm messenden Hohlraumes aufgespannt, der in ein elektrisch isolie rendes Substrat 16, z.B. aus Quarz, eingeschnitten ist, wie es

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die Figuren 3 und 4 zeigen. Der Kathodendraht wird durch Federn 18 unter Spannung gehalten. Die Federn können wendeiförmige Federn aus 125 μπι dickem Draht aus Haines Legierung Nr. 25 sein. Die Federn 18 werden auf eine Spannung von 2,3 Kp ein-

9 gestellt und üben dann eine Zugbelastung von 4,7 χ 10 Dyn/nm (67800 psi) auf die Kathode 10 aus. Diese Zugbelastung liegt innerhalb der Zugfestigkeit des 250 μπι dicken Körpers 12 aus Wolfram. Die einwirkende Zugbelastung hängt von dem Hohlraum, in dem die Kathode aufgespannt, der Temperatur, bei der die Kathode betrieben wird, und den an de Gleichförmigkeit des Emissionsstromes gestellten Anforderungen ab. Selbstverständlich muß auf alle Fälle darauf geachtet werden, die Zugfestigkeit der Kathode nicht zu überschreiten.

Die Innenwand 19 des Hohlraumes ist mit einer Tantalschicht 20 überzogen, deren Dicke etwa 3000 Ä beträgt. Fluchtend über dem Hohlraum ist eine nickelplattierte Berylliumbronzemaske 22 angeordnet, die eine schlitzförmige Austrittsöffnung 24 aufweist. Die schlitzförmige Austrittsöffnung 24 wirkt als die effektive Kathode, durch die die Elektronen gesammelt werden. Ein Betrieb mit raumladungsbegrenzter Emission erfordert aus Gründen der Gleichmäßigkeit, daß der Abstand d zwischen der Außenseite (Emissionsfläche) der emissionsfähigen Schicht 14 der Kathode 10 und der schlitzförmigen Austrittsöffnung 24 (der effektiven Anode) längs der Kathode 10 im wesentlichen gleichmäßig ist. Wie erwähnt wurde und in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Kathode 10 im wesentlichen gleichförmig im Querschnitt um ihre Längsachse längs ihrer wirksamen oder emittierenden Länge. Der in Fig. 4 dargestellte Abstand d ist also, wie gewünscht, längs der wirksamen Länge des Kathodendrahtes im wesentlichen gleichmäßig.

In Fig. 5 ist eine Kathode 30 gemäß einem

zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei der Kathode 30 handelt es sich um eine indirekt geheizte lang-

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gestreckte Kathode, die den gleichen Anforderungen genügt wie die direkt geheizte Kathode 10 gemäß Fig. 1 und 2. Die Kathode 30 enthält einen zylindrischen Körper 32 aus einem hitzebeständigen Metall, wie Wolfram. Für die meisten Anwendungen wird der aus Wolfram bestehende Körper 32 einen Durchmesser zwischen etwa 10 μπι und etwa 100 μτα haben, wobei etwa 25 μη typisch sind. Konzentrisch auf dem und um den Körper 32 ist eine elektrisch isolierende Schicht 34, z.B. ein Häutchen oder Mantel aus Aluminiumoxid und/oder Quarz, angeordnet. Die isolierende Schicht 34 hat eine gleichförmige Dicke, die z.B. etwa 75 μπι betragen kann. Konzentrisch auf und um die innere isolierende Schicht 34 ist eine äußere elektrisch isolierende Schicht 35 angeordnet, z.B. ein Oberzug auf 75% Aluminiumoxid und 25% Wolfram. Die äußere isolierende Schicht 35 hat eine gleichmäßige Dicke von z.B. etwa 2,5 μπι. Die isolierenden Schichten 34 und 35 bilden im Effekt einen Körper aus Isoliermaterial, der konzentrisch auf dem und um den zylindrischen Körper 32 angeordnet ist. Konzentrisch auf der und um die äußere isolierende Schicht 35 ist eine dünne Schicht 36 aus stromlos niedergeschlagenem Nickel angeordnet, die beispielsweise etwa 30OO A dick sein kann. Auf der stromlos abgeschiedenen Nickelschicht 36 befindet sich eine relativ dicke Schicht 38 aus aufgalvanisiertem Nickel. Die elektroplattierte Schicht 38 aus Nickel hat eine Dicke von z.B. etwa 50 μπι. Auf der und um die aufgalvanisierte Schicht 38 au9 Nickel ist eine Schicht 40 aus Emissionskarbonat oder Kathodenpaste angeordnet. Die Schicht 40 hat z.B. eine Dicke von etwa 37 μπη.

Der Querschnitt der indirekt geheizten Kathode 30 ist im wesentlichen gleichförmig längs ihrer wirksamen oder aktiven Länge, d.h. daß die DurchmesserSchwankungen unter etwa 25 μΐη liegen. Die Kathode 30 kann als im wesentlichen gleichförmig im Querschnitt um ihre Längsachse angesehen werden, da der Durchmesser der Kathode typischerweise etwa 330 μπι

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beträgt. Die indirekt geheizte Kathode 30 eignet sich also ebenfalls besonders gut für die Verwendung als gleichmäßig emittierende linien- oder strichförmige Kathode oder Quelle unter raumladungsbegrenzten Emissionsbedingungen, wie bei der Kathodenanordnung gemäß Fig. 3 und 4.

Bei der indirekt gehiezten Kathode gemäß

Fig. 5 wirkt die Kombination aus den elektrisch isolierenden Schichten 34 und 35 als elektrische Isolation zwischen dem Heizer (Körper 32 aus Metall) und dem Kathodenleiter (Schichten 36 und 38 aus Nickel.) Außerdem übertragen die isolierenden Schicht 34 und 35 die Wärme vom Heizer (Körper 32), so daß schließlich die Schicht 40 aus dem elektrodenemissionsfähigen Material erhitzt wird.

Bei der Herstellung der beschriebenen Kathoden muß man darauf achten, daß man von einem zylindrischen Körper, z.B. einem Wolframdraht, ausgeht, der selbst schon im wesentlichen gleichförmig im Querschnitt um seine Längsachse ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man einen Wolframdraht sorgfältig durch eine Präzisionsziehdüse zieht. Konventionelle Arbeitsverfahren sind hier geeignet, da diese Ungleichmäßigkeiten im Querschnitt des zylindrischen Körpers ergeben, die typischerweise unter 10 μπι liegen. Anschließend ist es dann wesentlich, daß alle folgenden Niederschläge auf und um den anfänglichen zylindrischen Körper eine im wesentlichen gleichförmige Dicke haben*

Eine Apparatur 41, die sich für die Herstellung der beschriebenen Kathoden eignet, ist in Figur 6 dargestellt. Die Apparatur 41 enthält eine zylindrische Röhre 42 aus einem Isoliermaterial, wie Quarz oder Geräteglas (pyrex) mit einem runden Glasstopfen 44 am einen Ende, der auf irgend eine geeignete Weise, z.B. nicht dargestellte Gummibänder, ge-

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haltert ist. Das andere Ende der Röhre 42 ist abgedichtet oder zugeschmolzen. Längs des inneren Umfanqes der Röhre 42 ist ein elektrisch leitfähiger Körper 46 angeordnet, z.B. eine zylindrische Nickelfolienschicht 46. Der Körper 46 aus der Nickelfolie bedeckt den inneren Umfang der Röhre völlig. Die Röhre 42 hat typischerweise einen Innenradius von etwa 2 cm. Der Körper 46 aus der Folie soll so lang sein, daß er sich eine gewisse Strecke über die Enden des jeweils zu beschichtenden Körpers hinaus erstreckt. Diese Strecke sollte mindestens gleich dem Radius der Röhre 42 sein, vorzugsweise beträgt sie das Zweifache oder Dreifache des Radius.

Der zu beschichtende zylindrische Körper

wird mit seiner Hauptachse längs der Längsachse der Röhre 42 angeordnet und durch zwei Haken-Durchführungsanordnungen 50 und 52 unter Spannung gehalten. Die Haken-Durchführungsanordnung 50 erstreckt sich durch das geschlossene Ende der Röhre 42 nach außen. Die Haken-Durchführungsanordnung 52 enthält^einen Federteil mit einem Haken, der an einer festen elektrischen Klemme 54 angehängt ist. Die Klemme 54 verläuft senkrecht zur Längsachse der Röhre 42, erstreckt sich über den Umfang der Röhre 42 hinaus und macht elektrisch Kontakt mit einer Schleifchgelektrode 56, die sich außerhalb der Röhre 42 befindet und konzentrisch zu dieser ist. Eine zweite feste Klemme 58 (nur teilweise dargestellt) ist elektrisch mit dem elektrisch leitfähigen Körper 46 aus der Nickelfolie verbunden, erstreckt sich über den Umfang der Röhre 42 hinaus und macht elektrisch Kontakt mit einer Schleifringelektrode 60. Die Schleifringelektroden 56 und 60 sind mit einer elektrischen Energiequelle 62 verbunden, die eine Spannung bis zu etwa 300 Volt mit einem Strom bis zu 20 mA zu liefern vermag.

Außerhalb der Röhre 42 befinden sich zwei

teilweise dargestellte Rollen 64a und 64b. Die Achsen der Rollen 64a und 64b verlaufen parallel zur Längsachse der Röhre

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Die Rollen 64a und 64b liegen mit ihrem Umfang jeweils am Umfang der Röhre 42 an. Wenn die Rollen 64a und 64b also um ihre jeweilige Längsachse gedreht werden, dreht sich auch die Röhre 42 um ihre Längsachse. Die Rollen 64a und 64b sind mechanisch mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden, der sie mit gleichmäßiger Drehzahl anzutreiben vermag. Der Antrieb soll in der Lage sein, die Röhre 42 im gefüllten Zustand mit einer Drehzahl von mindestens 80 U/min drehen zu können.

Bei der Herstellung der direkt geheizten Kathode 10 gemäß Fig. 1 und 2 wird ein sorgfältig gezogener zylindrischer Körper 12 aus Wolfram in der Längsachse der in Fig. 6 dargestellten Röhre angeordnet und unter Spannung in dieser fixiert. Vorzugsweise ist der Körper 12, wie Fig. 6 zeigt, bezüglich der Röhre 42 derart fixiert, daß er sich getrennt von dieser weder bewegen noch drehen kann. Die ausgeübte Spannung liegt im allgemeinen in der gleichen Größenordnung wie die während des Betriebes der drahtförmigen Kathode. Die Röhre 42 wird dann im wesentlichen mit einer Suspension des Emissionskarbonatmaterials gefüllt. Das Emissionskarbonatmaterial kann z.B. aus 13% CaCO₃, 31% SrCO₃ und 56% BaCO₃ bestehen und in einem Elektrolyten suspendiert sein. Der Elektrolyt kann ein Äthylmethacrylat-Bindemittel in Aceton und Calciumnitrat enthalten. Die Röhre 42 wird dann mit konstanter Drehzahl von etwa 80 U/min um ihre Längsachse gedreht, vorzugsweise für eine Zeitspanne von mindestens 24 Stunden. Während der Rotation der Röhre ist diese so angeordnet, daß die Schwerkraft senkrecht zur Längsachse der Röhre wirkt. Dies gewährleistet eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der kataphoretischen Suspension in der Röhre längs des Körpers 12.

Dann wird bei fortdauernder Drehung der Röhre

42 durch die elektrische Energiequelle 62 und die Schleifringelektroden 56 bzw. 60 ein elektrisches Feld zwischen dem Körper 12 aus Wolfram und dem Körper 46 aus der Nickelfolie erzeugt.

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Das elektrische Feld ist so gepolt, daß der Körper 46 aus der Nickelfolie aus Anode und der zylindrische Körper 12 als Kathode wirken. Ein solches elektrisches Feld erzeugt eine elektrostatische Anziehung, die bewirkt, daß das Emissionskarbonatmaterial in der Suspension sich kataphoretisch auf dem und um den zylindrischen Körper 12 niederschlägt, der auf Massepotential gehalten wird. Ein kataphoretischer Niederschlag des Emissionskarbonats würde jedoch auch eintreten, wenn das elektrische Feld umgekehrt wäre. Dabei wird vermutlich jedoch eine schwächere Bindung des Emissionskarbonats am zylindiischen Körper 12 erreicht. Vorzugsweise wird das Emissionskarbonatmaterial also kataphoretisch auf einem zylindrischen Körper niedergeschlagen, der als Kathode wirkt. Die Dicke des Emissionskarbonatniederschlages auf dem und um den Körper 12 aus Wolfram wird durch die Dauer der Einwirkung und die Größe der anyelegten Spannung gesteuert. Es hat sich beispielsweise ergeben, daß eine Spannung von 175 Volt an der einen Radius von 2 cm aufweisenden Röhre innerhalb von 7 Sekunden einen etwa 25 μιτι dicken kataphoretischen Niederschlag erzeugt. Feldgradienten in der Röhre von etwa 50 V/cm bis etwa 150 V/cm sind typisch, wobei ein Wert von etwa 88 V/cm bevorzugt wird.

Der durch das beschriebene Verfahren erzeugte

Niederschlag des emissionsfähigen Materials hat eine außergewöhnlich gleichmäßige Dicke. Die Gleichförmigkeit beruht insbesondere auf der homogenen Zusammensetzung der Emissionskarbonatsuspension während des kataohoretischen Niederschlagens. Diese wird durch die kontinuierliche Rotation der Röhre 42 sowohl vor als während des kataphoretischen Niederschlagens ermöglicht. Die Gleichförmigkeit wird ferner durch die radiale Symmetrie der elektrischen Feldverteilung ermöglicht, die sich dadurch ergibt, daß der zylindrische Körper 12 axial innerhalb des durch die Nickelfolienschicht gebildeten Körpers 42 anqeordnet ist. Bei dieser Konfiguration umgibt der Körper 46 aus der Nickelfolie (Anode) den Körper 12 vollständig, so daß auf letzterem eine praktisch konstante Anzahl von elektrischen FeId-

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linien pro Flächeneinheit der Oberfläche des zylindrischen Körpers 12 ansetzen. Dies gewährleistet einen gleichmäßigen Niederschlag und damit ein Aufbringen einer Schicht von sehr gleichförmiger Dicke. Bei dem vorliegenden Verfahren werden ferner Luftzwischenräume in der Röhre 42 auf einem Minimum gehalten, so daß Schwankungen der elektrischen Feldstärke infolge von Polarisationsunterschieden zwischen Bereichen mit und ohne Luftzwischenräume vermieden werden. Da sich ferner der Körper 12 mit der Röhre dreht, werden Schwankungen infolge von etwa verbliebenen Luftzwischenräumen im Verlaufe der Dauer des Niederschiagens im wesentlichen ausgemittelt. Weiterhin wird eine gleichmäßige Polarisation der Emissionskarbonatsuspension um die Zylinderachse durch die gleichmäßige Homogenisierung der Suspension infolge der andauernden Drehung der Röhre 42 gewährleistet.

Zur Herstellung der indirekt geheizten Kathode

30 gemäß Fig. 5 muß das oben beschriebene Verfahren abgewandelt werden. Die Verrahrensschritte, einen zylindrischen Körper, der einen praktisch gleichförmigen Quersciinitt um bzw. bezüglich seiner Längsachse hat, und der Verfahrensschrit des Niederschlagens einer im wesentlichen gleichförmigen emissionsfähigen Schicht müssen jedoch auch hier durchgeführt werden. Es sind jedoch noch zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich, um den Körper aus dem Isoliermaterial zu bilden, der zwischen dem Kern aus dem hitzebeständigen Material und der emissionsfähigen Schicht vorgesehen ist. Auch diese Schritte müssen Schichten oder Niederschläge liefern, die eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke haben, so daß das resultierende Filament im wesentlichen zylindrisch und im wesentlichen gleichförmige im Querschnitt um bzw. bezüglich seiner Längsachse ist.

Bei der Herstellung der indirekt geheizten Kathode 30 der Fig. 5 wird der zylindrische Körper 32 aus Wolfram, der beispielsweise einen Durchmesser von 25 μιη haben kann, in die Apparatur 41 gemäß Fig. 6 gebracht und in dieser kataphoretisch mit der isolierenden Schicht 34 aus Aluminiumoxid überzogen.

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Die kataphoretisiie Beschichtung wird beendet, wenn die isolierende Schicht 34 eine gleichmäßige Dicke von 75 μπι erreicht hat. Das kataphoretische Niederschlagen der isolierenden Schicht 34 wird im wesentlichen in der gleichen Weise durchgeführt, wie das oben beschriebene kataphoretische Niederschlagen des Emissionskarbonatmaterials. In diesem Falle enthält die kataphoretische Suspension jedoch Aluminiumoxidteilchen, d.h. eine Suspension von Aluminiumoxidpulver in einem Elektrolyten, wie Wasser, Magnesiumnitrat und Aluminiumnitrat. Die Aluminiumoxidteilchen des Pulvers haben typischerweise Durchmesser von etwa 20 bis 30 μΐη. Bei dieser kataphoretischen Beschichtung kann der verwendete Spannungsgradient in der Größenordnung von etwa 10 V/cm liegen. Die gewünschte Schicht 3 4 aus Aluminiumoxid wird z.B. durch Anlegen von 18 Volt für sieben Sekunden in einer Röhre mit einem Innendurchmesser von 1,6 cm erzeugt.

Der nun überzogene Körper 32 wird aus der

Apparatur 41 entnommen, gespannt und in einem nicht dargestellten Ofen in Gegenwart einer Atmosphäre von trockenem Wasserstoff bei etwa 1700 ⁰C geglüht. Der überzogene und geglühte Körper 32 wird unter Spannung gehalten, in einer trockenen Wasserstoff enthaltenden Kühlzone im Ofen abgekühlt; durch diese Behandlung werden die Nitrate zu Oxiden reduziert und eine Oxidation der Oberfläche des überzogenen Körpers 32 wird verhindert. Der geglühte, mit Aluminiumoxid überzogene Körper 32 wird dann wieder in eine kataphoretische Beschichtungsapparatur entsprechend der Apparatur 41 (Fig. 6) gebracht und kataphoretisch mit der zweiten isolierenden Schicht 35 beschichtet, also mit einer Deckschicht aus 75% Aluminiumoxid und 25% Wolfram. Die isolierende Schicht 35 hat eine Dicke von 2,5 μπι. Der Zweck der isolierenden Schicht 35 besteht darin, die Haftung der anschließend stromlos niedergeschlagenen Mittelschicht zu verbessern.

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Das kataphoretische Niederschlagen der isolierenden Schicht 35 erfolgt dadurch, daß man der Aluminiumoxidsuspension Wolframpulver zusetzt. Zur Erzeugung der dünneren isolierenden Schicht 35 können der Spannungsgradien und gewünschtenfalls auch die Beschichtungsdauer herabgesetzt werden.

Der zweifach überzogene Körper 32 wird dann

aus der Beschichtungsapparatur entnommen und bei 1700 ⁰C unter oben angegebenen Bedingungen erneut geglüht. Der Zweck des ersten Glühens besteht darin, das Wolfram in der äußeren isolierenden Schicht 35 daran zu hindern, in die innere isolierende Schicht aus Aluminiumoxid zu wandern. Wenn das Wolfram nämlich in die isolierende Schicht 34 aus Aluminiumoxid wandert, besteht die Gefahr von unerwünschten elektrischen Kurzschlüssen, d.h. des Auftretens einer elektrischen Verbindung zwischen der Außenfläche des überzogenen Körpers 32 mit dem zylindrischen Körper 32 aus Wolfram. Dies kann eintreten, wenn die fertige Struktur bei der Kathoden- oder Emissionstemperatur betrieben wird. Durch das zweite Glühen wird die äußere Obc -fläche 35a der isolierenden Schicht 35 aus Aluminiumoxid und Wolfram im wesentlichen undurchdringlich. Der doppelt überzogene und doppelt geglühte Körper 32 wird dann in eine Quarzlösung eingetaucht, z.B. ein Produkt, wie es unter dem Handelsnamen "Cyton" von der Firma Monsanto Company in den Handel gebracht wird. Durch dieses Eintauchen werden alle Oberflächenporen im wesentlichen ausgefüllt, die evtl. in der äußeren isolierenden Schicht 35 aus Aluminiumoxid und Wolfram vorhanden sind. Soöie oberflächlichen Poren können durch eine unverhältnismäßige Menge von Wolfram in der Nähe der Oberfläche entstehen. Bei dem Eintauchen dringt außerdem etwas Quarz in die isolierende Schicht 34 aus Aluminiumoxid ein, so daß die oben erwähnte isolierende Aluminiumoxid-Quarz-Schicht 3 4 entsteht.

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Anschließend wird die dünne Nickelsi-hicht 36, deren Dicke beispielsweise 3000 Ä betragen kann, bei Raumtemperatur stromlos auf dem und um den beschichteten Körper 32 niedergeschlagen. Der stromlose Niederschlag ist äußerst wichtig, da er eine elektrisch leitfähige Schicht ergibt, die eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke hat. Andere Niederschlagsverfahren führen zu unerwünschten Ungleichförmigkeiten. Das stromlose Nickelplattierbad soll vorzugsweise Nickelchlorid, Nickelsulfat, Natriumhypophosphit und eine pH-puffernde oder komplexbildende Verbindung enthalten. Besonders bevorzugt ist eine Lösung, die bei Raumtemperatur verwendet werden kann, z.B. das unter der Bezeichnung "Electroless Concentrate Part A und Part B" von der Firma Sirface Technology, Princeton, New Jersey, V.St.A. vertriebene Produkt. Weitere Angaben über bei Raumtemperatur verwendbare Stnomlos-Nickelplattierbäder können aus der US-PS 3 690 944 entnommen werden.

Während der stromlosen Plattierung wird ein

Eindringen des Stromlosnickelbades in die isolierenden Schichten 34 und 35 an den Endbereichen des Körpers 32 dadurch verhindert, daß diese Bereiche vor dem Eintauchen in das Stromlos-Nickelplattierbad mit einer Schutzschicht versehen werden. Diese Bereiche können z.B. mit einem Lackmaterial überzogen werden, z.B. einem von der Firma Michigan Chrome & Chemical Company of Detroit unter dem Handelsnamen "Microstop" vertriebenen Produkt. Nach der Durchführung der stromlosen Plattierung wird die Schutzschicht durch ein entsprechendes Lösungsmittel, z.B. Aceton, entfernt. Eine unerwünschte elektrolytische Plattierung des Stromlosnickels durch Teile der isolierenden Schichten 34 und 35 hindurch, die beim Betrieb der Kathode eintreten kann, wird dadurch weitestgehend ausgeschaltet, daß man den stromlos plattierten Körper 32 unter Spannung für etwa 10 Minuten in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 800^cC erhitzt. Hierbei kann der Wasserstoff

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durch den plattierten Körper diffundieren, so daß oxidierte Elemente entfernt werden, welche eine schädliche elektrolytische Plattierwirkung restlicher Moleküle während des Betriebs der Kathode bewirken könnten.

Nun wird die dickere, z.B. 50 μπι starke Nickelschicht 38 elektrolytisch oder galvanisch auf die dünne stromlos abgeschiedene Nickelschicht 36 aufgebracht. Die dünne Nickelschicht 36 wirkt während des Aufgalvanisierens der dickeren Nickelschicht 38 als leitende Qrundlage. Der elektroplattierte Körper 32 wird ebenfalls unter Spannung etwa 10 Minuten in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bei 800 ⁰C geglüht. Dann wird die emissionsfähige Schicht 40 konzentrisch auf der und um die Nickelschicht 38 niedergeschlagen. Die emissionsfahige Schicht wird ebenfalls unter Verwendung einer Apparatur ähnlich der Apparatur 41 gemäß Fig. 6 aufgebracht. Während des kataphoretischen Aufbringens wirken die Nickelschichten 36 und 38 wie der zylindrische Körper 12 bei Fig. 1 und 2, d.h. als Kathode. Hierfür können die Nickelschichten 36 und 38 mit der Feder 52a verbunden werden (nicht dargestellt.) Im übrigen wird das kataphoretische Niederschlagen der Schicht 40 aus dem Emissionskarbonatmaterial im wesentlichen auf die qleiche Weise durchgeführt, wie es oben in Verbindung mit der direkt geheizten Kathode 10 beschrieben worden ist.

Bei dem oben beschriebenen Verfahren wurden

für die verschiedenen Niederschläge auch verschiedene kataphoretische Beschichtungsapparaturen verwendet; es ist jedoch auch zulässig,alle Beschichtungen unter Verwendung einer einzigen kataphoretischen Beschichtungsapparatur herzustellen. Dies erfordert jedoch eine gründliche Reinigung der Appar itur vor jeder Beschichtung. Hierfür kann insbesondere ein reinigendes Lösungsmittel, wie Aceton, verwendet werden. Da jedoch

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die Emissionseigenschaften der vorliegenden Kathode durch Verunreinigungen beeinträchtigt werden können, verwendet man für die verschiedenen Materialien, die niedergeschlagen werden müssen, vorzugsweise auch verschiedene Apparaturen. Für manche Anwendungen kann es auch zulässig sein, daß der zu beschichtende zylindrische Körper bezüglich der Röhre fest ist, d.h. daß er axial in der Röhre angeordnet ist, jedoch getrennt von ihr gedreht werden kann. Die Röhre kann z.B. Lager enthalten, die in Berührung mit dem zu beschichtenden Körper stehen, so daß die Röhre getrennt um den zu beschichtenden Körper gedreht werden kann (nicht dargestellt).

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht

auf die oben beispielsweise erwähnten Materialien beschränkt. Für das Heizerelement der direkt und indirekt geheizten Kathoden können auch andere hitzebeständige Metalle verwendet werden, wie Molybdän und Kobalt sowie Legierungen hiervon. Geeignete emissionsfähige Materialien sind u.a.: Zusammen niedergeschlagenes Einkristall-(BaSrCa)CO₃ im Verhältnis 57/ 39/4 Gewichtsprozent; (BaSr)CO₃ im Verhältnis 58/42 Gewichtsprozent und BaCO₃ und SrCO₃ getrennt oder in Mischung. Als Isoliermaterialien für die indirekt geheizte Kathode eignen sich Stoffe, die thermisch stabil sind und eine Oberflächenchemie aufweisen, die eine Haftung an Metallen erlaubt, wie Zirkon bzw. ZrO-.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel der indirekt geheizten Kathode enthält zwar zwei isolierende Schichten, eine indirekt geheizte Kathode braucht jedoch im Prinzip nur eine isolierende Schicht zwischen dem Heizer und dem Kathodenleiter haben. In manchen Fällen kann es beispielsweise zulässig sein, die äußere isolierende Schicht (Schicht 35 in

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Fig. 5) wegzulassen. In diesem Falle wirkt die innere isolierende Schicht (Schicht 34 in Fig. 5) dann als der erforderliche Körper aus elektrisch isolierendem Material. Die Schicht 35 in Fig. 5 braucht auch nicht elektrisch isolierend zu sein, da diese Funktion bereits durch die innere isolierende Schicht (Schicht 34 in Fig. 5) erfüllt wird.

Die im einzelnen angegebenen Abmessungen

und Dimensionen sind selbstverständlich ebenfalls nicht einschränkend auszulegen, sondern können im Hinblick auf die jeweilige Anwendung weitgehend frei gewählt werden. Die Gleichmäßigkeit der Kathoden gemäß der Erfindung ist nicht auf Filamentkathoden bestimmter Abmessungen beschränkt. Die Gleichförmigkeit ist jedoch am ausgeprägtesten bei Elektronen- oder Kathodenfilamenten relativ kleinen Durchmessers.

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Leerseite

Claims

271b242 Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Kathoden-

filamentes durch kataphoretisches Niederschlagen einer Schicht aus einem emissionsfähigen Material auf einem zylindrischen Körper, der ein hitzebest#ndiges Metall enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der zylindrische Körper (12, 32) derart in eine zylindrische Röhre (42) gebracht wird, daß der zylindrische Körper mit seiner Hauptachse längs der Längsachse der Röhre verläuft und in fester Relation bezüglich der Röhre unter Spannung gehalten wird, wobei die Röhre einen elektrisch leitfähigen Körper (46) auf und entlang ihres inneren Umfanges aufweist und mit einer Suspension des emissionsfähigen Materials im wesentlichen gefüllt ist;

b) die Röhre mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit in einer solchen Lage, daß die Schwerkraft senkrecht zur Längsachse der Röhre wirkt, um die Längsachse gedreht wird und dann

c) ein elektrisches Feld zwischen dem zylindrischen Körper und dem elektrisch leitfähigen Körper am Innenumfang der Röhre erzeugt wird, so daß die Schicht (14, 40) aus dem emissionsfähigen Material kataphoretisch auf dem und um den zylindrischen Körper mit im wesentlichen gleichförmiger Dicke niedergeschlagen wird, während sich die Röhre dreht.

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• t.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14) aus dem emissionsfähigen Material direkt auf dem zylindrischen Körper

(12) niedergeschlagen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch

gekennzei chnet, daß auf dem und um den zylindrischen Körper (32) ein Körper (34, 35) auf isolierendem Material niedergeschlagen wird, daß auf dem und um den Körper aus dem isolierenden Material mindestens eine Schicht (36, 38) aus Metall niedergeschlagen wird und daß die Schicht (40) aus dem emissionsfähigen Material auf die Metallschicht aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, d a du r c h

gekennzeichnet, daß der Körper (34, 35) aus dem isolierenden Material kataphoretisch durch die Verfahrensschritte a), b) und c) auf dem zylindrischen Körper niedergeschlagen wird, wobei jedoch das niedergeschlagene Material ein isolierendes Material ist; daß auf und um den Körper aus dem isolierenden Material eine erste Metallschicht (36) stromlos aufplattiert wird; daß auf die erste Metallschicht eine zweite Metallschicht (38), die dicker ist als die erste Metallschicht, elektrolytisch aufplattiert wird und daß die Schicht aus dem emissionsfähigen Material auf der zweiten Metallschicht niedergeschlagen wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein hitzebeständiges Metall verwendet wird, das ganz oder teilweise aus Wolfram besteht.

709 8A1/0989

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein emissionsfähiges Material verwendet wird, das mindestens ein emissionsfähiges Karbonat enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre im Zuge des Verfahrensschrittes b) für mindestens 2 4 Stunden gedreht wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß beim kataphoretischen Niederschlagen des emissionsfähigen Materials ein elekttrisches Feld solcher Größe verwendet wird, daß in der Röhre ein elektrischer Feldgradient von etwa 50 Volt/cm bis etwa 150 Volt/cm herrscht.

9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim kataphoretischen Niederschlagen des Isoliermaterials ein elektrisches Feld solcher Größe erzeugt wird, daß in der Röhre ein elektrischer Feldgradient von etwa 10 Volt/cm herrscht.

709 8A1/0989