DE2947919C2

DE2947919C2 -

Info

Publication number: DE2947919C2
Application number: DE19792947919
Authority: DE
Inventors: Louis Raymond Redwood City Calif. Us Falce
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1978-11-30
Filing date: 1979-11-28
Publication date: 1991-06-20
Also published as: JPH028413B2; GB2043991B; DE2947919A1; GB2043991A; GB2100502A; GB2100502B; JPS5576538A; CA1150763A; DE2954658C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorratskathode, insbesondere für Mikrowellen-Elektronenröhren mit einem Reservoir aus Elektronen emittierendem Material.

Es ist bekannt, bei derartigen Mikrowellenröhren als Elektroden emittierendes Material Erdalkaliverbindungen vorzusehen, üblicherweise eine Bariumoxidschicht. Dabei wird nach dem Stand der Technik mit dem Aufbringen einer Bariumoxidschicht auf die Kathodenoberfläche nicht vermieden, daß auch Bariumcarbonat vorhanden ist. Durch die anschließende Aktivierung der Kathode durch Heizen auf 900°C wandelt sich das Bariumcarbonat in Bariumoxid um, wobei Kohlendioxidgas ausgetrieben wird. Dieses Kohlendioxidgas reagiert mit den benachbarten Metalloberflächen, so daß durch das freigesetzte Kohlendioxidgas eine Aufkohlung oder Oxidation bewirkt wird, so daß die Elektronen emittierende Fläche stark beeinträchtigt bzw. zerstört wird. Die aufgekohlte Oberfläche wirkt weiterhin als Reduziermittel für das Bariumoxid, so daß elementares Barium erzeugt wird, das bei der Betriebstemperatur der Kathode verdampft.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorratskathode verfügbar zu machen, bei der eine einwandfreie, Elektronen emittierende Oberfläche vorhanden ist, und insbesondere eine Beeinträchtigung oder Zerstörung dieser Flächen durch Aufkohlung oder Oxidation vollständig vermieden ist.

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Vorratskathode der eingangs genannten Art eine Pille aus Erdälkalioxiden vorgesehen ist, die im wesentlichen frei ist von Kohlenstoffdioxid emittierenden Substanzen, daß die Pille mit einer Schutzschicht imprägniert ist, die eine chemische Reaktion der Oxide mit Luft verhindert, wobei die Schutzschicht mit erhöhten Temperaturen verdampfbar ist, und daß an eine Tragstruktur eine perforierte Folie aus hitzebeständigem Material angebracht ist und von dieser und der Folie die Pille umschlossen wird, wobei durch Aktivierung der Kathode durch Erhitzen auf erhöhte Temperaturen nach dem Zusammenbau der Röhre die Schutzschicht verdampft und eine Oxidation bzw. Karbonisierung der Teile der Kathode vermieden ist.

Zweckmäßigerweise besteht die Schutzschicht der Kathode aus Wachs, insbesondere aus Eicosane.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform besteht die Schutzschicht aus einem Harzmaterial, insbesondere aus Methylmethacrylat oder Nitrocellulose.

Die Elektronen emittierende Oberfläche besteht in vorteilhafter Weise aus einem Erdalkalioxid oder aus mehreren Oxiden, nämlich Bariumoxid, Strontiumoxid und Calciumoxid. Spezielle Ausgestaltungen der Folie ergeben sich aus den Ansprüchen 8 bis 12.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorratskathode.

Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) eine Menge von Erdalkalicarbonat wird zusammengepreßt;
b) das zusammengepreßte Erdalkalicarbonat wird erhitzt, um das Erdalkalicarbonat in ein Erdalkalioxid durch Austreiben von Kohlendioxid umzuwandeln,
c) das so erhaltene Erdalkalioxid wird mit einem Schutzmaterial imprägniert, und
d) die Pille wird mit der Tragstruktur der Kathode verbunden. Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens besteht darin, daß das Imprägnieren des Erdalkalioxids mit dem Schutzmaterial unter Vakuum oder in einer inerten Umgebung erfolgt.

Mit Vorteil wird als Schutzmaterial Wachs oder ein harzartiges Material verwendet.

Die Erfindung soll nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vorratskathode gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Flußdiagramm, in dem die wesentlichen Schritte der Herstellung zusammengefaßt sind.

Fig. 1 zeigt eine Vorratskathode 10 nach der Erfindung. Die Kathodenstruktur besteht aus einer Elektronen emittierenden Oberfläche 11, die ein Reservoir 12 aus Glühemissionsmaterial abdeckt, beispielsweise Bariumoxid, oder eine Mischung aus Bariumoxid in Kombination mit Calciumoxid und/oder Strontiumoxid.

Die Elektronen emittierende Oberfläche 11 ist eine mit Öffnungen versehene Metallfolie, die von einem hohlen, länglichen Element 13 abgestützt wird, das in eine Elektronenröhre montiert werden kann, beispielsweise ein Klystron oder eine Wanderfeldröhre. Das Tragelement 13 besteht aus einem hochschmelzenden Material und schließt eine Heizwendel 14 ein, die aus einem Material, wie Wolfram, hergestellt ist, die eine elektrische Leistung so abgeben kann, daß eine Temperatur innerhalb der Tragstruktur 13 im Bereich von 800 bis 1100°C erreicht wird. Die Tragstruktur 13 kann ganz aus einem hochschmelzenden Metall, wie Wolfram oder Molybdän, hergestellt sein, oder es kann sich um eine zusammengesetzte Struktur handeln, deren Bodenteil aus einem hitzebeständigen Isoliermaterial hergestellt ist, wie Ton- oder Beryll-Erde, und deren oberer Teil aus einem hochschmelzenden Metall besteht.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist der obere Teil der Tragstruktur 13 so konfiguriert, daß ein Block 15 aus hochschmelzendem Metall, wie Wolfram, Tantal oder ein poröses Wolfram-Imprägnierung-Material, gehaltert wird. Der Block 15 braucht kein getrenntes Element zu sein, sondern könnte als integrierter Teil einer homogenen Tragstruktur 13 hergestellt sein.

Auf der oberen Fläche des hochschmelzenden Metallblocks 15 ist das Reservoir 12 aus einem Material vorgesehen, das Elektronen durch Glühemission bei Temperaturen oberhalb von 700°C emittiert. Das Reservoir 12 besteht typischerweise aus einer Schicht aus Bariumoxid. Wie oben besprochen, kann die Reservoirschicht 12 aber auch aus einer Mischung aus Bariumoxid in Kombination mit Calciumoxid und/oder Strontiumoxid bestehen, je nach dem speziellen Verwendungszweck der Röhre, in die die Vorratskathode 10 montiert werden soll. Auf der Oberseite der Reservoirschicht 12 ist die Metallfolie 11 angeordnet. Die Folie 11 ist als eine Kappenstruktur ausgebildet, die die Reservoirschicht 12 in Position hält. Die Folie 11 ist an die äußere Vertikalwand der Tragstruktur 13 durch eine geeignete Technik, wie Laser- Schweißen, gebondet, bei der die Heizeffekte der Bond-Technik lokalisiert sind, so daß die chemische Zersetzung des Elektronen emittierenden Materials, das die Reservoirschicht 12 bildet, eingeschränkt wird.

Wenn Bariumoxid der Luft ausgesetzt wird, wird es schnell durch die Luftfeuchtigkeit in Bariumhydroxid umgewandelt. Bariumhydroxid, das bei 78°C schmilzt, ist als Glühemissionsmaterial für Elektronen ineffektiv. Das Aufbringen einer Bariumoxidschicht auf die Oberfläche einer Kathode hat deshalb bisher eine strenge Kontrolle der Umgebungsbedingungen erfordert, unter denen die Herstellung stattfindet.

Erfindungsgemäß wird die Bariumoxid-Reservoirschicht 12 auf die Oberseite des Blocks 15 aus hochschmelzendem Metall mit folgender Technik aufgebracht. Zunächst wird eine massive Pille aus Bariumcarbonat in einem Vakuum erhitzt, um Kohlendioxid freizusetzen, so daß Bariumoxid zurückbleibt, entsprechend der Gleichung BaCO₃ → BaO + CO₂. Die Pille aus Bariumoxid, die zurückbleibt, nachdem das Kohlendioxid freigesetzt worden ist, ist ziemlich porös. Anschließend wird die poröse Bariumoxidpille, während sie weiterhin unter Vakuum verbleibt, mit einem Wachs, wie Eicosane oder einem harzartigen Material, wie Methylmethacrylat oder Nitrocellulose, imprägniert. Diese wachs- oder harzartige Schicht, die die Bariumoxidpille durchdringt, schützt die pille gegen Hydration in feuchter Luft. Solche beschichteten Pillen können leicht nach bekannten Techniken hergestellt werden, beispielsweise in einer inerten Schutzgas atmosphäre.

Eine mit Wachs oder Harz imprägnierte Bariumoxidpille wird dann auf die Oberfläche des Blocks 15 aus hochschmelzendem Metall gebracht. Die mit Öffnungen versehene Metallfolie 11 wird dann so angeordnet, daß die Bariumoxidpille abgedeckt wird, und der Umfang der Folie 11 wird dann durch Laserschweißen dicht mit der Außenwand der Tragstruktur 13 verbunden. Später, während des Aufheizens der Röhre oder während des Kathodenaktivierungsprozesses, sorgt die dadurch entstehende Wärme dafür, daß das Wachs oder das harzartige Schutzmaterial von der Pille durch die Öffnungen in der Folie 11 verdampft. Mit dieser Technik kann nicht nur die Elektronen emittierende Schicht 12 aus Bariumoxid unter gewöhnlichen atmosphärischen Bedingungen angebracht werden, sondern die Schicht 12 kann auch auf die Betriebstemperatur aufgeheizt werden, ohne daß eine Aufkohlung oder Oxidierung der Oberfläche der Folie 11 verursacht wird.

Unter Verwendung bekannter Techniken könnte die Aufkohlung oder Oxidierung der emittierenden Oberfläche durch das Freisetzen von Kohlendioxidgas während der Kathodenaktivierung verursacht werden. Das übliche Verfahren zum Aufbringen einer Bariumoxidschicht auf die Kathodenoberfläche besteht darin, daß eine Menge Bariumcarbonat mit einer porösen Folie abgedeckt und dann die Folie an eine Tragstruktur angeschweißt wird. Die anschließende Aktivierung der Kathode durch Heizen auf 900°C wandelt das Bariumcarbonat in Bariumoxid um, wobei Kohlendioxidgas ausgetrieben wird. Dieses Kohlendioxidgas realiert mit den benachbarten Metalloberflächen (einschließlich der Elektronen emittierenden Oberfläche), so daß deren Aufkohlung oder Oxidation bewirkt wird. Weiterhin würde die aufgekohlte Oberfläche als Reduziermittel für das Bariumoxid wirken, so daß elementares Barium erzeugt wird, das bei den Betriebstemperaturen der Kathode verdampfen würde. Mit der Technik nach der Erfindung ist kein Kohlendioxid vorhanden, das von der mit Wachs oder Harz imprägnierten Bariumoxidpille freigesetzt werden könnte. Die Möglichkeit einer Aufkohlung oder Oxidation der Folienoberfläche durch die Bildung der Bariumoxid-Reservoirschicht 12 ist damit eliminiert.

Um eine gleichförmige Elektronenemissionsdichte auf der Oberfläche der Folie 11 zu erzielen, wird ein Muster aus Öffnungen gleichförmiger Größe und gleichförmiger Ver teilung auf der Folie gebildet. Eine solche gleichförmige Porosität der Folie 11 kann bei spielsweise dadurch erreicht werden, daß ein Muster aus Löchern gleichförmiger Abmessungen und Abstände chemisch in eine Folie geätzt wird, die aus einem hochschmelzenden Metall hergestellt ist, wie Wolfram oder Molybdän, vorzugs weise etwa 0.025 mm dick. Danach wird eine Schicht aus Iridium, Osmium oder einem anderen Metall der Platingruppe in einer Dicke von etwa 1 Mikron auf die äußere Oberfläche der Folie aufgebracht. Diese Schicht aus Iridium oder einem anderen Metall der Platingruppe dient dazu, die Emissionsfähigkeit zu verbessern.

Die Schritte bei der Herstellung der Schicht 12 aus glühemissionsfähigem Material nach der Erfindung sind im Flußdiagramm Fig. 2 zusammengefaßt. Zunächst wird eine Menge aus Erdalkalicarbonatmaterial zu einer Pille komprimiert. Diese Pille wird dann im Vakuum bei 900°C erhitzt, um das Carbonat in ein Oxid umzuwandeln, indem Kohlendioxid ausgetrieben wird.

Die resultierende Oxidpille wird dann im Vakuum mit einem Wachs oder mit einem harzartigen Material imprägniert. Schließlich wird diese imprägnierte Oxidpille auf den Block 15 auf der Oberseite der Kathodentragstruktur 13 aufgebracht und mit der perforierten Folie 11 abgedeckt.

Die Schritte bei der Herstellung einer Vorratskathode nach der Erfindung sind folgende:

1) Der Heizer 14 wird in die Kathodenstruktur 13 montiert.
2) Die geschützte (d. h. wachs- oder harzimprägnierte) Oxidpille wird an ihrem Platz auf der Tragstruktur 13 eingesetzt, um das Reservoir 12 aus Elektronen emittierendem Material zu bilden.
3) Die perforierte Folie 11 wird über die geschützte Oxidpille aufgebracht.
4) Der Umfang der perforierten Folie 11 wird mit einem Laser an die Tragstruktur 13 angeschweißt, so daß die Oxidpille zwischen die Folie 11 und die Tragstruktur 13 eingeschlossen ist.

Claims

1. Vorratskathode, insbesondere für Mikrowellen- Elektronenröhren, mit einem Reservoir aus Elektronen emittierendem Material, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Pille aus Erdalkalioxiden vorgesehen ist, die im wesentlichen frei ist von Kohlenstoffdioxid emittierenden Substanzen,
daß die Pille mit einer Schutzschicht imprägniert ist, die eine chemische Reaktion der Oxide mit Luft verhindert, wobei die Schutzschicht bei erhöhten Temperaturen verdampfbar ist, und
daß an eine Tragstruktur eine perforierte Folie aus hitzebeständigem Material angebracht ist und die Pille von diesen beiden umschlossen wird, wobei bei Aktivierung der Kathode durch Erhitzen auf erhöhte Temperaturen nach dem Zusammenbau der Röhre die Schutzschicht verdampft und eine Oxidation bzw. Karbonisierung der Kathode vermieden wird.

2. Vorratskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht der Kathode aus Wachs besteht.

3. Vorratskathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachs aus Eicosane besteht.

4. Vorratskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Harzmaterial besteht.

5. Vorratskathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Harzmaterial aus Methylmethacrylat besteht.

6. Vorratskathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Harzmaterial aus Nitrocellulose besteht.

7. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdalkalioxide eines oder mehrere der folgenden Oxide umfassen: Bariumoxid, Strontiumoxid, Calciumoxid.

8. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Wolfram hergestellt ist.

9. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie aus Molybdän hergestellt ist.

10. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Metallschicht auf der Oberfläche der Folie zur Verbesserung der Elektronenemissionsfähigkeit, wobei diese Schicht durch einen Niederschlagsprozeß auf die Folie aufgebracht ist, nachdem die Öffnungen chemisch in die Folie geätzt worden sind.

11. Vorratskathode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht zur Verbesserung der Elektronenemissions fähigkeit aus Iridium besteht.

12. Vorratskathode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht zur Verbesserung der Elektronenemissions fähigkeit aus Osmium besteht.

13. Verfahren zur Herstellung einer Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) eine Menge von Erdalkalicarbonat wird zusammengepreßt;
b) das zusammengepreßte Erdalkalicarbonat wird erhitzt, um das Erdalkalicarbonat in ein Erdalkalioxid durch Aus treiben von Kohlendioxid umzuwandeln,
c) das so erhaltene Erdalkalioxid wird mit einem Schutzmaterial imprägniert, und
d) die Pille wird mit der Tragstruktur der Kathode verbunden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnieren des Erdalkalioxids mit dem Schutzmaterial unter Vakuum erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Imprägnieren des Erdälkalioxids mit dem Schutzmaterial in einer inerten Umgebung erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzmaterial ein Wachs verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzmaterial ein harzartiges Material verwendet wird.