Heißkathode in Drahtform
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heißkathode
in Drahtform, die in Vorrichtungen wie Vakuumröhren,
Kathodenstrahlröhren und Leuchtstoff-Anzeigeröhren
von Nutzen ist.
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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.
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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:
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6BaO + WTBa&sub3;WO5 + 3Ba (Reaktionsgleichung 1).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer
Anzeigevorrichtung, die von Heißkathoden in
Drahtform gemäß einen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung Gebrauch macht;
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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer
Anzeigevorrichtung des Standes der Technik;
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Fig. 3 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung
zwischen dem Sc&sub2;O&sub3;-Gehalt in einem
elektronenaussendenden Material und dem Impulsemissionsstrom
aufzeigt;
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Fig. 4 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung
zwischen der Betriebszeit einer
Anzeigevorrichtung, der Luminanz und dem Impulsemissionsstrom
aufzeigt;
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Fig. 5 ist ein Kennliniendiagramm, das das
Gewichtsverhältnis von CaO zu Sc&sub2;O&sub3; in einem
elektronenaussendenden Material und dem
Impulsemissionsstrom aufzeigt;
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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;
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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4Sc&sub2;O&sub3; + 3WT Sc&sub2;W&sub3;O&sub1;&sub2; + 6Sc
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3BaO + 2ScT Sc&sub2;O&sub3; + 3Ba (Gleichung 2).
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.