DE4408941A1 - Vorratskathode - Google Patents

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 und Molybdän in Frage. Es ist auch bekannt, Mischungen solcher Metall­ pulver zu verwenden. Aus der DE-OS 20 48 224 ist es be­ kannt, den Vorratskörper in eine Höhlung einer Kathoden­ hülse einzupressen. Aus der DE-OS 41 14 856 ist es z. B. bekannt, den Vorratskörper schichtförmig aufzubauen. Die Imprägnierung des porösen Matrix-Körpers mit einem 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 (MM-Kathoden), d. h. also Kathoden, deren Vorratskörper aus einem Metallpulvergemisch gepreßt und gesintert sind, verbesserte Emissionseigenschaften und eine bessere Stromstabilität aufweisen. Die Vorratskörper von Mischmetall-Kathoden bestehen im allgemeinen aus Me­ tallen einer ersten Gruppe wie Wolfram oder Molybdän und Metallen einer zweiten Gruppe, wie Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Palladium (Pd), Rhenium (Re), Osmium (Os), Iridium (Ir), Platin (Pt).

Aus der DE-PS 30 17 429 ist weiterhin bekannt, Wolfram oder Wolframoxid dem Emissionsmaterial zuzusetzen.

Weiter ist bekannt, daß durch Zusatz von Scandium-Verbin­ dungen im Kathodenkörper oder im Emissionsmaterial die Emissionsfähigkeit der Kathoden verbessert werden kann. Allerdings sind die Langzeit-Eigenschaften dieser soge­ nannten "Scandat-Kathoden" bisher noch nicht befriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine Vorratskathode der eingangs genannten Art insbesondere hinsichtlich der Elektronenemission (hoher Stromdichte) bei langer Lebensdauer zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei Versuchen mit verschiedenen Zusätzen hat sich gezeigt, daß mit einer Beimischung von Cr₂O₃-Pulver insbesondere zum Mischmetall-Pulver Kathoden mit merklich verbesserten Emissionseigenschaften erhalten werden können. Insbeson­ dere bei Vorratskathoden mit einem Vorratskörper in Schichtaufbau wie z. B. in der DE 41 14 856 A1 beschrieben, konnten bei gleicher Kathodentemperatur eine gegenüber ei­ ner Kathode ohne chromhaltigen Zusatz etwa doppelt so große Stromdichten erreicht werden, die sich auch nach längerer Betriebszeit kaum änderten. Entsprechend ist die Austrittsarbeit (für 1000°C) bei Kathoden mit z. B. 10% Cr₂O₃-Zusatz zu einem W/Os-Pulver um etwa 0,1 eV niedriger als bei den Kathoden ohne Zusatz.

Anhand der Figuren wird die Erfindung nachfolgend näher erklärt.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Vorratskathode dessen Kathodenkörper auch aus zwei oder drei übereinanderliegenden Schichten bestehen kann,

Fig. 2 zeigt eine Kurve der Austrittsarbeit in Abhängig­ keit von der Kathodentemperatur für eine Mischme­ tallkathode (W/Os) mit und ohne chromhaltigen Zu­ satz (vor Lebensdauer-Betrieb),

Fig. 3 zeigt eine Kurve der Austrittsarbeit bei 1000°C in Abhängigkeit von der Betriebszeit bei erhöhter Ka­ thodentemperatur (1100°C) für Mischmetallkathoden (W/Os) mit und ohne chromhaltigen Zusatz,

Fig. 4 zeigt eine Kurve des Sättigungsstroms für 35 kV/cm in Abhängigkeit von der Betriebszeit für Mischme­ tallkathoden (W/Os) mit und ohne chromhaltigen Zu­ satz.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorratskathode mit einer Emissionsfläche 6. Der Kathodenkörper 1 der auch aus zwei oder drei Schichten bestehen kann, wird z. B. durch Pressen einer Pulvermischung (z. B. W + Os + Cr₂O₃) in den Kathodenhalter 2 (z. B. aus Molybdän) hergestellt. Nach dem Sintern erfolgt das Füllen mit dem Emissionsmate­ rial (z. B. BaO + CaO + Al₂O₃) z. B. durch Tränken.

Der Heizer 3 wird z. B. mit Al₂O₃ 4 in einen Topf 5 aus Mo­ lybdän eingebettet, der an dem Kathodenhalter 2 befestigt ist.

Fig. 2 zeigt die Elektronen-Austrittsarbeit (eΦ/eV), de­ ren Wert aus (bei 1000°C gemessenen) Strom-Spannungs- Kennlinien nach bekannten Verfahren ermittelt wurde, in Abhängigkeit von der Kathoden-Temperatur (T in °C).

Bei neu hergestellten Kathoden (sehr kurze Betriebszeit) ist die Austrittsarbeit für Kathoden mit Cr₂O₃-Zusatz bei tiefen Temperaturen etwa 0,1 eV niedriger als für Kathoden ohne Zusatz, bei hohen Temperaturen noch etwa 0,05 eV.

Fig. 3 zeigt die Änderung der Austrittsarbeit (eΦ/eV) (für 1000°C) während des Betriebs mit (zur Beschleunigung der Alterung) erhöhter Temperatur (1100°C) über der Betriebszeit in Stunden (h). Die Austrittsarbeit für Ka­ thoden mit Cr₂O₃-Zusatz fällt am Anfang des Betriebs noch etwas ab und bleibt während der Beobachtungszeit (fast 10 000 Stunden) praktisch konstant. Die Austrittsarbeit für Kathoden ohne Zusatz steigt an, so daß nach 1000 Stunden ihr Wert etwa 0,1 eV höher liegt als bei Kathoden mit Cr₂O₃.

Fig. 4 zeigt als Beispiel für die Größe des erreichbaren Stroms die zeitliche Änderung des Sättigungsstroms (Strom­ dichte j in A/cm²) bei einer Feldstärke von 35 kV/cm über der Betriebszeit t(h). Entsprechend zur Austrittsarbeit (Fig. 3) verhält sich der Sättigungsstrom; er ändert sich für Kathoden mit Cr₂O₃-Zusatz weniger als für solche ohne Zusatz. Nach längerer Betriebszeit (im Beispiel fast 10 000 Stunden bei 1100°C) ist der Sättigungs-Strom für Kathoden mit Cr₂O₃-Zusatz noch etwa doppelt so groß wie der Strom bei Kathoden ohne Zusatz. (Bei tiefer Temperatur zeigen beide Typen praktisch keinen Abfall).

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Chrom­ bzw. der Chromoxidzusatz dem Sinterkörper des Kathodenkör­ pers zugesetzt. Dies geschieht zweckmäßig in der Weise, daß dem oder den Pulvern der Metalle der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe pulverförmiges Chromoxid (Cr₂O₃) zuge­ mischt wird, diese Mischung dann gepreßt und dann zu einem porösen Sinterkörper gesintert wird. Der Chromoxidanteil der Pulvermischung beträgt 1-20 Gew.-%, vorzugsweise 7-14 Gew.-%, insbesondere etwa 10 Gew.-%. Bevorzugt bestehen die anderen Pulveranteile aus Wolfram und Osmium, wobei der Wolframanteil zweckmäßig nicht kleiner sein soll, als der Osmiumanteil. Gegebenenfalls kann auf das Metall der zwei­ ten Gruppe, also z. B. Osmium, ganz verzichtet werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Chrom bzw. das Chromoxyd nicht dem Pulvergemisch für den Sinterkörper zugemischt, sondern dem ebenfalls als Pulvermischung auf­ bereiteten Emissionsmaterial, mit dem dann der poröse Sin­ terkörper getränkt wird, beigemischt. Der Sinterkörper muß in diesem Falle kein Chrom- oder Chromoxyd enthalten. Dem Emissionsmaterial kann metallisches Chrom oder Chromoxyd zugesetzt werden. Chrom wird zweckmäßig in Anteilen von 1-12 Gew.-% vorzugsweise 4-10 Gew.-% insbesondere 6-8 Gew.-% zugesetzt. Chromoxid wird zweckmäßig in Anteilen von 2-18 Gew.-%, vorzugsweise 5-15 Gew.-%, insbesondere 8-12 Gew.-% zugesetzt.

Sollte der Sinterkörper bereits schon einen gewissen Chromoxidanteil aufweisen, so ist die Chromhaltigkeit des Emissionsmaterials geringer zu wählen. Die Grundmatrix, das ist der Sinterkörper, besteht zweckmäßig aus einem Wolfram-Osmiumgemisch mit ggf. sehr niedrigem Osmiumge­ halt.

Der erfindungsgemäße Chromzusatz ist ebenso vorteilhaft bei einer Vorratskathode anzuwenden, deren Vorratskörper aus mehreren übereinanderliegenden und zusammengesinterten Sinterschichten besteht, wie sie z. B. in der DE-OS 41 14 856 A1 beschrieben ist. Der dort beschriebene Schichtsinterling besteht mindestens aus zwei Schichten, die aus im wesentlichen gleichen Materialien bestehen. Der gewichtsprozentuale Anteil der Materialien ist jedoch in wenigstens zwei aneinandergrenzenden Schichten unter­ schiedlich und zwar in der Weise, daß in der einen Schicht der Anteil des Metalles der ersten Gruppe größer ist als der Anteil des Metalles der zweiten Gruppe und in der an­ deren Schicht der Anteil des Metalles der zweiten Gruppe größer ist als der Anteil des Metalles der ersten Gruppe. Auch bei einem solchen Kathodenkörper mit geschichtetem Sinterling soll zweckmäßig in jeder, zumindest aber in der die Emissionsoberfläche 6 aufweisenden Schicht Chrom- bzw. Chromoxid vorhanden sein, wobei das Chromoxid bzw. Chrom entweder im Sinterling enthalten sein kann oder ggf. auch erst mit dem Emissionsmaterial die Schichten eingebracht werden kann.

Claims (15)

1. Vorratskathode mit einem Vorratskörper, der einen po­ rösen Sinterkörper aufweist, der mindestens ein Metall ei­ ner ersten Gruppe wie W, No und/oder einer zweiten Gruppe wie Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt enthält und der mit einem Emissionsmaterial imprägniert ist, das minde­ stens zwei Erdalkalimetalloxide wie CaO, BaO und minde­ stens ein Oxid eines Metalls der Gruppe IIIa oder IIIb des periodischen Systems wie z. B. Al₂O₃ enthält, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Vorratskörper Chrom oder eine Chrom­ verbindung enthält.

2. Vorratskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Chrom oder die Chromverbindung dem Vorrats­ körper als Bestandteil des porösen Sinterkörpers zugesetzt ist.

3. Vorratskathode nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper im wesentlichen aus einer gesinterten Metallpulverinischung aus Wolfram, Osmium und Chrom bzw. der Chromverbindung besteht.

4. Vorratskathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wolframanteil gleich oder größer ist als der Osmiumanteil.

5. Vorratskathode nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Chromverbindung Chromoxid (Cr₂O₃) zuge­ setzt ist.

6. Vorratskathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß 1-20 Gew.-%, vorzugsweise 7-14 Gew.-%, insbesondere etwa 10 Gew.-% Chromoxid zugesetzt sind.

7. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus wenigstens zwei übereinanderliegenden zusammengesinterten Schichten besteht, die aus gleichen Materialien bestehen jedoch be­ züglich der gewichtsprozentualen Zusammensetzung unter­ schiedlich sind.

8. Vorratskathode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Anteil des Metalls der ersten Gruppe, insbe­ sondere des Wolframs in zumindest einer weiteren Schicht kleiner ist als der Anteil des Metalls der zweiten Gruppe, insbesondere des Osmiums.

9. Vorratskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Chrom oder die Chromverbindung dem Emissions­ material zugesetzt ist.

10. Vorratskathode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Emissionsmaterial 1-12 Gew.-%, vorzugsweise 4- 10 Gew.-%, insbesondere 6-8 Gew.-% Chrom (Cr) zugesetzt ist.

11. Vorratskathode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Emissionsmaterial 2-18 Gew.-%, vorzugsweise 5- 15 Gew.-%, insbesondere 8-12 Gew.-% Chromoxid (Cr₂O₃) zuge­ setzt ist.

12. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus einem ge­ sinterten Metallpulvergemisch im wesentlichen der Metalle Wolfram und Osmium besteht.

13. Vorratskathode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß gewichtsprozentual der Wolframanteil gleich oder größer ist als der Osmiumanteil.

14. Vorratskathode nach einem der Ansprüche 9 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus wenigstens zwei übereinanderliegende, miteinander versinterten Schichten gleicher Materialien besteht, wobei jedoch die gewichtsprozentuale Zusammensetzung der Materialien zumin­ dest zweier Schichten unterschiedlich ist.

15. Vorratskathode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest in einer weiteren Schicht gewichtspro­ zentual der Anteil des Metalls der ersten Gruppe, insbe­ sondere des Wolframs gleich oder kleiner ist als der An­ teil des Metalls der zweiten Gruppe, insbesondere des Os­ miums.