DE4114856A1

DE4114856A1 - Vorratskathode und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE4114856A1
Application number: DE4114856A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Rer Nat Lotthammer; Frank Dr Phil Bossert; Manfred Hacker
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Thales Electron Devices GmbH
Priority date: 1991-05-07
Filing date: 1991-05-07
Publication date: 1992-11-12
Also published as: JPH05144369A; EP0512280B1; EP0512280A1; DE59202904D1; US5318468A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorratskathode nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Vorratskathoden werden auch als Matrix-Kathoden oder Dis penser-Kathoden bezeichnet. Sie bestehen im allgemeinen aus einem Vorratskörper, der aus einem Metallpulver ge preßt oder gesintert ist und der mit dem eigentlichen Emissionsmaterial imprägniert ist. Als Metallpulver für den Vorratskörper kommen Metalle wie Wolfram, Molybdän oder Chrom in Frage. Es ist auch bekannt, Mischungen sol cher Metallpulver zu verwenden. Aus der DE-AS 10 68 818 ist es z. B. bekannt, den Vorratskörper schichtförmig auf zubauen. Aus der DE-OS 20 48 224 ist es bekannt, den Vor ratskörper in einer Höhlung einer Kathodenhülse einzupres sen. Die Imprägnierung des porösen Matrix-Körpers mit ei nem Emissionsmaterial, das z. B. aus BaO-CaO-Al₂O₃ besteht, kann durch Tränken, Einschmelzen oder dergleichen erfol gen.

Allgemein hat sich gezeigt, daß sogenannte Mischmetall-Ka thoden, d.h also Kathoden, deren Vorratskörper aus einem Metallpulvergemisch gepreßt und gesintert sind, verbes serte Emissionseigenschaften und eine bessere Stromstabi lität aufweisen. Die Vorratskörper von Mischmetall-Katho den bestehen im allgemeinen aus Metallen einer ersten Gruppe wie Wolfram, Molybdän oder Chrom und Metallen einer zweiten Gruppe wie Nickel (Ni), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Rhenium (Re), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt), Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lantan (La), Lanthaniden, Titan (Ti), Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Niob (Nb), Tantal (Ta). Dabei zeigte sich, daß ein höherer Anteil von Metallen der zweiten Gruppe, insbesondere ein höherer Os-Anteil sich sehr positiv auf die Stabilität des Emissionsstromes auswirkt. Als nachteilig stellt sich je doch heraus, daß bei der Herstellung häufig eine Schrump fung des Sinterskörpers auftritt, wodurch sich schlechte Wärmeübergänge zur Kathodenhülse und unerwünschte Abdamp fungen des Emissionsmaterials ergeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu grunde, eine neuartige Mischmetall-Vorratskathode anzuge ben, die zumindest im Bereich der emitterienden Oberfläche einen höheren Gehalt an einem Metall der zweiten Gruppe, insbesondere Osmium, aufweist, wobei die vorgenannten stö renden Erscheinungen weitgehend reduziert sind. Eine wei tere Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, ein Verfah ren zur Herstellung einer solchen Mischmetall-Vorrats kathode anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Pa tentanspruches 1 bzw. die im Kennzeichen der Patentansprü che 10 oder 11 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Mischmetall- Vorratskathode besteht darin, daß sie einen Vorratskörper aufweist, der einen hohen Gehalt an einem oder mehreren Metallen der genannten zweiten Gruppe, insbesondere an Osmium, aufweist. Dabei wird eine hohe Porosität und eine geringe Schrumpfung erreicht. Damit ergeben sich Vorrats kathoden mit einem sehr stabilen Langzeitverhalten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher er läutert. Die linke Hälfte zeigt eine im Emissionsbereich fertiggestellte erfindungsgemäße Mehrschicht-Vorrats kathode. Die rechte Hälfte zeigt die Kathode in einem zwi schenzeitlichen Verfahrensschritt eines bevorzugten Her stellungsverfahrens. Gleiche Teile sind mit gleichen Be zugsziffern versehen.

Im Querschnitt ist ein Ausschnitt einer Vorratskathode mit dem Kathodenträger 5 aus einem hochschmelzenden Metall wie z. B. Molybdän dargestellt, das üblicherweise auch als Ka thodenhülse bezeichnet wird und eine Höhlung 6 für ein elektrisches Heizelement und eine topfförmige Höhlung für den Mehrschicht-Vorratskörper 1, 2 aufweist. Der aus den beiden porösen, miteinander verbundenen, verpreßten und gesinterten Mischmetallschichten 1 und 2 bestehende Vor ratskörper ist mit einem Emissionsmaterial getränkt, das im wesentlichen aus Oxyden der Erdkalimetalle (BaO und CaO) besteht und wenigstens noch ein Oxid eines Metalls der Gruppen IIIa oder IIIb des periodischen Systems, z. B. Aluminiumoxid enthält. Durch Pressen und Sintern ist der Vorratskörper 1, 2 gut wärmeschlüssig mit der Wand des topfförmigen Teils der Kathodenhülse 5 verbunden. Die freie Oberfläche 4 der Schicht 2 bildet die Elektronen ab gebende Emissionsfläche der Kathode. Durch formgebende Be arbeitung kann sie eben, gekrümmt oder anderweitig gestal tet werden.

Der die erste Schicht 1 bildende Sinterkörper besteht ebenso wie der der zweiten Schicht 2 aus einer Mischung von Metallen einer ersten Gruppe wie W, Mo, Cr und Metal len einer zweiten Gruppe wie Ni, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Sc, Y, La oder Lanthaniden, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta. Bezüg lich der Zusammensetzung, insbesondere bezüglich der an teilsmäßigen Zusammensetzung unterscheiden sich beide Schichten 1 und 2 jedoch und zwar weist die erste Schicht 1 einen höheren Anteil an einem Metall der ersten Gruppe (Mo, W, Cr) auf als die zweite Schicht 2. Entsprechend ist in der zweiten Schicht 2 der Anteil des Metalls der zwei ten Gruppe (Ni, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta) größer als in der ersten Schicht 1. Ein bevorzugtes Metall der ersten Gruppe ist Wolfram. Ein be vorzugtes Metall der zweiten Gruppe ist Osmium. Die erste Schicht 1 ist bevorzugt dicker als die zweite Schicht 2. Beide Schichten 1 und 2 sind jedoch mindestens 0,01 mm dick. Eine bevorzugte Dicke der ersten Schicht 1 ist 0,1 bis 10 mm, insbesondere etwa 1 mm. Eine bevorzugte Dicke der zweiten Schicht 2 ist 0,01 bis 1 mm, insbeson dere etwa 0,05 bis 0,5 mm.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel betrug die Dicke der ersten Schicht 1 etwa 0,9 mm und die der zweiten Schicht 2 etwa 0,3 mm.

Die Zusammensetzung der ersten Schicht 1 beträgt zweck mäßig 50 bis 100 Gewichtsprozente Metall der ersten Gruppe, insbesondere W und Rest Metall der zweiten Gruppe, insbesondere Os. Die Zusammensetzung der zweiten Schicht 2 beträgt zweckmäßig 30 Gew.% bis 100 Gew.% Metall der zwei ten Gruppe, insbesondere Os und Rest Metall der ersten Gruppe, insbesondere W.

Bei einem Ausführungsbeispiel war die erste Schicht 1 0,9 mm dick und bestand aus 80 Gew.% Wolfram und 20 Gew.% Os mium. Die zweite Schicht 2 war 0,3 mm dick und bestand aus 50 Gew.% W und 50 Gew.% Os.

Nachfolgend werden zwei bevorzugte Herstellungsverfahren beschrieben, ein Zweischichtverfahren und ein Dreischicht verfahren, wobei letzteres sich besonders dann bewährt hat, wenn die zweite Schicht einen höheren Anteil an einem Metall der zweiten Gruppe (wie z. B. Osmium) oder Verbin dungen dieser Metalle enthalten soll. Der bei dem Drei schichtverfahren zusätzlich aufgebrachten dritten Sinter schicht kommt unter anderem die Aufgabe zu, eine Schutz schicht für die zweite Schicht beim Sintern zu bilden und die Schrumpfung der zweiten Schicht mit hohem Anteil an Metall der zweiten Gruppe beim Sintern besser beherrschbar zu machen. Sie wird später wieder entfernt.

Beim Zweischichtverfahren werden im wesentlichen folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

1. Einfüllen der Metallpulvermischung für die erste Schicht 1 in die topfförmige Höhlung der Kathodenhülse 5.
2. Einebnen bzw. Formen und ggf. leichtes Andrücken der eingefüllten Pulvermischung.
3. Einfüllen der Metallpulvermischung für die zweite Schicht 2 auf die Schicht 1.
4. Einebnen bzw. Formen und Pressen mit hohem Druck, z. B. 10 KN.
5. Sintern bei hohen Temperaturen z. B. zwischen 1800°C und 2200°C.
6. Imprägnieren des Vorratssinterkörpers mit Emissionsma terial, z. B. durch Tauchen, Einschmelzen oder dergleichen.
7. Formgebung der Emissionsoberfläche 4 der zweiten Schicht 2, z. B. durch mechanische Bearbeitung.

Bei Durchführen eines bevorzugten Dreischichtverfahrens wird das vorstehende Zweischichtverfahren zweckmäßig ab Verfahrensschritt 3 wie folgt abgeändert:

4. Einebnen bzw. Formen und ggf. leichtes Andrücken der eingefüllten Pulvermischung für die zweite Schicht 2.
5. Einfüllen der Pulvermischung für die dritte Schicht 3.
6. Einebnen bzw. Formen und Pressen aller drei eingefüll ten Pulvermischungen mit hohem Druck, z. B. 10 kN.
7. Sintern bei hohen Temperaturen, z. B. zwischen 1800°C und 2200°C.
8. Imprägnieren des gesinterten Dreischichtkörpers mit Emissionsmaterial, z. B. durch Tauchen, Schmelzen oder der gleichen.
9. Abtragen der dritten Schicht 3 und ggf. des Randes der Kathodenhülse, z. B. durch mechanische Bearbeitung.
10. Formgebung der Emissionsoberfläche 4 der zweiten Schicht 2, z. B. durch mechanische Bearbeitung.

Bevorzugt werden Pulvermischungen folgender Zusammenset zung verwendet.

Für die erste Schicht 1 ein im wesentlichen aus 50 Gew.% bis 100 Gew.% Wolfram und Rest Osmium Metallpulvergemisch. Für die zweite Schicht 2 ein im wesentlichen aus 30 Gew.% bis 100 Gew.% Osmium und Rest Wolfram bestehendes Metall pulvergemisch.

Für die dritte Schicht 3 ein im wesentlichen aus 50 Gew.% bis 100 Gew.% Wolfram und Rest Osmium bestehendes Metall pulvergemisch.

Zweckmäßig ist es, für die erste Schicht 1 und die dritte Schicht 3 die gleiche Zusammensetzung zu wählen. Die Ver wendung einer dritten Schicht 3 hat sich bei Vorratskör pern mit hohem Osmiumgehalt, z. B. <50 Gew.% der zweiten Schicht 2 als zweckmäßig erwiesen. Ferner kann es zweck mäßig sein, bei hohem Osmiumanteil zur Erhöhung der Poro sität einen neutralen Füllstoff, z. B. Emissionsmaterial beizusetzen.

Claims

1. Vorratskathode mit einem porösen Vorratskörper, der mindestens zwei Metalle einer ersten Gruppe wie W, Mo, Cr und/oder einer zweiten Gruppe wie Ni, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt, Sc, Y, La, Lanthaniden, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta enthält und der mit einem Emissionsmaterial imprägniert ist, das mindestens zwei Erdalkalimetalloxide wie CaO; BaO und min destens ein Oxid eines Metalls der Gruppe IIIa oder IIIb des periodischen Systems wie z. B. Al₂O₃ enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratskörper aus einer ersten (1) und einer zweiten (2) aus pulvergepreßten und ggf. gesin terten porösen Schicht besteht, die beide übereinanderlie gend fest miteinander verbunden sind und jeweils eine Dicke zwischen 0,01 mm und 10 mm und eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.

2. Vorratskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schichten im wesentlichen aus gleichen Metallen bestehen, jedoch die zweite Schicht (2) einen höheren An teil eines Metalls der zweiten Gruppe aufweist als die er ste Schicht (1).

3. Vorratskathode nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) einen höheren Anteil an einem Metall der ersten Gruppe aufweist als die zweite Schicht (2).

4. Vorratskathode nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an einem Metall der ersten Gruppe in der ersten Schicht (1) größer als 20 Gew.% ist.

5. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Schicht (2) Oxide oder andere Verbindungen der Metalle der zweiten Gruppe enthal ten sind.

6. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) im wesentlichen 100 Gew.% bis 50 Gew.%, insbesondere etwa 80 Gew.% eines Metalls der ersten Gruppe, insbesondere W und als Rest ein Metall der zweiten Gruppe, insbesondere Os enthält.

7. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (2) im wesentlichen 30 Gew.% bis 100 Gew.%, insbesondere etwa 50 Gew.% eines Metalls der zweiten Gruppe, insbesondere Os, bzw. einer Mischung aus mehreren Metallen der zweiten Gruppe oder de ren Verbindungen und als Rest ein Metall der ersten Gruppe, insbesondere W, enthält.

8. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1, 2) des Vorratskörpers in eine topfförmige Höhlung eines metallenen Kathodenteils (5) eingepreßt sind.

9. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Oberfläche der zweiten Schicht (2) die freie Elektronen emittierende Emissions oberfläche (4) der Vorratskathode ist.

10. Verfahren zum Herstellen einer Vorratskathode nach ei nem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die erste Schicht (1) vorzugsweise durch leichtes Pressen der die erste Schicht (1) bildenden Metallpulver mischung gebildet wird, daß dann die die zweite Schicht (2) bildende Metallpulvermischung auf die freie Oberfläche der ersten Schicht (1) aufgebracht und durch starkes Pres sen die zweite Schicht (2) sich mit der ersten Schicht (1) verzahnend gebildet wird, daß dann der Zweischichten- Preßkörper bei erhöhter Temperatur gesintert wird, daß dann der poröse, zweischichtige Sinterkörper mit dem Emis sionsmaterial imprägniert wird und daß dann die freie Oberfläche der zweiten Schicht (2) ggf. formgebend als Emissionsoberfläche (4) ausgebildet wird.

11. Verfahren zum Herstellen einer Vorratskathode nach ei nem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die erste Schicht (1) vorzugsweise durch leichtes Pressen der die erste Schicht (1) bildenden Metallpulver mischung gebildet wird, daß dann die die zweite Schicht (2) bildende Metallpulvermischung auf die freie Oberfläche der ersten Schicht (1) aufgebracht und vorzugsweise durch leichtes Pressen die zweite Schicht (2) sich mit der er sten Schicht (1) verzahnend gebildet wird, daß dann eine Metallpulvermischung für eine dritte Schicht (3), die einen größeren Anteil an einem Metallpulver der ersten Gruppe wie W, Mo, Cr enthält als die Metallpulvermischung der zweiten Schicht (2) auf die freie Oberfläche der zwei ten Schicht (2) aufgebracht wird, daß dann mit hohem Druck ein Dreischichten-Preßkörper gebildet wird, daß dann die ser Preßkörper bei hohen Temperaturen gesintert wird, daß dann der poröse Dreischichten-Sinterkörper mit dem Emissi onsmaterial imprägniert wird, daß dann die dritte Schicht (3) mechanisch abgetragen wird und daß dann die Emissions oberfläche (4) als freie Oberfläche der zweiten Schicht (2) gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Herstellung des imprägnierten Mehr schichtkathodenkörpers in einer topfförmigen Höhlung eines metallenen Kathodenteils (5) vorgenommen wird und daß bei der Bildung der Emissionsoberfläche (4) ggf. auch ein Teil der Berandung des die Höhlung bildenden topfförmigen Ka thodenteils (5) abgetragen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch ge kennzeichnet, daß das Sintern bei Temperaturen von 1500°C bis 2200°C, insbesondere 1800°C bis 2000°C vorgenommen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Schicht (1) in einer Dicke von 0,1 mm bis 10 mm, insbesondere 0,5 mm bis 1,5 mm herge stellt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch ge kennzeichnet, daß die zweite Schicht (2) in einer Dicke von 0,01 mm bis 1 mm, insbesondere 0,05 mm bis 0,5 mm her gestellt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-15, dadurch ge kennzeichnet, daß die wieder abzutragende dritte Schicht (3) in einer Dicke von 0,01 mm bis 1 mm, insbesondere 0,05 mm bis 0,5 mm hergestellt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-16, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Schicht (1) und die dritte Schicht (3) mit einer Metallpulvermischung von 50 bis 100 insbesondere etwa 80 Gewichtsprozenten eines Metalls der ersten Gruppe, insbesondere W und Rest eines Metalls der zweiten Gruppe, insbesondere Os, hergestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-17, dadurch ge kennzeichnet, daß die zweite Schicht (2) mit einer Metall pulvermischung von 30 bis 100, insbesondere etwa 50 Ge wichtsprozenten eines Metalls der zweiten Gruppe, insbe sondere Os, und Rest eines Metalls der ersten Gruppe her gestellt wird.