DE3751168T2

DE3751168T2 - Struktur einer indirekt geheizten Kathode für Kathodenstrahlröhren.

Info

Publication number: DE3751168T2
Application number: DE3751168T
Authority: DE
Inventors: Mitsuo C O Patent Divisi Kawai; Sakae C O Patent Divisi Kimura; Touru C O Patent Divisi Yakabe
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2007-12-18
Also published as: KR880008378A; EP0272881B1; EP0272881A2; DE3751168D1; EP0272881A3; KR910007826B1; US4820954A

Description

Diese Erfindung betrifft eine indirekt geheizte Kathodenstruktur, die Elektronenstrahlen hoher Stromdichte in Elektronenröhren emittiert.
Die in den obigen Elektronenröhren, wie Farbbildröhren hoher Definition, Aufnahmeröhren hoher Qualität, Projektionsröhren oder Wanderröhren, verwendete indirekt geheizte Kathodenstruktur hat üblicherweise eine Konstruktion, bei der eine Trägerhülse einen scheibenförmigen Elektronenemissionsabschnitt hält. Da abgesehen von der Heizung, die in die Hülse eingesetzt ist, diese Kathodenträgerhülse der Teil ist, der der höchsten Temperatur ausgesetzt ist, zum Beispiel 1000 ºC, muß sie bei hoher Temperatur eine ausreichend große mechanische Festigkeit haben. Allgemein ist die mechanische Festigkeit um so höher, je dicker die Trägerhülse ist. Eine dickere Hülse erhöht jedoch das Gewicht, und es wird schwierig, die Struktur kompakt zu machen. Ferner würde bei einer dickeren Hülse infolge erhöhter Wärmeleitung ein erhöhter Wärmeverlust vorliegen, und dies wiirde zu dem Nachteil des Erfordernisses nach größerer Heizleistung führen. Insbesondere ist im Falle einer Kathodenstruktur vom imprägnierten Typ eine vergleichsweise hohe Betriebstemperatur von 900 ºC bis 1000 ºC (Helligkeitstemperatur) typisch. Weiterhin wird bei dem Alterungsvorgang, der vor der Verwendung einer Elektronenröhre durchgeführt wird, die Hülse manchmal auf näherungsweise 1200 ºC erwärmt. Ferner werden Elektronenröhren, in denen diese indirekt geheizten Kathodenstrukturen verwendet werden, manchmal in Satelliten, Flugzeugen, Schiffen oder Automobilen montiert, und daher ist eine strengere Vibrationsprüfung erforderlich. Aus diesen Gründen ist Tantal (Ta) für die Trägerhülsen herkömmlicher imprägnierter Kathodenstrukturen verwendet worden.
Tantalhülsen deformieren jedoch bei hoher Temperatur infolge von mechanischen Schocks oder Vibrationen.
In der Literatur ist vorgeschlagen worden, daß reines Niob, reines Tantal oder reines Molybdän als eine Trägerhülse verwendet werden könnten (JP-A-54-67757). Da die Festigkeit von Niob bei hoher Temperatur jedoch geringer ist als die von Tantal, ist Niob in der Praxis nicht verwendet worden.
EP-A-0 022 201 bezieht sich auf indirekt geheizte Kathodenstrukturen eines Typs, der ähnlich der vorliegenden Erfindung ist, aber wobei die Hülse dort aus unterschiedlichem Material besteht.
SU-A-1 356 206 betrifft Nioblegierungen, die in Kathodeneinheiten für UHF-Elektrovakuumvorrichtungen nützlich sein können. Die offenbarten Legierungen weisen Zirkon und 5 Gew. -% oder mehr Wolfram auf.
Daher ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine indirekt geheizte Kathodenstruktur für Elektronenröhren zu schaffen, die das obige Problem löst und einen verbesserten Vibrationswiderstand, einen besseren Wärmewiderstand, eine leichte Bearbeitbarkeit und eine verminderte Wärmekapazität hat.
Gemäß dieser Erfindung wird eine indirekt geheizte Kathodenstruktur, wie in Anspruch 1 beansprucht, geschaffen. In Anspruch 12 ist auch eine Elektronenröhre beansprucht, die solch eine Struktur aufweist.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß das spezifische Gewicht einen Einfluß auf die Deformation der Trägerhülse bei hoher Temperatur hat, verglichen mit der mechanischen Festigkeit des Materials. Die jeweiligen spezifischen Gewichte von reinem Nb, Ta und Mo sind 8,6, 16,6 bzw. 10,3. Das spezifische Gewicht von Nb ist niedriger als das von Ta oder Mo. Andererseits ist die mechanische Festigkeit von Nb bei hoher Temperatur viel geringer als die von Ta oder Mo. Insgesamt ist die Trägerhülse aus Ta überlegen. Eine Trägerhülse aus einer Nb-Legierung hat jedoch verbesserte Eigenschaften in bezug auf eine Hülsendeformation. Bei einer Hülse der gleichen Größe kann das Gewicht einer Hülse aus einer Nb-Legierung um 50 % oder mehr reduziert werden. Weiterhin kann eine dünne Hülse durch einen Ziehprozeß stabil hergestellt werden. Eine Hülse aus einer Nb-Legierung kann auch einem durch häufiges Erwärmen und Abkühlen erzeugten Wärmeverschleiß widerstehen, doch ihr Vibrationswiderstand verschlechtert sich nicht.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird sie nun anhand eines Beispiels unter Bezug auf die bei liegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die einen weggeschnittenen Teil eines Ausführungsbeispiels dieser Erfindung zeigt, und
Figur 2 charakteristische Kurven der Abschneidespannung gegen Wiederholungen des Vibrationstests zeigt.
Die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung werden unten unter Bezug auf die Zeichnungen erklärt. Diese Ausführungsbeispiele sind auf eine Struktur mit einer imprägnierten Kathode angewandt, wie in Figur 1 gezeigt.
Ein scheibenförmiger Elektronenemissionsabschnitt 11 ist aus porösem Wolfram gebildet, das mit einer Elektronenemissionssubstanz, z.B. Bariumcalciumaluminat, imprägniert ist, und seine Oberfläche ist mit einer Lage aus einer Iridium-Wolfram-Legierung (Ir-W) beschichtet, um die Betriebstemperatur der Kathode zu erniedrigen. Durch diese Beschichtung kann die imprägnierte Kathode bei einer Temperatur unterhalb von 1100 ºC arbeiten. Solch eine niedrige Betriebstemperatur ist für die Verwendung einer Kathodenträgerhülse aus einer Nb-Legierung geeignet. Der scheibenförmige Elektronenemissionsabschnitt 11 ist in einem zylindrischen Metallbecher 13 gehalten, der im Ende einer Kathodenträgerhülse 14 montiert ist, wobei feine Rhenium(Re)-Drähte 12 in dem Becher 13 zum Schweißen angeordnet sind. Der Emissionsabschnitt 11 wird mittels der Drähte 12 in Position geschweißt. Die äußere Oberfläche des Bechers 13 ist an der Kathodenträgerhülse 14 befestigt. Das Bodenende der Kathodenträgerhülse 14 ist an einem äußeren Trägerzylinder 16 befestigt, der aus Kovar, d.h. einer Fe-Ni-Co-Legierung, gebildet ist. Drei Haltebänder 15, die aus einer 1%-Zr-Nb-Legierung bestehen, verbinden die Hülse 14 mit dem Zylinder 16. Eine Heizung 17 mit einem gewickelten Filament, die mit einem Isoliermaterial zum Heizen beschichtet ist, ist in die Kathodenträgerhülse 14 eingesetzt, dicht kontaktiert zum Becher 13. Eine erste Gitterelektrode 18 ist gegen den Elektronenemissionsabschnitt 11 angeordnet. Die Kathodenstruktur ist zusammen mit verschiedenen Gitterelektroden, die die erste Gitterelektrode 18 enthalten, in einer Elektronenkanonenstruktur montiert, die in einer Elektronenröhre eingebaut ist.
Die Kathodenträgerhülse 14 wird zunächst als eine Kappe mit einem äußeren Durchmesser von 1,6 mm und einer Dicke von 25 um aus einer Legierungsplatte produziert, die 99 Gew.-% Niob und 1 Gew.-% Zirkon enthält. Nach Rollen und Pressen wird die Kappenform dann durch einen bekannten Laserprozeß zu einer Hülse mit einer Länge von 6,4 mm gemacht.
Die indirekt geheizte Kathodenstruktur wird zum Testen der Emissionscharakteristik und für eine Abschätzung der Deformation der Hülse durch Vibrationstests in eine Triode eingebaut. Diese Abschätzung schließt einen Vergleich der Emissionseigenschaften und der Eigenschaften der Abschneidespannung vor und nach den Vibrationstests ein. Die Daten in der in Figur 2 gezeigten Kurve A1 wurden für die Ergebnisse der Abschneidespannungs-Kennwerte erhalten. Für die Abschätzung des Hülsenmaterials wurde als ein herkömmliches Beispiel auch eine Kathodenstruktur, die eine Ta-Trägerhülse mit identischer Form und identischen Dimensionen verwendete, hergestellt und in derselben Weise bewertet. Die Ergebnisse waren wie in Kurve B1 in derselben Figur gezeigt. Der Vibrationstest wurde bei Verwendung einer Zufallsbetriebsart, einer effektiven Beschleunigung von 10 G, einer Bandbreite von 2000 Hz und einer Zeit von 2 Minuten für einen Vibrationstest wiederholt ausgeführt. Zum Vergleich wurde das Vibrationstestverhalten auf dieselbe Weise auch für Kathodenstrukturen bewertet, die Kathodenträgerhülsen aus einer Nb-Legierung und Ta-Kathodenträgerhülsen mit einer Hülsendicke von 100 um und 200 um verwenden. Als ein Ergebnis war in dem Fall der Hülsen von 200 um Dicke fast kein Unterschied in der Vibration infolge des Hülsenmaterials. Das heißt, in der Elektronenröhre lag fast keine Variation der Abschneidespannungs-Kenndaten vor. Im Gegensatz dazu war im Falle der Hülsen von 100 um Dicke die Hülse aus der Nb-Legierung überlegen. Das heißt, in Figur 2 zeigt die Kurve A2 die Ergebnisse für die Hülse von 100 -im Dicke aus einer Nb-Legierung, und die Kurve B2 ist für eine Ta-Hülse derselben Dicke.
Aus diesen Ergebnissen ist es klar, daß eine indirekt geheizte Kathodenstruktur, die eine Kathodenträgerhülse aus einer Nb- Legierung verwendet, die Variation der Abschneidespannung einer Elektronenröhre im Vergleich mit einer Kathodenstruktur mit einer Ta-Hülse verringern kann. Dieses Ergebnis bedeutet, daß die Deformation infolge der Vibrationstests bei dem Nb-Legierungsmaterial, das ein relativ geringes spezifisches Gewicht hat, sehr klein war, und dies zeigt, daß die Kathodenstruktur, die sich auf diese Erfindung bezieht, im Vibrationswiderstand überlegen ist.
Das Nb-Legierungsmaterial hat auch vergleichsweise gute Verarbeitbarkeit. Sowohl Preßformen als auch kontinuierliches Ziehen in eine schmale Hülsenform können leicht und stabil ausgeführt werden, und das Material eignet sich ausgezeichnet für die Massenproduktion.
Für das Nb-Legierungsmaterial können neben dem obigen Ausführungsbeispiel auch Legierungen verwendet werden, die Nb als eine Hauptkomponente und andere Metalle als Zusätze enthalten. Als Beispiele (Ausführung 1 bis Ausführung 19) zeigt Tabelle 1 Legierungszusammensetzungen von Hülsen, Abschneidespannungsvariationen und Verarbeitbarkeiten durch Ziehen in Hülsenform eines Nb-Legierungsmaterials im Vergleich mit reinen Nb- und reinen Ta-Materialien (Beispiel 1 und Beispiel 2).
Dieser Test wurde wie folgt durchgeführt:
Eine indirekt geheizte Kathodenstruktur wurde in eine zum Testen auf Emissionskenndaten geeignete Triode eingebaut, und die Variation der Abschneidespannung nach intermittierendem Betrieb mit der Heizung auf EIN und auf AUS wurde bewertet.
Die Temperatur der Oberfläche des Elektronenemissionsabschnitts wurde durch die Heizung auf eine Helligkeitstemperatur von 1100 ºC erhöht, was höher als die normale Arbeitstemperatur war. Es wurde 500 Stunden lang getestet, mit einem Zeitplan von Leistung auf EIN für 5 Minuten und auf AUS für 10 Minuten. Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung (Gew.-%) Probe Abschneidespannungsvariation (V) Bearbeitbarkeit Ausführung Vergleich Beispiel Exzellent Befriedigend Gut
Wie von den Ergebnissen dieser Ausführungen klar ist, können geeignete Bereiche für die Mengen jedes hinzuzufügenden Metalls spezifiziert werden. Das heißt, wenn das hinzuzufügende Metall hauptsächlich ein einzelnes Metall ist und wenn das Metall Zirkon ist, ist der Bereich 0,5 bis 0,6 Gew.-%. Ähnlich ist er für Hafnium 3 bis 15 Gew.-%, für Vanadium 1 bis 6 Gew.-%, für Molybdän 2 bis 7 Gew.-%, für Wolfram 0,3 bis 3 Gew.-%, und für Tantal ist er 2 bis 5 Gew.-%.
Andererseits, im Falle kombinierter Hinzufügung, sind die Bereiche wie folgt: Hafnium-3 bis 10 Gew.-% und Titan-0,2 bis 3,0 Gew.-%; Hafnium-3 bis 10 Gew.-% und Zirkon-0,2 bis 2,0 Gew.- %; Vanadium-1 bis 4 Gew.-% und Zirkon-0,2 bis 2,0 Gew.-%; Molybdän-2 bis 7 Gew.-% und Zirkon-0,2 bis 1,0 Gew.-%; Wolfram-0,5 bis 3,0 Gew.-% und Zirkon-0,2 bis 1,0 Gew.-%. Für die oberen Grenzen dieser Mengen sind in der Praxis die Hülsenbearbeitbarkeiten hauptsächlich bei den oberen Grenzwerten, und die unteren Grenzen entsprechen den unteren Grenzwerten, an denen eine merkliche Wirkung auf die Abnutzungswiderstands-Kenndaten eintritt. Der Maximalwert der Zusätze ist etwa 15 Gew.-%.
Bei den in Tabelle 1 gezeigten Daten ist es möglich, Hülsen "exzellenter", "guter" und ''befriedigender" Bearbeitbarkeit zu bilden, und wenn die Abschneidespannung 2,0 Volt oder niedriger ist, zeigt sich ein merklicher Effekt. Nebenbei bemerkt, "befriedigend" ist die untere Grenze der praktischen Ausführbarkeit.
Weiterhin wurden für den Effekt der Hülsendicke auf die Abschneidevariation Hülsen mit einer Dicke von 50 um, 75 um und 100 um unter Verwendung von reinem Niob und einer Legierung von Niob mit 0,75 Gew.-% Zirkon hergestellt, und der oben erwähnte EIN/AUS-Test wurde ausgeführt. Als ein Ergebnis konnte bei Hülsen von 75 um und 100 um fast kein Unterschied der Abnutzungswiderstands-Kenndaten infolge des Hülsenmaterials, d.h. Variation der Abschneidespannung der Elektronenröhre, beobachtet werden. Andererseits war bei einer Hülsendicke von 50 um die Hülse aus einer Nb-Zr-Legierung überlegen.
Aus diesen Ergebnissen ist es klar, daß eine indirekt geheizte Kathodenstruktur, die eine Niob-Legierung verwendet, ein exzellentes Wärmewiderstandsmerkmal zeigt, und dies macht die Abschneidevariation während ihres Lebens sehr gering.
Die zusätzliche Menge zum Legieren ist sehr gering&sub1; und während das gute Vibrationswiderstandsmerkmal einer reinen Niob-Hülse gewahrt bleibt, hat sie einüberlegenes Wärmewiderstandsmerkmal im Vergleich zu einer reinen Niob-Hülse und kann härteren Arbeitsbedingungen widerstehen. Als Ergebnis kann eine Elektronenröhre hoher Leistungsfähigkeit erlangt werden.
Der scheibenförmige Elektronenemissionsabschnitt wurde in der Hülse über einen Becher installiert, der scheibenförmige Elektronenemissionsabschnitt kann aber auch direkt in die Hülse eingesetzt werden. In diesem Fall ist es jedoch notwendig, unterhalb des scheibenförmigen Elektronenemissionsabschnitts Abschirmmaterial vorzusehen, um vor einer Verdampfung oder einem Eindringen der elektronenemittierenden Substanz in Richtung der Heizung zu schützen.
Das obigen ist eine Erklärung im Falle einer imprägnierten Kathode. Diese Erfindung kann jedoch weitreichend für indirekt geheizte Kathodenstrukturen mit Oxidkathoden, usw., angewendet werden.
Wie oben erklärt, können gemäß dieser Erfindung Kathodenhülsen aus verstärkten Niob-Legierungen mit relativ niedrigem spezifischen Gewicht und einer vergleichsweise geringen Wärmekapazität bestehen. Folglich haben sie als indirekt geheizte Kathodenstrukturen gute Vibrationswiderstands-Kenndaten, und relative Verringerungen der erforderlichen Leistung, um sie zu heizen, sind auch möglich. Ferner kann eine Kathodenstruktur mit einem exzellenten Wärmeabnutzungswiderstands-Merkmal gegen wiederholtes Heizen der Kathode bereitgestellt werden, und dies trägt sehr zu der Herstellung einer Elektronenröhre von hoher Verläßlichkeit und hoher Leistungsfähigkeit bei. Solch eine Hülse hat auch eine gute Bearbeitbarkeit für solche Prozesse wie Ziehen, um eine lange und schmale, dünne Hülse herzustellen, und sie kann leicht in Massenproduktion hergestellt werden.

Claims

1. Indirekt geheizte Kathodenstruktur zur Verwendung in einer Elektronenröhre, mit einer Elektronenemissionseinrichtung (11), die eine Kathodenscheibe aufweist, die zum Emittieren von Elektronen in Reaktion auf Wärme eingerichtet ist; einer Heizeinrichtung (17) zum Liefern von Wärme an die Emissionseinrichtung; und

einem Hülsenelement zum Halten der Kathode, das dazu eingerichtet ist, die Emissionseinrichtung und die Heizeinrichtung zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß das Hülsenelement (14) aus einer Nioblegierung hergestellt ist, die aufweist

(a) wenigstens 85 Gewichts-% Nb, und

(b) wenigstens ein anderes Metall aus der folgenden Auf zählung: Ti, Hf, V, Ta, Zr, Mo und W;

vorausgesetzt, daß (c) wenn W und Zr in der Legierung vorliegen, dann sind die jeweiligen Mengen an W und Zr 0,5 bis 3,0 Gewichts-% und 0,2 bis 1,0 Gewichts-%.

2. Kathodenstruktur nach Anspruch 1, wobei die Kathodenscheibe aus porösem Wolfram hergestellt ist, das mit Barium-Kalzium- Aluminat imprägniert ist.

3. Kathodenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektronenemissionseinrichtung einen Metallbecher aufweist, der an dem Ende des Hülsenelements zum Halten der Kathodenscheibe, von dem Elektronen beim Gebrauch ausgehen, befestigt ist.

4. Kathodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hülse eine maximale Dicke von 50 um hat.

5. Kathodenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Heizung innerhalb des Hülsenelements angeordnet ist.

6. Kathodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nioblegierung Zirkonium in einer Menge von 0,2 bis 6,0 Gewichts-% enthält.

7. Kathodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nioblegierung Hafnium in einer Menge von 3 bis 15 Gewichts-% enthält.

8. Kathodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nioblegierung Titan in einer Menge von 0,2 bis 3,0 Gewichts- % enthält.

9. Kathodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nioblegierung Vanadium in einer Menge von 1 bis 6 Gewichts-% enthält.

10. Kathodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nioblegierung Vanadium in einer Menge von 1 bis 4 Gewichts-% und Zirkonium in einem Bereich von 0,2 bis 1,0 Gewichts-% enthält.

11. Kathodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nioblegierung Tantal in einer Menge von 2 bis 5 Gewichts-% enthält.

12. Elektronenröhre, die eine indirekt geheizte Kathodenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 enthält.