DE3708687A1 - Vorratskathode und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf thermionische Kathoden und insbesondere auf Abgabe- oder Vorratskathoden der Reservoirbauart, die insbesondere in Vorrichtungen wie beispielsweise Kathodenstrahlröhren verwendet werden können, die eine hohe Stromdichte benötigen, d. h. Stromdichten von mehr als 10 Ampere pro Quadratzentimeter Kathodenoberfläche. Die erfindungsgemäße Kathode wird vornehmlich Anwendung finden, wo die Erfordernisse geringer sind als 10 Ampere.

Der relevanteste Stand der Technik, der dem Anmelder bekannt ist, sei durch die US-PS 41 65 473 repräsentiert. In dieser Patentschrift wird von der Firma Varian Associates, Inc., Palo Alto, California, eine verbesserte Kathode beschrieben, die eine Abgabekathode aufweist, welche eine poröse Metallmatrix umfaßt, die aus einer kompakt gemachten Mischung aus Wolfram­ und Iridiumteilchen besteht, und zwar imprägniert mit einem geschmolzenen Barium-Aluminat und anderen Erdalkalioxyden die der Matrix zugegeben werden können. Die in dem genannten Patent beschriebene Kathodenstruktur ist ganz offensichtlich in erster Linie für den Gebrauch in Mikrowellenelektronen­ röhrenanwendungsfällen gedacht die für den Betrieb mit kontinuierlicher Welle wie beispielsweise in einem Klystron­ verstärker geeignet sind.

Das genannte Patent beschreibt in seinem Abschnitt über den Stand der Technik verschiedene Versuche zur Erzeugung von Kathoden die in der Lage sind hohe Stromdichten zu erzeugen und es wird darauf hingewiesen, daß die Stromdichtengrenze für solche Versuche des Standes der Technik ungefähr 3 Ampere pro Quadratzentimeter Kathodenoberfläche betrug. Ferner zeigt das Patent eine Struktur die in der Lage ist, mindestens 10 Ampere pro Quadratzentimeter Kathodenoberfläche zu erzeugen, auf welche Weise ein signifikanter Leistungsanstieg insbesondere bei sehr hohen Frequenzen für die Verwendung in Mikrowellen­ vorrichtungen erfolgte.

Die Vorrats- oder Abgabekathode des genannten Patentes war in erster Linie für spezielle Mikrowellenröhren vorgesehen, die im allgemeinen sehr kostspielig sind. Daher waren die hohen Herstellungskosten solcher Kathoden zur in Rede stehenden Zeit kein Nachteil. Abgabekathoden, die mehr als 10-20 Dollar in der Herstellung kosten, wurden als nicht zu teuer für die Anwendung in Mikrowellenröhren angesehen, da die Mikrowellenröhren mehrere Tausend Dollar kosten können. Andererseits sind thermionische Kathoden für Kathodenstrahlröhren der Art wie sie in Computer-Terminals und Displays und in manchen TV-Monitoren verwendet werden stets als kostenempfindlich wegen des hohen Volumens und dem starken Wettbewerb dem das Fertigprodukt ausgesetzt ist, in welches die Kathoden eingebaut sind. In Folge dessen waren die für solche kostenempfindlichen Anwendungsfälle von Kathodenstrahlröhren verwendeten Kathoden im allgemeinen solche, die aus einer Isolator-Halbleiteroxyd­ kathodenkombination bestehen, die nicht in der Lage ist Stromdichten von mehr als 1 Ampere pro Quadratzentimeter Kathodenoberfläche zu liefern, was aber für die relativ niedrige Stromdichten benötigenden Anwendungsfälle soIcher lRT-Vorrichtungen ausreichend war.

Da beträchtliche Verbesserungen auf dem Gebiet der Computer­ technik, die sich insbesondere auf die Anzeige- oder Display­ anwendungsfälle beziehen, und auch andere Fortschritte auf dem Gebiet der Kathodenstrahlröhrenanwendungsfälle schufen Nachfrage nach einer Kathode zur Verwendung in Kathoden­ strahlröhren, die in der Lage sind, hohe Stromdichten von 10 Ampere pro Quadratzentimeter oder mehr zu liefern, wodurch die Herstellung einer Kathode der Abgabebauart (Dispenser-Bauart) eine außerordentlich erwünschte Elektronenstrahlquelle für neuere Kathodenröhrenanwendungsfälle wurde. Die Herstellungs­ kosten solcher Vorrats- oder Abgabekathoden sind jedoch noch immer ungefähr eine Größenordnung höher als dies auf dem Gebiet der einem starken Wettbewerb ausgesetzten kostenempfindlichen Kathodenstrahlröhrenindustrie möglich ist. Es besteht somit ein Bedürfnis für eine Kathode der Abgabebauart, die in der Lage ist, die oben erwähnten Stromdichten zu liefern, die aber für nur annähernd 1/10 der Herstellungskosten hergestellt werden kann, wie dies für die bekannten Abgabekathoden mit hoher Stromdichte der Fall ist. Es gibt daher praktisch zwei Arten von Stand der Technik, mit dem die Erfindung verglichen werden kann. Einerseits der Stand, der Technik für die kostspieligen Abgabekathoden, ein Stand der Technik, der im wesentlichen für die Anwendung in Kathodenstrahlröhren ungeeignet ist wegen der Kostenempfindlichkeit des Endprodukts. Andererseits gibt es konventionelle Kathoden, die bislang in Kathodenstrahlröhren verwendet wurden, und zwar wegen ihrer relativ niedrigen Kosten, wobei aber solche Kathoden nicht in der Lage sind, die hohen Stromdichten zu liefern wie sie für die heutigen Kathodenstrahlröhren benötigt werden.

Der letztgenannte Stand der Technik, d. h. Kathoden die konventionellerweise in Kathodenstrahlröhren verwendet wurden, benutzen ein Nickel-Substrat mit einer Verunreinigung von Magnesium oder Silicium als Aktivatoren, wobei eine Schicht aus Bariumoxyd, Kalziumoxyd oder Strontiumoxyd aufgebracht ist und zwar in der Form von Karbonaten, wobei während der Herstellung die Zerlegung in Oxyde erfolgt. Unglücklicherweise ist die Elektronenemission für solche konventionellen Kathodenstrahlröhren viel zu begrenzt für die heutigen Anwendungsfälle, weil die Elektronenemission von einem Halbleitermaterial induziert wird und um die Stromdichte solcher Materialien zu erhöhen benötigt man eine extrem hohe Spannung. Wenn solche hohen Spannungen länger als einen Impuls lang angelegt werden, so ergibt sich eine Bogenbildung die die Kathode zerstört, und zwar infolge des Ladeeffekts des Materials. Die Grenzstromdichte war daher normalerweise weniger als ein Ampere pro Quadratzentimeter für Kathoden in CRT-Anwendungen.

Versuche, bei denen eine Metallkathode anstelle der Halbleiterkathode auf dem Gebiet der Kathodenstrahlröhren (CRT-Röhren) verwendet wird, werden in US-PS 41 65 473 beschrieben und beschränken sich auf Metalle die eine Wasserstoffatmosphäre überleben können welche während des Imprägnierungsschrittes verwendet wird wo beispielsweise ′ Wolfram mit Bariumaluminat oder Bariumkalziumaluminat oder anderen Erdmetalladditiven imprägniert wird.

Zusammenfassung der Erfindung. Die vorliegende Erfindung sieht eine neue Abgabekathode sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben vor, wobei eine Endproduktkathode geschaffen wird, die in der Lage ist, Stromdichten derart zu erreichen wie sie in US-PS 41 65 473 beschrieben sind, wobei aber eine neue Struktur und ein neues Herstellungsverfahren benutzt wird um eine beträchtliche Kostenreduktion auf etwa 1/10 der Kosten­ herstellung der bekannten Abgabekathoden zu erreichen. Die erfindungsgemäße Kathode kann kostenmäßig mit den Halbleiter­ kathoden der CRT-Technik konkurrieren, sieht aber eine Verbesserung der Stromdichte um eine Größenordnung vor, um neueren Anforderungen der Kathodenstrahlröhren zu genügen.

Die erfindungsgemäße Kathode verwendet eine reservoirartige Abgabe- oder Vorratskathodenstruktur die in vier gesonderten Teilen hergestellt werden kann und die ohne weiteres mit relativ niedrigen Kosten zusammengebaut werden kann. Kostengünstige Herstellungsverfahren unter Verwendung von automatischen Geräten können verwendet werden, und zwar automatischen Geräten, die seit langem in Gebrauch sind in der Form von Tablettenpressen und Stanzpressen. Ferner ist die erfindungsgemäße Struktur für ein gleichförmigeres Leistungsniveau über die Kathodenlebensdauer hinweg prädestiniert. Dies steht im Gegensatz zu den Abgabekathoden des Standes der Technik die im allgemeinen eine signifikante Verschlechterung hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit über das Leben der Kathode hinweg zeigen, und zwar wegen der Änderungen im Ausmaß der Verdampfung des Erdalkalimetalls durch die Poren des emittierenden Metalls.

Die oben erwähnten vier gesonderten Teile der Erfindung umfassen ein gepreßtes und gesintertes poröses Wolframpellet oder -plättchen; ein gepreßtes Pellet oder Plättchen hergestellt aus Bariumkalziumaluminat und Wolfram; ein stanzgepreßtes Reservoir gebildet aus Molybdän, Rhenium, einer Kombination aus Molybdän und Rhenium, Tantal oder anderem feuerfestem Metall; und einem Tragzylinder in der Form einer Extrusionsstruktur oder einer in ähnlicher Weise verarbeiteten Struktur gebildet aus Molybdän, Molybdän-Rhenium oder Tantal.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Pressen und Sintern des Wolframpellets und Verwendung von Wolframpulver mit ausgewählten Eigenschaften, Stanzpressen der Reservoirform und Formung des Tragzylinders, Pressen eines Pellets aus Bariumkalziumaluminat und Wolfram, Zusammenbau von Reservoir und Tragzylinder, Einsetzen des Aluminatwolfram­ pellets in das Reservoir, Abdichten des porösen Wolframpellets an der Oberseite des Reservoirs und der Zylinderanordnung entweder durch Schweißen oder Hartlöten. Die sich ergebende Kathode ist derart ausgelegt, daß sie bei annähernd 850 bis 1150°C arbeitet, und zwar abhängig von den erwünschten Stromdichten. Das innerhalb des Reservoirs enthaltene Pellet sieht einen konstanten niedrigen Pegel an Kaliumverdampfung zur Aktivierung des Wolframs vor. Insbesondere sieht die Kathode der Erfindung die hohe Stromdichte der Abgabekathoden in einer strukturellen Konfiguration vor die eine einfache automatische Herstellung ermöglicht, wodurch die Kosten beträchtlich vermindert werden und die Erfindung kosten­ kompatibel mit bekannten in ihrer Stromdichte begrenzten CRT-Kathoden wird.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, eine Abgabekathode vorzusehen, die eine Struktur aufweist und ein Herstellungs­ verfahren ermöglicht so daß sich Kosten ergeben, die mit denen konventioneller Kathodenstrahlröhren Kathoden vergleichbar sind, wobei aber gleichzeitig eine Stromdichte von mindestens 10 Ampere pro Quadratzentimeter der Kathodenemissionsoberfläche erreicht wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Kathode und ein Herstellungsverfahren dafür anzugeben so daß eine Abgabekathode der Reservoirbauart in vier gesonderten Teilen hergestellt werden kann, die ohne weiteres zusammengebaut werden können und zwar unter Verwendung von seit langem bewährten automatischen Geräten. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Abgabe­ oder Dispenserkathode vorzusehen, die besonders geeignet ist zur Anwendung als eine hohe Stromdichte aufweisende Kathoden­ strahlröhrenkathode, und die in der Lage ist, ein Minimum von 10 Ampere pro Quadratzentimeter Kathodenemissionsfläche zu erzeugen, und zwar unter Verwendung eines Emissions-Metall­ materials, wobei sich vergleichbare Kosten mit den CRT-Katho­ den der Halbleiterbauart ergeben.

Weitere Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeich­ nungen; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm welches den erfindungsgemäßen Herstellungsprozeß veranschaulicht;

Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Es sei nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erkennt man, daß die Erfindung eine ver­ besserte Vorrats- oder Abgabekathode (Dispenser-Kathode) 10 umfaßt, und zwar mit einem Tragzylinder 12 und einem Reservoir 14. Das Reservoir ist im wesentlichen mit einem ersten Pellet oder Plättchen 16 gefüllt, welches eine Mischung aus Wolfram und Bariumkalziumaluminat enthält. Ein zweites Pellet oder Plättchen 18 aus gepreßtem und gesintertem Wolframpulver ist mit dem Tragzylinder 12 durch Hartlöten oder Schweißen verbunden, um dadurch in effektiver Weise das Reservoir 14 und das darin enthaltene Pellet 16 abzudichten. Der Tragzylinder 12 sieht den Zugang zum abgedichteten Reservoir für einen konventionellen Heizer vor wie er beispielsweise in US-PS 41 65 473 beschrieben ist. Das Reservoir 14 wird von der Innenwandoberfläche des Tragzylinders 12 aufgenommen und gestützt.

Das Herstellungsverfahren der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:

• 1) Pressen und Sintern eines porösen Wolframpellets mit einer 70-80% Dichte unter Verwendung von Pulver von 4-7 Mikron Durchmesser. Das Wolframpulver kann wahlweise 20-50 Gewichtsprozent Iridium, Osmium, Ruthenium oder Rhenium enthalten.
• 2) Ausbilden eines Reservoirs durch Stanzpressen unter Verwendung von entweder Molybdän, Rhenium, Molybdän-Rhenium, Tantal Wolfram, Wolfram-Rhenium oder anderem feuerfesten Metall.
• 3) Ausbildung eines Tragzylinders aus Molybdän, Rhenium, Molybdän-Rhenium, Wolfram, Wolfram-Rhenium oder Tantal durch Extrusion oder ein ähnliches Verfahren.
• 4) Pressen von Pellets aus Bariumkalziumaluminat und Wolfram wobei Wolfram zwischen 20-50% der Mischung bildet.
• 5) Zusammenbau des Reservoirs und des Tragzylinders.
• 6) Einsetzen des Pellets aus Bariumkalziumaluminat und Wolfram in das Reservoir.
• 7) Versiegeln des porösen Wolframpellets an der Reservoir/Zy­ linderanordnung durch Schweißen oder Hartlöten.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Herstellungs­ verfahrens umfaßt der Schritt Nr. 1 folgendes:

Als erstes Aufbringen eines uniaxialen Druckes von zwischen 10000 und 20000 psi (Engl. Pfund pro Quadratzoll) auf das Wolfram um eine Dichte zwischen 50-55% zu erhalten und sodann Sintern des gepreßten Wolframs bei zwischen 2000 und 2500°C für eine Zeitdauer zwischen 30 und 60 Minuten um die 70-80% Dichte zu erhalten. Ferner wurde der Reservoirformungsprozeß des Schrittes 2 durch die Verwendung einer einfachen Formpresse erreicht. Es sei bemerkt, daß nach Schritt 7 das Verfahren entweder das Schweißen oder Hartlöten verwenden kann, wobei bei dem hier bevorzugten Ausführungsbeispiel das Schweißen eine bevorzugte Form des Versiegelns bzw. Abdichtens verglichen mit dem Hartlöten ist.

Die sich ergebende Abgabekathode hergestellt durch das oben beschriebene Verfahren und einer Form wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, ist besonders vorteilhaft verglichen mit der Abgabekathode gemäß US-PS 43 65 473 und zwar aus verschiedenen Gründen. Der wichtigste dieser Gründe besteht in der Einfach­ heit des Herstellungsverfahrens welches die Herstellungskosten beträchtlich vermindert. Ferner besitzt das im Schritt 1 hergestellte poröse Wolframpellet keine verstopften Poren, d. h. es weist offene Poren auf, die nicht durch ein äußeres Material verstopft sind, wodurch der Metallteil der Kathode effizienter gemacht wird hinsichtlich seines Ansprechens gegenüber der Aktivierung durch die Bariumverdampfung die aus dem Emissionsmaterial enthalten innerhalb des Reservoirs kommt. In der Tat ist das einzige, was durch die Poren des porösen Wolframmaterials im oberen Pellet läuft Barium oder Bariumoxyd emittiert mit einem konstanten niedrigen Pegel der Bariumverdampfung, wodurch ein im wesentlichen konstanter Leistungspegel oder ein im wesentlichen konstantes Leistungs­ niveau über die Lebensdauer der Kathode hinweg sichergestellt ist.

Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Abgabekathode in der Lage ist, hohe Stromdichten zu erzeugen, die gleich oder größer als 10 Ampere pro Quadratzentimeter Kathodenemissions­ oberfläche sind. Durch die neue Konfiguration und das neue Herstellungsverfahren ergibt sich eine signifikante Kostenverminderung bei der Herstellung verglichen mit bekannten Abgabekathoden.

Die Erfindung sieht eine ganz aus Metall bestehende Abgabekathode vor welche die Stromdichte der bekannten Kathoden wie sie normalerweise in Kathodenstrahlröhren verwendet werden um einen Faktor von ungefähr 10 erhöhen, wobei sich gleichzeitig eine Kathode ergibt, die in ihren Kosten vergleichbar ist mit den Kosten der bekannten Halbleiterkathoden wie sie normalerweise in Kathodenstrahl­ röhren Verwendung finden. Die beträchtliche Verminderung der Herstellungskosten wird dadurch erreicht, daß man eine vierteilige Anordnung verwendet, die ohne weiteres durch automatische Geräte hergestellt werden kann auf welche Weise die Leistungsvorteile der bekannten Abgabekathoden erreicht werden, aber gleichzeitig auch die Kostenvorteile der eine niedrigere Stromdichte besitzenden Halbleiterkathoden, wie sie normalerweise in Kathodenstrahlröhren verwendet werden, vorhanden sind.

Abwandlungen der Erfindung sind dem Fachmann gegeben. Beispielsweise können andere Bestandtteilskomponenten in dem porösen Wolframpellet verwendet werden, wie auch in dem darunter liegenden emittierenden Wolframpellet mit dem Bariumkalziumaluminat im Reservoir der Erfindung kombiniert ist.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Eine vierteilige, leicht herstellbare Abgabekathode die Stromdichten bis zu und über 10 Ampere pro Quadratzentimeter liefert und die insbesondere für Kathodenstrahlröhren­ anwendungsfälle wegen ihrer überraschend niedrigen Kosten geeignet ist, wird vorgesehen. Ein aus feuerfestem Material bestehendes Reservoir enthält ein Pellet aus Wolfram und Bariumkalziumaluminat und ist durch ein Pellet aus porösem Wolfram oder einer Wolframmischung abgedichtet oder versiegelt. Die Reservoir/Pelletanordnung ist in einem Tragzylinder enthalten an den das poröse Wolframpellet angeschweißt sein kann. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Schritte der Herstellung der Pellets und den Zusammenbau der vier Elemente der Kathode.

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Claims (11)

1. Eine Vorratskathode die folgendes aufweist: ein Reservoir gebildet aus einem feuerfesten Metall, ein erstes Pellet enthalten innerhalb des Reservoirs und Bariumkalziumaluminat und Wolfram enthaltend, ein zweites Pellet darüberliegend und das Reservoir versiegelnd und gepreßtes und gesintertes poröses Wolfram aufweisend, und Mittel zum Anlegen von Wärme an das Reservoir und die Pellets zur Emission von Strom daraus.

2. Kathode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Tragzylinder mit einer Innenwandoberfläche zur Aufnahme und zur Halterung des Reservoirs.

3. Kathode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir aus einem Metall aus der folgenden Gruppe ausgeformt ist: Molybdän, Rhenium, Molybdän und Rhenium in Kombination, Wolfram, Wolfram und Rhenium in Kombination und Tantal.

4. Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch­ gekennzeichnet, daß das zweite Pellet auch mindestens ein Metall der aus Iridium, Osmium, Ruthenium und Rhenium bestehenden Gruppe aufweist.

5. Kathode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragzylinder aus einem Metall ausgeformt ist, welches aus der folgenden Gruppe entnommen ist: Molybdän, Molybdän und Rhenium in Kombination, Wolfram, Wolfram und Rhenium in Kombination und Tantal.

6. Verfahren zum Aufbau einer Vorratskathode wobei folgende Schritte vorgesehen sind:

• a) Pressen und Sintern eines porösen Wolframpellets auf eine Dichte von mindestens 70%,
• b) Ausbildung eines Reservoirs aus einem feuerfesten Metall,
• c) Ausbildung eines Tragzylinders,
• d) Pressen eines Pellets aus Bariumkalziumaluminat und Wolfram,
• e) Zusammenbau des Reservoirs und des Tragzylinders,
• f) Einsetzen des Pellets des Schritts d) in das Reservoir des Schritts b), und
• g) Versiegeln des Pellets des Schritts a) am Reservoir zur Umschließung des Pellets des Schritts d).

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt a) die folgenden Schritte aufweist:

• al) Aufbringung eines einachsigen Drucks von 10 000 bis 20 000 psi auf Wolframpulver, welches Teilchen mit einem Durchmesser im Bereich von 4-7 Mikron aufweist, und
• a2) Sintern des gepreßten Wolframpulvers bei 2000 bis 2500°C für mindestens 30 Minuten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wolframpulver ferner ein Glied der folgenden Gruppe aufweist: Iridium, Osmium, Ruthenium und Rhenium in einer Menge im Bereich von 2C-50 Gewichtsprozent.

9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Reservoirbildungs­ schritt mittels einer Formpresse ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Pelletversiegelungs­ schritt durch Schweißen ausgeführt wird, und zwar durch Schweißen des Pellets des Schritts a) an das Reservoir des Schritts b).

11. Verfahren nach Anspruch 6, wobei im Schritt d) Wolfram ungefähr 20-50% der Mischung bildet.