DE3780246T3 - Drahtförmige Glühkathode. - Google Patents

Drahtförmige Glühkathode.

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DE3780246T3
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Masako Shohinkenkyusho Ishida
Toyokazu Kyotoseisakush Kamata
Hisao Kyotoseisakush Nakanishi
Masato Shohinkenkyusho Saito
Kinjiro Kyotoseisakusho Sano
Ryo Shohinkenkyusho Suzuki
Keiji Shohinkenkyusho Watanabe
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Description

    Heißkathode in Drahtform
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heißkathode in Drahtform, die in Vorrichtungen wie Vakuumröhren, Kathodenstrahlröhren und Leuchtstoff-Anzeigeröhren von Nutzen ist.
  • Es sind verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die von Heißkathoden in Drahtform Gebrauch machen, und eine Anzeigevorrichtung nach Art eines Paneels ist im Querschnitt in Fig. 2 schematisch dargestellt (ungeprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. 84744/1985). Wie gezeigt ist, umfaßt diese Vorrichtung ein Isoliersubstrat 1; eine Vielzahl von auf dem Substrat 1 in gegebenen Abständen vorgesehenen, metallenen Stützen 2; einen Kathodendraht 3, welcher ein elektronenaussendendes Material in gegebenen Abständen hält, das zum Bilden von Kathoden 4b bestimmt ist, und welcher die Stützen 2 überspannt; Steuerelektroden 5, die auf dem Substrat 1 an Stellen vorgesehen sind, welche den Kathoden 4b entsprechen; eine Gitterelektrode 6, die über dem Kathodendraht 3 vorgesehen ist und die mit Durchgangslöchern 6a an Stellen versehen ist, welche den Kathoden 4b entsprechen, und eine Anode 8, die über der Gitterelektrode 6 plaziert ist und die mit einem Leuchtstoff 7 an Stellen beschichtet ist, welche den Kathoden 4b entsprechen, wobei die Gitterelektrode 6 und die Anode 8 in senkrechter Richtung über eine gegebene Entfernung getrennt sind.
  • Der Kathodendraht 3 ist aus Wolfram, und die Kathoden 4b bestehen aus einem Ternär-Carbonat aus Barium, Strontium und Calcium [(Ba, Sr, Ga)CO&sub3;] , das auf der Oberfläche des Drahts 3 durch ein geeignetes Verfahren wie elektrolytische Abscheidung oder Beschichtung abgelagert wird und das zu einer Oxidform [(Ba, Sr, Ca)O] während der Evakuierung der Kammer der Anzeigevorrichtung thermisch zersetzt wird. Während der thermischen Zersetzung wird das BaO im elektronenaussendenden Material reduziert, um Überschuß-Ba als Ergebnis der Reaktion mit Wolfram im Kathodendraht 3 zu erzeugen, die gemäß dem weiter unten dargestellten Schema abläuft, und das erzeugte Uberschuß- Ba diffundiert oder wandert anderweitig zur Oberfläche jeder Kathode, um BaO-Donatoren zu bilden, die zur Elektronenaussendung beitragen:
  • 6BaO + WTBa&sub3;WO5 + 3Ba (Reaktionsgleichung 1).
  • Die in Fig. 2 dargestellte Anzeigevorrichtung arbeitet wie folgt: Wenn der Kathodendraht 3 auf ungefähr 700ºC durch Liefern von Leistung quer über den Draht 3 erwärmt ist, werden von der Oberfläche der Kathoden 4b aus Elektronen ausgesendet. Wenn eine positive Spannung an die Gitterelektrode 6 und die Anode 8 angelegt wird, fliegen die ausgesendeten Elektronenstrahlen durch Löcher 6a im Gitter, um auf den Leuchtstoff 7 zur Erregung desselben aufzutreffen. Wenn eine negative Spannung an die Steuerelektrode 5 angelegt wird, wird das elektrische Feld um die Kathoden 4b herum den Kathoden 4b gegenüber negativ; dadurch wird die von den Kathoden 4b ausgehende Elektronenemission gestoppt. Die von den Kathoden 4b ausgehende Elektronenstrahlenemission kann daher durch Anlegen einer positiven Impulsspannung an die Steuerelektrode 5 gesteuert werden.
  • In den herkömmlichen drahtförmigen Heißkathoden wird Überschuß-Ba nur durch die Reaktion zwischen dem BaO im elektronenaussendenden Material und einem wärmewiderstehenden Metall, d.h. Wolfram, erzeugt. Die Menge an Überschuß-Ba, die durch diese Reaktion erzeugt wird, ist zu gering, um die Unterdrückung der Elektronenemission durch verunreinigungsgase zu vermeiden. Während des Erwärmens des Ternär-Carbonats auf dem Kathodendraht für die Umwandlung des Carbonats zu einer Oxidform oder während des Anfangsbetriebes der Anzeigevorrichtung werden vom Leuchtstoff 7 und den Stützen 2 ausgehende verunreinigungsgase freigegeben, so daß der Anfangsemissionsstrom abnimmt. Auch wird die Zufuhr von Ba nach einem ausgedehnten Betrieb unzureichend, und dies wiederum führt zu einem abgeschwächten Emissionsstrom. Weitere Probleme bei der herkömmlichen Anzeigevorrichtung liegen darin, daß sie wegen des abgeschwächten Emissionsstroms einen schwachen Kontrast erzeugt und daß es unverhältnismäßig lange dauert, bis das System vollkommen evakuiert ist.
  • U.S. Patent Nr. 1,849,594 offenbart Oxidkathoden, bei denen ausgeprägte Emissionsmaxima erhalten werden können durch Verwendung von Mischungen aus Oxiden von Erdalkalimetall und den metallischen Oxiden von anderen Grupppen wie Cer- oder Lanthanoxid in bestimmen Verhältnissen. Solche markierten Maxima werden beispielsweise in einer Mischung aus 90 % Bariumoxid und 10 % Lanthanoxid gefunden.
  • Aus dem U.S. Patent Nr. 3,719,856 ist eine für die Verwendung als ein Elektronenemittierer für Mikrowellenröhren und dergleichen geeignete Vorratskathode bekannt. Die Vorratskathode ist gebildet durch einen porösen Körper aus feuerfestem Material wie Wolfram, imprägniert mit einer geschmolzenen Mischung aus Bariumoxid und wenigstens einem Oxid eines Seltene-Erde-Metalls wie Holmiumoxid, Terbiumoxid, Thuliumoxid oder Yttriumoxid. In einem speziellen Ausführungsbeispiel hatte diese geschmolze Mischung die folgende Molkombination: 6 Bariumoxid, 1 Calciumoxid und 1 Yttriumoxid.
  • Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Heißkathode in Drahtform zu schaffen, welche einen ausreichend starken Anfangsemissionsstrom erzeugt, um einer Anzeigevorrichtung einen starken Kontrast zu verleihen, und welche die Herstellung einer derartigen Vorrichtung verkürzt und vereinfacht.
  • Das Ziel kann durch eine Heißkathode in Drahtform erreicht werden, die auf der Oberfläche eines wärmewiderstehenden Metalls in Drahtform ein elektronenaussendendes Material hält, das ein Gemisch ist, welches 0,2 bis 20 Gew.-% eines Seltene-Erde-Metalloxids und eines Erdalkalimetalloxids enthält, das seinerseits Bariumoxid und Calciumoxid enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Calciumoxid zu Seltene-Erde-Metalloxid im Bereich von 0,02 bis 0,7 liegt und die Summe des Seltene-Erde-Metalloxids und des Calciumoxids im Bereich von 1,3 bis 20 Gew.-% ist.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Anzeigevorrichtung, die von Heißkathoden in Drahtform gemäß einen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht;
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Anzeigevorrichtung des Standes der Technik;
  • Fig. 3 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Sc&sub2;O&sub3;-Gehalt in einem elektronenaussendenden Material und dem Impulsemissionsstrom aufzeigt;
  • Fig. 4 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen der Betriebszeit einer Anzeigevorrichtung, der Luminanz und dem Impulsemissionsstrom aufzeigt;
  • Fig. 5 ist ein Kennliniendiagramm, das das Gewichtsverhältnis von CaO zu Sc&sub2;O&sub3; in einem elektronenaussendenden Material und dem Impulsemissionsstrom aufzeigt;
  • Fig. 6 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Gewichtsprozentsatz von CaO + Sc&sub2;O&sub3; in einem elektronenaussendenden Material und der Luminanz einer Anzeigevorrichtung aufzeigt, die 1.000 Stunden lang betrieben wurde;
  • Fig. 7 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Gewichtsverhältnis von BaO zu Sc&sub2;O&sub3; in einem elektronenaussendenden Material und dem Impulsemissionsstrom aufzeigt, und
  • Fig. 8 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Gewichtsprozentsatz von BaO + Sc&sub2;O&sub3; in einem elektronenaussendenden Material und dem Impulsemissionsstrom aufzeigt, der 5 Minuten nach der Zufuhr von Sauerstoffgas erzeugt wurde.
  • Zusätzlich zu der Reaktion zwischen Wolfram und BaO erlaubt die Heißkathode in Drahtform gemäß der vorliegenden Erfindung ein Reagieren eines Teils des Seltene Erden- Metalloxids im elektronenaussendenden Material mit dem wärmewiderstehenden Metall (d. h. dem Wolfram). Da als Folge dieser beiden Reaktionen Überschuß-Ba erzeugt wird, wird das elektronenaussendende Material in der Heißkathode wirksamer aktiviert als in der herkömmlichen Heißkathode in Drahtform, und dies trägt nicht nur zu einem stärkeren Anfangsemissionsstrom bei, sondern auch zu einem abgeschwächten Abfallen des Emissionsstroms, der nach einem ausgedehnten Betrieb erzeugt wird.
  • Im elektronenaussendenden Material, das in der Heißkathode der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sind die Anteile von Calciumoxid und eines Seltene Erden-Metalloxids zweckentsprechend angeglichen, so daß Teil des erzeugten Uberschuß-Ba auf der Oberfläche des Seltene Erden-Metalloxids adsorbiert wird, um einem geringeren Grad an von der Kathodenoberfläche ausgehender Verdampfung unterzogen zu werden; dadurch wird der Kathode zu ausgezeichneten Lebensdauereigenschaften verholfen.
  • Insbesondere wird das elektronenaussendende Material, das BaO und ein Seltene Erden-Metalloxid in begrenzten Anteilen enthält, einem äußerst geringen Abfallniveau in der Elektronenemission selbst in Gegenwart von Verunreinigungsgasen wie Sauerstoffgas unterworfen.
  • Fig. 1 ist ein Querschnitt, der den wesentlichen Teil einer Anzeigevorrichtung schematisch zeigt, die von Heißkathoden in Drahtform gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht. In dieser Figur ist 1 ein Substrat, das aus einem geeigneten Isolator wie einer dünnen Glas-oder Keramikplatte hergestellt ist; 2 bezeichnet eine Vielzahl von Stützen, die typischerweise die Form von metallenen Vorsprüngen oder Rippen haben; 3 ist ein Kathodendraht, der aus einem wärmewiderstehenden Metall wie Wolfram hergestellt ist; 4a bezeichnet eine Vielzahl von Kathoden, die auf der Oberfläche des Drahtes 3 in gegebenen Abständen entlang seiner Länge gebildet sind; 5 bezeichnet Steuerelektroden; 6 ist eine Gitterelektrode, und 8 ist eine Anode.
  • Die Stützen 2 sind auf dem Isoliersubstrat 1 in gegebenen Abständen vorgesehen; der Kathodendraht 3 ist derart über die Stützen 2 gespannt, daß die Kathoden 4a zwischen nebeneinander angeordneten Stützen 2 zu liegen kommen; die Steuerelektroden 5 sind auf dem Substrat 1 an Stellen vorgesehen, wo sie den Kathoden 4a gegenüberliegen; über dem Draht 3 ist die Gitterelektrode 6 vorgesehen, die Durchgangslöcher 6a an Stellen hat, welche den Kathoden 4a gegenüberliegen; über der Gitterelektrode 6 ist die Anode 8 vorgesehen, welche mit einem Leuchtstoff 7 an Stellen beschichtet ist, die den Kathoden 4a gegenüberliegen. Die Anode 8 ist von der Gitterelektrode 6 in senkrechter Richtung über eine gegebene Entfernung getrennt. Die in Fig. 1 dargestellte Anzeigevorrichtung ist von der Konstruktion her im wesentlichen mit dem in Fig. 2 dargestellten System des Standes der Technik identisch mit Ausnahme der Kathoden 4a.
  • Beispiel 1
  • Es wurden Galvanisierbäder mit unterschiedlichen Konzentrationen von Sc&sub2;(CO&sub3;)&sub3; zubereitet. Unter Anwendung dieser Bäder wurden Kathoden 4a durch herkömmliche Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung erzeugt, wobei die Kathoden Lagen aus einem elektronenaussendenden Material hatten, das in einer Dicke aufgetragen wurde, die im wesentlichen gleich der beim Stand der Technik verwendeten war (8 µm). Die Kathoden wurden in Anzeigevorrichtungen montagemäßig eingebaut und während des Schrittes ihrer Evakuierung erwärmt, damit (Ba, Sr, Ca)CO&sub3; und Sc&sub2;(CO&sub3;)&sub3; zu (Ba, Sr, Ca) O - Sc&sub2;O&sub3; umgewandelt wird.
  • Die fertigen Anzeigevorrichtungen wurden 2 Stunden lang betrieben, und der Impulsemissionsstrom für einen gegebenen Heizstrom wurde als Funktion des Sc&sub2;O&sub3;-Gehalts gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. In der graphischen Darstellung von Fig. 3 zeigt die x-Achse die Konzentration von Sc&sub2;O&sub3; (Gew.-%) in BaO-SrO-CaO-Sc&sub2;O&sub3; an, und die y-Achse zeigt den Impulsemissionsstrom begrifflich als einen Relativwert an, wobei der Wert für die Vorrichtung des Standes der Technik als 100 genommen wird. Wie aus Fig. 3 klar hervorgeht, wurde eine bedeutende Zunahme des Emissionsstroms beobachtet, wenn der Gehalt an Sc&sub2;O&sub3; 0,2 Gew.-% und mehr betrug, und es wurde ein besonders starker Emissionsstrom für einen Sc&sub2;O&sub3;-Gehalt von 1 Gew.-% und mehr erzeugt. Wenn jedoch der Sc&sub2;O&sub3;-Gehalt 20 Gew.-% überschritt, desorbierte das elektronenaussendende Material vom Kathodendraht 3 her und verursachte Störungen im praktischen Betrieb.
  • Es wurden zwei Arten von Anzeigevorrichtungen hergestellt, und ihre Konstruktionen waren gänzlich identisch mit Ausnahme der Kathoden; die Kathoden in der einen Art von Anzeigevorrichtung besaßen eine Beschichtung aus einem elektronenaussendenden Material, das 5 Gew.-% Sc&sub2;O&sub3; in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthielt, und die in der anderen Art von Anzeigevorrichtung besaßen eine Beschichtung aus dem herkömmlichen (Ba, Sr, Ca)O. Die Leuchtstofflage in jeder Vorrichtung wurde aus einem Leuchtstoff für niederenergetische Elektronen hergestellt, nämlich ZnO:Zn, und sie war aus mehreren kreisförmigen Mustern zusammengesetzt, die jeweils einen Durchmesser von 4,0 mm aufwiesen.
  • Es wurden fünf Musterexemplare jeder Art von Anzeigevorrichtung erstellt und unter den gleichen Bedingungen für Heiz-, Anoden- und Gitterspannung aufleuchten gelassen. Es wurde die Luminanz der Leuchtstofflage in jedem Musterexemplar gemessen, und der Durchschnitt ist in Fig. 2 begrifflich als ein Relativwert zeichnerisch dargestellt, wobei die Durchschnittsluminanz für einen 2-Stunden-Betrieb der herkömmlichen Vorrichtung als 100 genommen wird. Zur gleichen Zeit wurde der von jedem Musterexemplar ausgehende Impulsemissionsstrom als Funktion der Betriebszeit unter den gleichen Bedingungen, wie sie beim Erhalten der in Fig. 3 dargestellten Daten Verwendung fanden, gemessen, und die Ergebnisse sind in Fig. 4 ebenfalls als Relativwert begrifflich dargestellt, wobei der Durchschnittswert für einen 2-Stunden-Betrieb der herkömmlichen Vorrichtung als 100 genommen wird. Die Anfangsluminanz der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für einen 2-Stunden-Betrieb war um 18 % höher als der Wert für die herkömmliche Vorrichtung. Wie aus Fig. 4 klar hervorgeht, zeigte die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Vorrichtung bessere Eigenschaften sowohl im Sinne von Luminanz als auch von Emissionsstrom für einen ausgedehnten Betrieb, der sich von der Anfangsstufe aus bis zu 1.000 Betriebsstunden erstreckt. Die vortrefflichen Eigenschaften der Vorrichtung waren, verglichen mit dem herkömmlichen System, besonders augenfällig, welches nach mehreren hundert Betriebsstunden einen merklichen Abfall sowohl der Luminanz als auch des Impulsemissionsstroms erfuhr. Wenn die Leuchtstofflage in jeder Vorrich tung mit einem Röntgenstrahlen-Mikroanalysator nach 1.000 Betriebsstunden analysiert wurde, wurde ein größerer Betrag an Ba in der herkömmlichen Vorrichtung festgestellt als in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, und dies würde anzeigen, daß die vortrefflichen Eigenschaften letz terer auf den geringeren Verbrauch von Ba während des Betriebs der Vorrichtung zurückzuführen sind. Wie vorstehend aufgezeigt, erzeugt die Anzeigevorrichtung, welche von Heißkathoden in Drahtform Gebrauch macht, die gemäß der vorliegenden Erfindung erstellt sind, nicht nur eine hohe Anfangsluminanz, sondern sie offeriert auch eine hohe Restluminanz nach einem ausgedehnten Betrieb, und dies gewährt praktische Vorteile wie Anwendbarkeit der Anzeigevorrichtung bei hohen Lichtpegeln.
  • Während der genaue Grund für das Auftreten eines derartigen Phänomens bei der vorliegenden Erfindung nicht völlig klar ist, könnte eine plausible Erklärung darin liegen, daß in der drahtförmigen Heißkathode des Standes der Technik das elektronenaussendende Material mit Wolfram im Kathodendraht 3 reagiert, um gemäß der bereits vermerkten Reaktionsgleichung 1 Überschuß-Ba zu erzeugen, und das erzeugte Oberschuß-Ba diffundiert oder wandert anderweitig zur Oberfläche der Kathode, um Donatoren in BaO zu bilden, die zur Elektronenemission beitragen. In der gemäß der vorliegenden Erfindung erstellten Kathode erzeugt die Reaktion von BaO mit Wolfram (Reaktionsgleichung 1) Überschuß-Ba, und Sc&sub2;O&sub3; trägt ebenfalls zur zusätzlichen Erzeugung von Dberschuß-Ba bei. Wie durch die folgende Reaktionsgleichung 2 vermerkt, reagiert der Kathodendraht 3 mit Rest-Sc&sub2;O&sub3; zum Bilden von metallenem Sc, das dann mit BaO reagiert, um darüber hinaus tjberschuß- Ba zu erzeugen. Als Folge davon wird die Konzentration an Donatoren in BaO ausreichend erhöht, um einen starken Anfangsemissionsstrom zu erzeugen, und die Zufuhr von Ba wird selbst nach einem ausgedehnten Betrieb aufrechterhalten, um den Abfall in der Elektronenemission auf ein Minimum zu reduzieren.
  • 4Sc&sub2;O&sub3; + 3WT Sc&sub2;W&sub3;O&sub1;&sub2; + 6Sc
  • 3BaO + 2ScT Sc&sub2;O&sub3; + 3Ba (Gleichung 2).
  • Während das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf den Fall beschrieben worden ist, in dem Sc&sub2;O&sub3; als Seltene Erden-Metalloxid verwendet wird, sei darauf hingewiesen, daß ähnliche Wirkungen auch durch Verwendung anderer Seltene Erden-Metalloxide erzielt werden.
  • Beispiel 2
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht die Kathode 4a aus einem elektronenaussendenden Material, das ein Gemisch aus 0,2 bis 20 Gew.-% eines Seltene Erden-Metalloxids und eines Erdalkalimetalloxids ist, dessen Balance wenigstens Bariumoxid und Calciumoxid enthält. Das Gewichtsverhältnis von Calciumoxid zu Seltene Erden-Metalloxid erstreckt sich von 0,02 bis 0,7, vorzugsweise von 0.04 bis 0,3.
  • Beispiele der Seltene Erden-Metalloxide, die Verwendung finden können, schließen Sc&sub2;O&sub3;, La&sub2;O&sub3;, Gd&sub2;O&sub3; und Ce&sub2;O&sub3; ein.
  • Die Kritikalität eines Begrenzens des Gewichtsverhältnisses von Calciumoxid zu Seltene Erden-Metalloxid derart, daß es innerhalb des Bereichs von 0,02 bis 0,7 liegt, wird aus dem folgenden Experiment ersichtlich.
  • Es wurden Galvanisierbäder mit unterschiedlichen Konzentrationen von (Ba, Sr, Ca)CO&sub3; und Sc&sub2;(CO&sub3;)&sub3; zubereitet. Sie enthielten 75 Gew.-% BaO, 10 Gew.-% SrO und 15 Gew.-% eines Gemisches aus CaO und Sc&sub2;O&sub3;, wobei das Gewichtsverhältnis von CaO zu Sc&sub2;O&sub3; variiert ist. Unter Anwendung dieser Bäder wurden Kathoden 4a durch herkömmliche Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung erzeugt, wobei die Kathoden Lagen aus einem elektronenaussendenden Material hatten, das auf einem Kathodendraht 3 in einer Dicke aufgetragen wurde, die im wesentlichen gleich der beim Stand der Technik verwendeten war (8 µm). Die Kathoden mit variierenden Zusammensetzungen wurden in Anzeigevorrichtungen montagemäßig eingebaut und während des Schrittes ihrer Evakuierung erwärmt, um (Ba, Sr, Ca)CO&sub3; - Sc&sub2;(CO&sub3;)&sub3; zu (Ba, Sr, Ca)O - Sc&sub2;O&sub3; umzuwandeln.
  • Die fertigen Anzeigevorrichtungen wurden 2 Stunden lang betrieben, und der Impulsemissionsstrom für einen gegebenen Heizstrom wurde als Funktion des Gewichtsverhältnisses von CaO zu Sc&sub2;O&sub3; gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt. In der graphischen Darstellung von Fig. 5 zeigt die x-Achse das Gewichtsverhältnis von CaO zu Sc&sub2;O&sub3; in dem Gemisch an, das BaO, SrO, CaO und Sc&sub2;O&sub3; enthält, und die y-Achse zeigt den Impulsemissionsstrom begrifflich als einen Relativwert an, wobei der Wert für die Vorrichtung des Standes der Technik als 100 genommen wird. Wie aus Fig. 5 klar hervorgeht, wurde eine bedeutende Zunahme des Emissionsstroms beobachtet, wenn das Gewichtsverhältnis von CaO zu Sc&sub2;O&sub3; im Bereich von 0,02 bis 9,7 lag. Besonders starke Emissionsströme wurden im CaO/Sc&sub2;O&sub3;-Bereich von 0,04 bis 0,3 erzeugt.
  • Es wurden zwei Arten von Anzeigevorrichtungen hergestellt, und ihre Konstruktionen waren gänzlich identisch mit Ausnahme der Kathoden; bei den Kathoden in der einen Art von Anzeigevorrichtung waren auf den Kathodendrähten Beschichtungen aus elektronenaussendenden Materialien aufgetragen, welche CaO und Sc&sub2;O&sub3; in variierenden Gesamtmengen (Gewichtsverhältnis CaO/Sc&sub2;O&sub3; auf 0,6 fixiert) gemäß der vorliegenden Erfindung enthielten, und die Kathoden in der anderen Art von Anzeigevorrichtung hatten eine Beschichtung aus dem herkömmlichen (Ba, Sr, Ca)0, in dem das Gewichtsverhältnis von SrO zu BaO auf 5 fixiert wurde. Die Leuchtstofflage in jeder Vorrichtung wurde aus einem Leuchtstoff für niederenergetische Elektronen hergestellt, nämlich ZnO:Zn, und sie war aus mehreren kreisförmigen Mustern zusammengesetzt, die jeweils einen Durchmesser von 4,0 mm aufwiesen.
  • Es wurden fünf Musterexemplare jeder Art von Anzeigevorrichtung erstellt und unter den gleichen Bedingungen für Heiz-, Anoden- und Gitterspannung 1.000 Stunden lang betrieben. Es wurde die Luminanz der Leuchtstofflage in jedem Musterexemplar gemessen, und der Durchschnitt ist in Fig. 6 begrifflich als ein Relativwert zeichnerisch dargestellt, wobei die Durchschnittsluminanz für einen 2-Stunden- Betrieb jeder Vorrichtung des Standes der Technik und jeder der Erfindung als 100 genommen wird. In der graphischen Darstellung von Fig. 6 zeigt die x-Achse die Summe von CaO und Sc&sub2;O&sub3; in Gew.-% an, und die y-Achse zeigt die relative Luminanz an. Wie aus Fig. 6 klar hervorgeht, zeigten die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Musterexemplare gute Luminanzeigenschaften im CaO + Sc&sub2;O&sub3;-Bereich von 1,3 bis 20 Gew.-%, und besonders gute Ergebnisse wurden im Bereich von 4 bis 16 Gew.-% erzielt, wo die Abnahme der Luminanz minimal war. Die Luminanzeigenschaften der Vorrichtung des Standes der Technik sind in Fig. 6 mit X gekennzeichnet.
  • Wenn die Leuchtstofflage in jeder Vorrichtung mit einem Röntgenstrahlen-Mikroanalysator nach 1.000 Betriebsstunden analysiert wurde, wurde ein größerer Betrag an Ba in der herkömmlichen Vorrichtung festgestellt als in der Vorrich tung der vorliegenden Erfindung, und dies würde anzeigen, daß der Verbrauch an Ba durch seine Verdampfung auf der Leuchtstofflage während des Betriebs der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung geringer war als in der Vorrichtung des Standes der Technik. Es wird spekuliert, daß der redu zierte Verbrauch an Ba einer der Gründe sein könnte, warum die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung während ihrer gesamten Betriebsdauer Eigenschaften hoher Luminanz erfolgreich beibehielt.
  • Ein plausibler Grund für den reduzierten Verbrauch an Ba wäre, daß Teil des Überschuß-Ba, welches sich sowohl als Ergebnis der Reaktion zwischen Wolfram (d. h. dem Material des Kathodendrahtes 3) und BaO gemäß Gleichung 1 als auch als Ergebnis der Reaktion zwischen Wolfram und Sc&sub2;O&sub3; gemäß Gleichung 2 bildet, auf Sc&sub2;O&sub3; adsorbiert wird, um einer von der Kathodenoberfläche ausgehenden, verzögerten Verdampfung unterworfen zu werden. Wenn das Gewichtsverhältnis von CaO zu Sc&sub2;O&sub3; innerhalb des Bereichs von 0,02/0,7 liegt, wird CaO dazu dienen, die vorstehend beschriebenen Wirkungen von Sc&sub2;O&sub3; zu ergänzen; dadurch werden noch bessere Emissionseigenschaften sowohl in der Anfangsperiode als auch während der gesamten Lebensdauer der Kathode gewährleistet.
  • Wie oben aufgezeigt, erzeugt die in Beispiel 2 hergestellte Anzeigevorrichtung nicht nur eine hohe Anfangsluminanz, sondern sie offeriert auch eine hohe Restluminanz nach einem ausgedehnten Betrieb, und dies erlaubt eine Verwendung der Vorrichtung selbst bei hohen Lichtpegeln.
  • Als begleitender Vorteil wird die Anzeigevorrichtung Eigenschaften verbesserter Lebensdauer zeigen, und zwar selbst dann, wenn ein starker Strom durch den Kathodendraht 3 fließen gelassen wird zum Zwecke einer Erzeugung hoher Luminanzpegel.
  • Beispiel 3
  • In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung besteht die Kathode 4a aus einem elektronenaussendenden Material, das ein Gemisch aus 0,2 bis 20 Gew.% eines Seltene Erden-Metalloxids und eines Erdalkalimetalloxids ist, dessen Balance wenigstens Bariumoxid enthält. Das Gewichtsverhältnis von Bariumoxid zu Seltene Erden-Metalloxid erstreckt sich von 0,4 bis 60, vorzugsweise von 0,7 bis 30.
  • Beispiele des Seltene Erden-Metalloxids, das Verwendung finden kann, schließen Sc&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3; und Gd&sub2;O&sub3; ein. Wenn Y&sub2;O&sub3; verwendet wird, ist das Gewichtsverhältnis von BaO zu Y&sub2;O&sub3; vor innerhalb des Bereiches von 0,9 bis 33 eingestellt; wenn Gd&sub2;O&sub3; verwendet wird, ist das Gewichtsverhältnis von BaO zu Gd&sub2;O&sub3; vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 1,2 bis 35 eingestellt.
  • Die Kritikalität eines Begrenzens des Gewichtsverhältnisses von Bariumoxid zu Seltene Erden-Metalloxid derart, daß es innerhalb des Bereichs von 0,4 bis 60 liegt, geht aus dem folgenden Experiment hervor.
  • Es wurden Galvanisierbäder mit unterschiedlichen Konzentrationen von (Ba, Sr, Ca)CO&sub3; und Sc&sub2;(CO&sub3;)&sub3; zubereitet. Die Gewichtsanteile von CaO, SrO, BaO und Sc&sub2;O&sub3; in diesen Bädem wurden derart variiert, daß das Gewichtsverhältnis CaO und SrO 4 Gew.-% bzw. 32 Gew.-% betrug und daß das Gewichtsverhältnis von BaO zu Sc&sub2;O&sub3; verändert wurde, vorausgesetzt, daß die Summe von BaO und Sc&sub2;O&sub3; auf 64 Gew.-% fixiert war. Unter Anwendung dieser Bäder wurden Kathoden 4a durch herkömmliche Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung erzeugt, wobei die Kathoden Lagen aus einem elektronenaussendenden Material hatten, das auf einem Kathodendraht 3 in einer Dicke aufgetragen wurde, die im wesentlichen gleich der beim Stand der Technik verwendeten war (8 µm). Die Kathoden mit variierenden Zusammensetzungen wurden in Anzeigevorrichtungen montagemäßig eingebaut und während des Schritts ihrer Evakuierung erwärmt, um (Ba, Sr, Ca)CO&sub3; - Sc&sub2;(CO&sub3;)&sub3; zu (Ba, Sr, Ca)O - Sc&sub2;O&sub3; umzuwandeln.
  • Die fertigen Anzeigevorrichtungen wurden 2 Stunden lang betrieben, und der Impulsemissionsstrom für einen gegebenen Heizstrom wurde als Funktion des Gewichtsverhältnisses von BaO zu Sc&sub2;O&sub3; gemessen. Es wurden auch Anzeigevorrichtungen durch die bekannte Technik hergestellt, welche von Kathoden Gebrauch machen, die aus einem elektronenaussendenden Material in Form eines Gemisches aus 64 Gew.-% BaO, 32 Gew.-% SrO und 4 Gew.-% CaO gebildet wurden. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 dargestellt. In der graphischen Darstellung von Fig. 7 zeigt die x-Achse das Gewichtsverhältnis von BaO zu Sc&sub2;O&sub3; in dem Gemisch an, das BaO, SrO, CaO und Sc&sub2;O&sub3; enthält, und die y-Achse zeigt den Impulsernissionsstrom begrifflich als einen Relativwert an, wobei der Wert für die Vorrichtung des Standes der Technik als 100 genommen wird. Wie aus Fig. 7 klar hervorgeht, wurde eine bedeutende Zunahme des Emissionsstroms beobachtet, wenn das Gewichtsverhältnis von BaO zu Sc&sub2;O&sub3; im Bereich von 0,4 bis 60 lag. Besonders starke Emissionsströme wurden im BaO/Sc&sub2;O&sub3;-Bereich von 0,7 bis 30 erzeugt.
  • Die beiden Arten von Kathoden, wobei die eine das Produkt der vorliegenden Erfindung ist und die andere ein Produkt des Standes der Technik, wurden in einer Ultrahochvakuumkammer plaziert, die mit O&sub2;-Gas bis zu einem Druck von 10&supmin;&sup8; Torr beliefert wurde. Der Impulsemissionsstrom wurde sowohl vor der Zufuhr von Sauerstoffgas als auch 5 Minuten nach dessen Zufuhr gemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 8 dargestellt, in der die x-Achse den Gewichtsprozentsatz von BaO + Sc&sub2;O&sub3; angibt und die y-Achse den 5-Minuten-Jmpulsemissionsstrom begrifflich als einen Relativwert angibt, wobei der Null-Minutenwert als 100 genommen wird. Wie aus der graphischen Darstellung von Fig. 8 klar hervorgeht, erzeugte die Vorrichtung des Standes der Technik einen Impulsemissionsstrom von 45, während die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Impulsemissionsstrom von 55, wenn die Summe von BaO und Sc&sub2;O&sub3; 60 Gew. -% betrug, und Werte über 70 erzeugte, wenn die Summe 75 Gew.-% und darüber betrug. Somit ist klar, daß die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung begrüßenswert verbesserte Emissionseigenschaften selbst in Gegenwart eines Verunreinigungsgases hatte. Dies läßt sich wie folgt erklären: Wenn das Gewichtsverhältnis von BaO zu Sc&sub2;O&sub3; innerhalb des Bereiches von 0,4 bis 60 liegt, wird eine ausreichende Menge an Oberschuß-Ba als Ergebnis der Reaktion zwischen BaO und Wolfram und derjenigen zwischen Sc&sub2;O&sub3; und Wolfram gebildet, und Teil des Überschuß-Ba wird auf der Oberfläche von Sc&sub2;O&sub3; adsorbiert, so daß die Verdampfung des Oberschuß-Ba von der Kathodenoberfläche genügend verzögert wird, um die Erzeugung eines starken Impulsemissionsstroms sicherzustellen. Wenn die Summe der Gehalte an BaO und Sc&sub2;O&sub3; 40 Gew.-% oder mehr beträgt, zeigen sich besonders gute Emissionseigenschaften, und zwar selbst in Gegenwart eines Verunreinigungsgases.
  • Die unter Beispiel 3 beschriebene Anzeigevorrichtung hat die folgenden Vorteile: Erstens erzeugt sie einen hohen Anfangsluminanzpegel; zweitens kann der Evakuierungsschritt bei der Herstellung der Vorrichtung verkürzt werden, drittens kann die Vorrichtung mit einem geringen Kostenaufwand hergestellt werden. Als begleitender Vorteil zeigt die Vorrichtung verbesserte Lebensdauereigenschaften selbst dann, wenn ein starker Strom durch den Kathodendraht 3 zum Zwecke des Erzeugens hoher Luminanzpegel fließen gelassen wird.
  • Bei den vorstehend vorgenommenen Beispielsbeschreibungen wird angenommen, daß als Material eines wärmewiderstehenden, metallenen Kathodendrahtes Wolfram Verwendung findet, aber es dürfte sich von selbst verstehen, daß der Kathodendraht aus jedem anderen geeigneten Material hergestellt sein kann und daß ähnliche Ergebnisse durch Verwendung von Kathodendrähten erzielt werden, welche als Hauptbestandteil Mo oder Ta enthalten. Die in den Beispielen 1 bis 3 verwendeten Kathoden hatten lineare Form, aber die gleichen, vorstehend beschriebenen Ergebnisse können selbst dann erzielt werden, wenn die Kathoden andere Formen haben wie die eines Streifens, einer Wicklung oder einer Spirale. Bei der vorstehenden Beschreibung wird weiter angenommen, daß die Heißkathode der vorliegenden Erfindung auf eine Anzeigevorrichtung nach Art eines Paneels angewendet wird, aber es dürfte natürlich selbstverständlich sein, daß diese Kathode auch auf eine Leuchtstoff-Schirmbildröhre, eine Kathodenstrahlröhre oder ein Elektronenmikroskop angewendet werden kann.
  • Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich wird, erzeugt die drahtförmige Heißkathode der vorliegenden Erfindung einen starken Emissionsstrom in der Anfangsperiode ihres Betriebs, und gleichzeitig gewährleistet sie gute Emissionseigenschaften während ihres Betriebs. Daher dient diese Kathode zur Schaffung einer Anzeigevorrichtung mit starkem Kontrast oder einer Hochleistungselektronenröhre.

Claims (4)

1. Thermionische Vakuumelektronenröhren-Kathode, die ein wärmewiderstehendes Metall in Drahtform, welches wenigstens aus einem der Elemente Wolfram, Molybdän und Tantal besteht, und ein elektronenemittierendes Material auf der Oberfläche des Metalls umfaßt, welches Material eine elektronenaussendende Oberfläche enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus 0,2 bis 20 Gew.-% eines Seltene Erden-Metalloxids in Mischung mit einem Erdalkalimetalloxid, das wenigstens Bariumoxid enthält, besteht.
2. Heißkathode in Drahtform nach Anspruch 1, worin das Erdalkalimetalloxid Bariumoxid und Calciumoxid enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Calciumoxid zum Erdalkalimetalloxid im Bereich von 0,02 bis 0,7 liegt.
3. Heißkathode in Drahtform nach Anspruch 2, worin die Summe aus dem Seltene Erden-Metalloxid und Calcium im Bereich von 1,3 bis 20 % liegt.
4. Heißkathode in Drahtform nach Anspruch 1 worin das Gewichtsverhältnis von Bariumoxid zum Seltene Erden-Metalloxid im Bereich von 0,4 bis 60 liegt.
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