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Die
vorliegende Erfindung betrifft Oxydkathoden die allgemein gebräuchlich
sind als Elektronenquelle in Elektronenkanonen für Kathodenstrahlröhren. Die
Elektronen werden von der Kathode Dank eines thermoionischen Effekts
ausgesendet. Kathodenstrahlröhren
werden hauptsächlich
als Bildwiedergabevorrichtung bei Computern und bei Fernsehgeräten eingesetzt.
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Unter
Bezug auf die 1 beinhaltet eine herkömmliche
Oxydkathode:
- – eine kathodenaussendende
Schicht 1, die im Wesentlichen aus Erdalkalioxyd oder aus
einer Mischung solcher Oxyde hergestellt wird.
- – ein
Substrat (1), auf dem die kathodenaussendende Schicht (3)
aufgebracht ist, die hauptsächlich
aus einer Nickellegierung hergestellt wird und ein oder mehrere
Reduktionsmittel wie Mg, Al, Si, W, Cr und/oder Zr enthält. Die
Nickellegierung des Substrats 1 basiert hauptsächlich auf
einer Mischung aus Nickel und Wolfram oder aus einer Mischung aus
Nickel und Molybdän.
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Die
herkömmliche
Oxydkathode, wie in der 1 dargestellt, beinhaltet genauer
gesagt ein schalenförmige
monomolekulare Substratschicht aus einer Nickellegierung, eine rohrförmige Hülse 2 aus
einer Legierung, die zumindest Ni und Cr enthält auf die das metallische
Substrat 1 aufgeschweisst wird. Da zwei metallische Teile
benutzt werden um die Kathode zu bilden und zwar ein metallisches
Substrat 1 und eine Hülse 2, wird
diese Art von Kathode eine "zweiteilige" Kathode genannt.
Eine kathodenaussendende Schicht 3 aus Doppel- oder Dreifachkarbonaten,
zum Beispiel eine Mischung aus (Ba, Sr) Co3 oder
(Ba, Sr, Ca) Co3 wird auf das Substrat 1 aufgebracht.
Diese Karbonate, die chemisch stabil sind, wenn sie der Luft ausgesetzt
sind, zerfallen in Doppeloxyde BaO, SrO oder Dreifachoxyde BaO,
SrO, CaO, wenn die Kathode im Vakuum während des Aktivierungsvorgangs
einer Kathodenstrahlröhre
beheizt wird. Folglich wird in der kathodenausstrahlenden, metallischen
Doppel- oder Dreifachoxydschicht 3 Barium bei Betriebstemperatur
der Kathode erzeugt, die vorzugsweise im Bereich von 700° C bis 850° C liegt,
wobei das Vorhandensein von metallischem Barium hauptsächlich für gute Emissionseigenschaften
der kathodenausstrahlenden, metallisches Doppel- oder Dreifachoxydschicht 3 der
Kathode verantwortlich ist. Ab diesem Punkt werden Hinweise auf
Dreifachoxyd so verstanden, dass sie, der Einfachheit halber, auch
Doppeloxyd einschliessen. Die Kathode wird durch thermische Strahlung
des Heizfadens 4, der innerhalb der Hülse 2 untergebracht
ist, auf ihre Betriebstemperatur beheizt; dieser Heizfaden 4 ist
allgemein aus einem Wolframfaden oder aus einer Legierung von W
und Re hergestellt und hauptsächlich
von einer Schicht aus Aluminiumoxyd überzogen.
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Als
Alternative zur herkömmlichen
Kathode, wie in der 1 beschrieben, die eine monomolekulare Nickelschicht
als metallischen Substart 1 hat, wird auch allgemein eine
Doppelbeschichtung aus Nickellegierungen als metallisches Substart
eingesetzt (siehe dazu US Nr. 3,919,751, G.T.E Sylvania Inc). Diese
Doppelschicht wir allgemein auch als Bimetall bezeichnet. Eine Kathode,
die ein Bimetall als Metallsubstrat 1 verwendet, ist in
der 2 dargestellt. Die Doppelbeschichtung beinhaltet
eine Oberschicht 11 aus Nickel oder eine Legierung aus
Nickel, die 1 bis 5 % Wolfram oder alternativ 1 bis 5 (in Gewichtsprozenten)
Molybdän
enthält, die
auf eine Bodenschicht 12 aus einer Legierung aus Nickel
und Chrom (eine Legierung die typischerweise als Nickelchrom oder "Nichrom" bezeichnet wird
und 20 % Chrom enthält,
wobei der Rest hauptsächlich
Nickel ist), aufgeschweisst ist. Das Doppelschicht-Substrat 1,
das eine Nickeloberschicht 11 und Nickelchromunterschicht 12 besitzt,
kann als Schale ausgebildet sein, die auf eine Nickelchrom-Hülse 2 aufgeschweisst
wird, wie in der 2 beschrieben ist. In diesem
Fall, bei dem ein schalenförmiges
Substrat 1 auf eine Hülse 2 geschweisst
wird, wird die Kathode auch "zweiteilige" Kathode genannt,
wie die andere herkömmliche
Kathode, die in der 1 beschrieben ist. Wie gewöhnlich wird
die kathodenaussendende Schicht 3 aus dreifachem Karbonat
hergestellt, das ist eine Mischung aus (Ba, Sr, Ca) CO3,
die auf die Oberschicht 11 aufgebracht wird. Die aufgebrachte
Schicht wird durch thermische Strahlung des Heizfadens 4,
der in die Hülse 2 eingebracht wird,
wie in der 1 dargestellt ist, bis auf Arbeitstemperatur
erhitzt.
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Es
ist bekannt auch alternativ eine direkt einteilige Kathode (one-piece
cathode) herzustellen, in dem man Bimetall benutzt, wie in der Fig.
beschrieben wird. In diesem Fall wird ein Bimetallstreifen, der
eine Oberschicht 11 und eine Unterschicht 12 besitzt,
wie zuvor in Bezug auf die 2 beschrieben
wurde, als Röhre geformt,
die auf einer Seite geschlossen ist, wobei die auf Nickel basierende
Oberschicht 11 als Aussenfläche der Röhre sichtbar wird. Durch selektives
Abätzen
der auf Nickel basierenden Oberschicht 11 und durch Abdecken
des geschlossenen Endes des Rohres, ist es möglich die gesamte auf Nickel
basierende Oberschicht 11, ausser der oberen Spitze, oder
dem geschlossenen Ende der Röhre,
zu entfernen, um somit ein doppelbeschichtetes, kappenförmiges Substrat 1 mit
einer gewünschte
Höhe auf
einer Nickelchrom-Hülse 2 zu
hinterlassen (siehe auch US Nr. 4,849,066, R.C.A.). Diese Kathode,
die man auch mit einem anderen Herstellungsvorgang erzielen kann,
ist sehr ähnlich
zur vorherigen Kathode, die unter Bezug auf die 2 beschrieben
wurde. Diese Kathode wird, da sie nur aus einem Teil besteht "einteilige Kathode" genannt.
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Bei
der Oxydkathode wird in beiden Fällen,
in denen das Substrat 1 aus einer einzigen Schicht oder aus
einer Doppelschicht besteht, die Bildung von Barium während der
Lebensdauer der Kathode durch Reduktion des BaO in Ba aufrecht erhalten,
verursacht durch die chemische Reaktion von BaO mit Elementen, die
im Nickel enthalten sind, die eine Reduktionskraft im Verhältnis zu
BaO haben. Die chemische Reduktion findet bei Betriebstemperatur
der Kathode statt (typisch bei 700° C–850° C) oder bei irgendeinem Schritt
während
der Herstellung der Kathodenstrahlröhre, bei dem die Kathode erhitzt
wird, zum Beispiel während
des Aktivierungsschritts, der geplant ist, um eine Kathode auf ihre
optimale Emissionsleistung zu bringen. Sobald die Kathode erhitzt
wird, diffundieren die im Substrat 1 enthaltenen Reduktionselemente
thermisch mit der Grenzfläche
zwischen dem Substrat 1 und der kathodenemittierenden Schicht 3,
wo sie mit BaO reagieren, um metallisches Ba frei zu setzen und
Reaktionsverbindungen bilden. Beispiele chemischer Reaktionen zwischen Reduktionselementen
und BaO werden unten für
Mg, Al, Si und W aufgeführt: Mg
+ BaO → MgO
+ Ba 2Al + 4BaO → BaAl2O4 + 3Ba Si
+ 4BaO → Ba2SiO4 + 2Ba W
+ 6BaO → Ba3WO6 + 3Ba
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Metallisches
Barium verdampft konstant bei Betriebstemperatur der Kathode aus
der kathodenemittierenden Schicht 3. Um gute Emissionseigenschaften
aufrecht zu erhalten, muss dieser Verlust an Barium durch Erzeugung
von metallischem Barium durch chemische Reaktion, wie oben beschrieben,
kompensiert werden. Der Fluss von Reduktionselementen, die mit BaO
reagieren, darf nicht unter das Mindestniveau sinken, das nötig ist,
um die Menge an metallischem Barium zu erzeugen, die nötig ist,
um gute Emissionseigenschaften aufrecht zu erhalten. Die Reduktionselemente
gelangen an die Grenzfläche
zwischen dem doppellagigen Substrat 1 und der kathodenemittierenden
Schicht 3 durch Eindringen der Oberschicht 11 des
Substrats. Da die Reduktionselemente, die in der Bodenschicht 12 (zum
Beispiel Chrom oder Si, wenn das Nickelchrom dieser Bodenschicht
Si dotiert ist) von der Bodenschicht 12 in die Oberschicht 11 übergehen,
da diese Reduktionselemente auch weiter in die Grenzschicht zwischen
der Oberschicht 11 und der kathodenemittierenden Schicht 3 diffundieren
können,
um eine positive Rolle für
die Lebensdauer der Kathode zu spielen, wirken sie tatsächlich als
zusätzliche
Reserve der Reduktionselemente. In der 9 wird die
Zunahme der Silikonkonzentration in der Oberschicht 11 dargestellt,
die mit dem ICP-(Inductive Coupled Plasma) Verfahren (induktiv gekoppeltes Plasma),
als eine Funktion der Betriebszeit solcher verschiedener Kathoden,
gemessen wurde. Die anfängliche
Siliziumkonzentration ist die Konzentration im Metall der Oberschicht 11,
wie bei der Elaboration dieses Metalls festgelegt wurde. Die Anreicherung
der Oberschicht mit Silikon mit der Zeit, wird der Diffusion des
Silikons von der Bodenschicht 12 zur Oberschicht 11 zugeschrieben.
In dieser Reihe von Bimetallproben beträgt die durchschnittliche Silikonkonzentration
in der Nickelchrom-Bodenschicht 0,18 %. Der Unterschied zwischen diesem
Konzentrationswert in der Bodenschicht und dem Wert in der Nickel
Oberschicht ist die Antriebskraft für die Diffusion von Si von
der Bodenschicht in die Oberschicht.
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Es
ist allgemeiner Brauch entweder Mg oder Zr als Schnellaktivator
zu benutzen, der zu Beginn der Lebenszeit der Kathode in Verbindung
mit Si oder Al als Langzeitaktivator kombinieret wird, um die Lebensdauer
der Kathode zu verlängern,
wenn der Schnellaktivator nicht mehr wirkt. Zwei Hauptfaktoren sind
bekannt, um den Fluss von Reduktionselementen an der Grenzschicht
zwischen der Oberschicht 11 und der kathodenemittierende
Schicht 3 zu begrenzen. Erstens, da die Reduktionselemente
bei der Reaktion mit BaO verbraucht werden, neigt deren Konzentration
in der Oberschicht 11 mit zunehmender Lebensdauer abzunehmen
und dementsprechend nimmt deren Fluss zu dieser Grenzschicht ab.
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Vollständige Erschöpfung der
Reduktionselemente kann selbst dann eintreten, wenn ihre ursprüngliche
Konzentration in der Oberschicht 11 niedrig ist. Ein anderer
Faktor, der den Fluss (Schmelzen) der Reduktionselemente eingrenzt,
ist der Aufbau der Reaktionsverbindungen an dieser Grenzschicht
zwischen Oberschicht 11 und der kathodenemittierenden Schicht 3,
die somit eine Blockierschicht für
Diffundiergattungen bildet (siehe zum Beispiel: E.S. Rittner, Philips
Res. Rep. T.8, Seite 184, 1953) Zuerst beginnt diese Blockierschicht
sich bei diesen Temperschritten zu bilden, die auf dem Substrat 1 vollzogen
werden, vor Ablagerung der kathodenemittierenden Schicht 3.
Während
dieses Temperschritts werden die Reduktionselemente durch exakte
Mengen an Sauerstoff oxidiert, was sich in der Bildung von MgO,
SiO2 oder Al2O3 auswirkt.
Der Sauerstoff stammt aus dem Abbau des Wasserdampfes, der der Atmosphäre des Glühofens beigegeben
wird, die zum Tempern gebraucht wird und gewöhnlich aus überschüssigem Wasserstoff zusammengesetzt
ist. Sodann wird diese Blockierschicht während des Kathodenbetriebs
weiter aufgebaut.
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Die
Grenzflächenverbindungen,
die sich hauptsächlich
während
der Lebensdauer aufbauen, sind die W-basierten Verbindungen und
die Si-basierten Verbindungen.
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Um
die Ermüdung
der Reduktionsmittel zu überwinden,
könnte
man an die Erhöhung
der Konzentration der Letzteren in der Oberschicht 11 denken,
jedoch hat dies den Nachteil, dass der Anteil der Bildung schädlicher
Verbindungen erhöht
wird, die die Blockierschicht aufbauen. Zusätzlich zu diesen Nachteilen,
die den Fluss der Reduktionselemente begrenzen, neigen die Grenzflächenverbindungen
dieser Blockierschicht dazu, die Haftung der kathodenemittierenden
Schicht 3 auf der Oberschicht zu verschlechtern. Dies ist
für sich schon
ein ausreichender Grund die Entwicklung solcher Verbindungen so
niedrig wie möglich
zu halten. Als mögliche
Lösung
zur Vermeidung von sowohl der Ermüdung der Reduktionsverbindungen
als auch dem schnellen Aufbau einer Blockierschicht im frühern Stadium
der Kathodenlebensdauer, könnte
man vorschlagen, eine halbwegs niedrige Konzentration an Reduktionselementen
in der Oberschicht 11 anzustreben, jedoch eine genügend grosse
Dicke des Substrats 1, um eine gute Reserve an Reduktionselementen
zu bilden (siehe zum Beispiel: H.E Kern, Bell Laboratories Record,
T. 38, Nr. 12, Seite 451, Dezember 1960). Zum Beispiel könnte man
bei einer ersten Annäherung über eine
Zusammensetzung der Oberschicht 11 erwägen, dass eine 400 μm Nickel
dotierte Dicke mit 0.01 Massenanteil an Si gleichwertig ist, im
Hinblick auf Si Reserve, mit 100 μm
mit 0.04 % Massenanteil an Si, wobei das Produkt von Gewichtskonzentration
durch die Dicke das Gleiche ist. In der Tat muss eine weitere wichtige
Eigenschaft berücksichtigt
werden, zum Beispiel die Dicke E des Substrats 1 für den Aufbau
der Kathoden für
Kathodenstrahlröhren,
wie zum Beispiel Bildröhren
für Computer
und Fernsehgeräte.
Die Einschaltzeit des Elektronenstrahls ist direkt mit der erforderlichen
Zeit verbunden, bis die Kathode ihre Betriebstemperatur erreicht
hat. Diese Zeit nimmt mit dem Kathodengewicht zu, somit ist es wichtig,
dass das Substrat 1 ein möglichst niedriges Gewicht hat.
Die geringste Dicke, die allgemein für Kathodenmetallsubstrat 1 benutzt
wird, beträgt
ungefähr
70–100 μm, eine solche
Dicke verbietet dagegen den Einsatz niedriger Konzentrationen von
Reduktionselementen im Substrat, da erstens zumindest 1 an W und/oder
Mo Massenanteil im Nickel, das für
das Substrat benutzt wird, nötig
sind, um eine gute mechanische Festigkeit des Substrats zu erzielen
und zweitens, die Konzentration der aktiven Reduktionselemente wie
Mg oder Si nicht auf ein niedriges Niveau um 0.01 % Massenanteil
gesetzt werden kann, da die Reserve an Reduktionselementen zu niedrig
wäre. Wenn
die Dicke des Substrats in einem Bereich von 150–200 μm erhöht wird, können wesentlich niedrigere
Konzentration an W und/oder Mo für
das Substrat, das auf Nickel basiert, benutzt werden, aber die Einschaltzeit
wird im Vergleich zu einer Substratdicke von 70 μm herabgesetzt. Somit scheint
es, dass es keine Lösung
gibt sowohl die niedrige Konzentration an Reduktionselementen, die
zu einer langsamen Geschwindigkeit der Bildung abträglicher
Verbindungen und einer Blockierschicht führen, als auch die niedrige
Substratdicke, die zu einer niedrigen Einschaltzeit führt, zu
verbinden. Dies kann nur auf Kosten der Lebensdauer der Kathode
verwirklicht werden, ein Fall, der nicht annehmbar ist. Die vorliegende
Erfindung bietet die Möglichkeit
sowohl einer herabgesetzten Einschaltzeit, als auch einer langen
Lebensdauer.
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Ein
weiterer wichtiger Gesichtspunkt zur Optimierung der Substratchemie
ist die Tatsache, dass einige der Reduktionselemente einen relativ
hohen Dampfdruck haben, der zu erheblicher Zerstäubung in das Vakuum der Kathodenstrahlröhre führt, sobald
die Kathode beheizt wird. In die Familie der hohen Dampfdruckelemente
ist auch Mg eingeschlossen. Der Metalldampf von Mg neigt zur Kondensierung
auf verschiedenen Teilen der Elektronenkanone der Kathodenstrahlröhre. Für alle schalenförmigen metallischen
Substrate kann man die Oberfläche 111 als
die Fläche
bestimmen, auf der die kathodenemittierende Schicht 3 abgelegt
wird und die Bodenfläche 122 als
die Fläche
des Substrats, die gegenüber
der Oberfläche 111 liegt,
wie in der 3 dargestellt ist. Die Bodenfläche 122 liegt
gegenüber
des Heizfadens und mehreren elektrischen, metallischen Verbindungen
der Elektronenkanone, die nicht dargestellt sind. Die Ablagerung
von metallischen Dämpfen
der Reduktionselemente, die von der Kathode aus auf diese elektrischen
Verbindungen fallen, erzeugen elektrische Kriechströme oder
Kurzschlüsse
zwischen den Elektroden der Kanone, was für das gute Funktionieren der
Elektronenkanone der Kathodenstrahlbildröhre abträglich ist.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung gleichzeitig zu erreichen:
- – eine
so lang wie mögliche
Lebensdauer der Kathode,
- – eine
herabgesetzte Einschaltzeit für
die Elektronenröhre
in der die Kathode arbeiten wird, mit reduzierten Ablagerungen irgendwelchen
Kathodenmaterials auf anderen elektrischen Teilen innerhalb der
Röhre während des
Betriebs.
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Zu
diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung eine Oxydkathode für eine Elektronenkanone
die beinhaltet:
- – eine kathodenemittierende
Schicht, die hauptsächlich
aus Erdalkalioxyden oder aus einer Mischung solcher Oxyde hergestellt
ist,
- – ein
Metallsubstrat, das eine Oberfläche
hat, auf die die kathodenemittierende Schicht aufgebracht wird und
eine Bodenfläche
gegenüber
der Oberfläche,
die eine Vielzahl an Reduktionsmitteln besitzt, die in der Lage
sind, die Oxyde unter Betriebsbedingungen der Elektronenkanone zu
reduzieren, wobei die Vielzahl ein erstes Reduktionsmittel Mg und
ein zweites Reduktionsmittel Si oder Al einschliesst, dadurch gekennzeichnet,
dass:
- – die
Mg Gewichtskonzentration auf der Oberfläche höher als 0.005 % ist, die Gewichtskonzentration
des zweiten Reduktionsmittels kleiner oder gleich 0.025 % ist und
die Gewichtskonzentration der hitzbeständigen Metalle niedriger oder
gleich 3 % ist, wo so genannte hitzbeständige Metalle aus der Gruppe,
die aus W, Mo, Re besteht, ausgewählt wurden,
- – die
Mg Gewichtskonzentration auf der Bodenfläche niedriger als die Mg Gewichtskonzentration
auf der Oberfläche
ist und die Gewichtskonzentration des zweiten Reduktionsmittels
grösser
als die Gewichtskonzentration des zweiten Reduktionsmittels auf
der Oberfläche
und höher
als 0.02 % ist,
- – die
Dicke E des Metallsubstrats kleiner oder gleich 100 μm ist.
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Die
vorliegende Erfindung hat gleichzeitig die folgenden Vorzüge:
- – allgemein, über das
ganze Substrat der Oxydkathode, eine grosse Reserve an Mg und Si
als Reduktionsmittel zur Gewährleistung
einer langen Lebensdauer mit verringerter Dicke E des Substrats
von höchstens 100 μm; Dank des
Minimums an Mg Konzentration wird genügend Mg auf der Oberfläche des
Substrats verfügbar
gemacht, um frühzeitig
eine gute Kathodenemission aufrecht zu erhalten.
- – ein
geringer Grad der Bildung von Grenzflächenverbindungen und einer
Blockierschicht, Dank der sehr niedrigen Si oder Al Konzentration
und der niedrigen W Konzentrationen(≤ 3 %) auf der Oberfläche dieses Substrats
und seiner Umgebung, während
trotzdem eine globale, grosse Reserve an Si oder Al auf der Bodenfläche als
Reduktionsmittel vorhanden ist, um eine Langzeitemission der Oxydkathode
aufrecht zu erhalten,
- – eine
optimierte Einschaltzeit, Dank einer Substratdicke die kleiner oder
gleich 100 μm
ist.
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Obwohl
es möglich
ist Si und Al zusammen als so genanntes zweites Reduktionsmittel
zu haben, ist es vorzuziehen, entweder Si alleine oder Al alleine
zu haben, um Haftprobleme der kathodenemittierenden Schicht auf
dem Substrat zu vermeiden.
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Vorzugsweise,
um genügend
Reserve an Mg und eines zweiten Reduktionsmittels zu erhalten:
- – von
der Oberfläche
bis zu einer Tiefe von zumindest 20 μm in dieses Substrat, ist die
Mg Gewichtskonzentration in Bezug auf die Oberfläche höher als 0.005 %, ist die Gewichtskonzentration
des zweiten Reduktionsmittels in Bezug auf die Oberfläche kleiner
oder gleich 0.025 % und die Gewichtskonzentration der hitzebeständigen Metalle
in Bezug auf die Oberfläche
ist niedriger oder gleich 3 %,
- – von
der Bodenfläche
bis zu einer Bodentiefe von zumindest 10 μm in das Substrat, wobei die
Mg Gewichtskonzentration in Bezug auf diese Bodenfläche kleiner
als die Mg Gewichtskonzentration in Bezug auf die Oberfläche ist
und die Gewichtskonzentration des zweiten Reduktionsmittels in Bezug
auf diese Bodenfläche
höher als
die Gewichtskonzentration des zweiten Reduktionsmittels in Bezug
auf die Oberfläche
und höher
als 0.02 % ist.
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Eine
solche Gewichtskonzentration kann mit jedem bekannten analytischen
Verfahren gemessen werden, vorzugsweise mit ICP Spektometrie (Inductively
Coupled Plasma Spectometry = induktiv gekoppelte Plasmaspektometrie).
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Vorzugsweise
ist die Mg Gewichtskonzentration in Bezug auf die Bodenfläche kleiner
als 0.8 × Mg-Gewichtskonzentration
in Bezug auf die Oberfläche.
Vorzugsweise ist die Gewichtskonzentration des zweiten Reduktionsmittels
in Bezug auf die Bodenfläche
höher als
das zweifache der Gewichtskonzentration des zweiten Reduktionsmittels
in Bezug auf die Oberfläche.
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Vorzugsweise
ist die Mg Gewichtskonzentration in Bezug auf die Oberfläche kleiner
oder gleich 0.1 %, um das schädliche
Ausdampfen des Mg Metalldampfes auf die elektrischen Verbindungen
der Elektronenkanone zu senken und um metallurgische Probleme der
Verarbeitbarkeit des Metallsubstrats zu vermeiden; innerhalb des
allgemeinen Rahmens von 0.005–0.1
%, sind zwei unterschiedliche mögliche
Mg Konzentrationsbereiche in Bezug auf die Oberfläche vorteilhaft:
- – die
Mg Gewichtskonzentration in Bezug auf die Oberfläche ist kleiner oder gleich
0.02 % und, noch besser, kleiner als 0.01 %; die Begrenzung minimiert
abträglich
die Verdampfung von Mg Metalldampf auf die elektrischen Verbindungen
der Elektronenkanone,
- – die
Mg Gewichtskonzentration in Bezug auf die
- Oberfläche
ist grösser
oder gleich 0,05 %; diese höhere
Mg Konzentration ist für
Kathoden vorteilhaft, die einer hohen Gleichstromlast widerstehen
müssen,
wie bei Kathodenstrahlröhren
die Standbilder wiedergeben müssen.
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Vorzugsweise:
- – ist
die Gewichtskonzentration des zweiten Reduktionsmittels in Bezug
auf die Oberfläche
grösser
als 0.01 % ist.
- – ist
die Gewichtskonzentration der hitzebeständigen Metalle in Bezug auf
die Oberfläche
kleiner oder gleich 0.008 %.
- – ist
die Mg Gewichtskonzentration in Bezug auf die Bodenfläche kleiner
oder gleich 0.004 %.
- – ist
die Gewichtskonzentration des zweiten Reduktionsmittels in Bezug
auf die Bodenfläche
grösser
als 0.05 %, vorzugsweise 0.06 %.
- – ist
die Gewichtskonzentration der Reduktionsmittel in Bezug auf die
Bodenfläche
kleiner als 0.2 %; für höhere Konzentration
würde man
einigen Haftungsproblemen begegnen.
- – ist
von der Bodenfläche
bis zu einer Tiefe von 15 μm
in das Substrat die Cr Gewichtskonzentration grösser oder gleich 12 %.
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Dieser
Bodenteil des Substrats, bei dem die Gewichtskonzentration grösser oder
gleich 12 % ist, stellt eine Bodenschicht dar, die dem Substrat
vorteilhafterweise genügend
mechanische Festigkeit verleiht und damit die niedrigere Konzentration
erlaubt, das heisst kleiner oder gleich 0.008 % an hitzenbeständigen Metallen auf
der Oberfläche
oder von dieser Oberfläche
bis zur oberen Tiefe in das Substrat.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beinhalt das Substrat zwei überlagerte,
geschweisste, metallische Schichten: eine Oberschicht und eine Bodenschicht.
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Zwei
derartige überlagerte,
geschweisste, metallische Schichten bilden ein so genanntes Bimetall.
Die Erfindung bietet vorteilhafterweise eine optimierte Verwendung
von Bimetall als metallisches Kathodensubstrat. Ergreift man die
Gelegenheit, dass eine gegebenes dotiertes Element zu den beiden
Schichten, die das Bimetall bilden, hinzugefügt werden kann, zum Beispiel
eine auf Nickel basierte Oberschicht und eine auch Nickelchrom basierte
Bodenschicht, bei unterschiedlicher Konzentration, wird in der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen, die beiden Schichten unterschiedlich zu
dotieren, soweit das erste Mg Reduktionsmittel und das zweite Si
und/oder Al Reduktionsmittel betroffen ist. Der niedrige Mg Dotiergrad
gemäss
der Erfindung wird in der Oberschicht empfohlen, vorzugsweise gross
genug, um anfangs genug Mg an der oberen Oberfläche zu erhalten, damit gute Emissionseigenschaften
der Kathode frühzeitig
sichergestellt werden, während
fast kein Mg in der Bodenschicht vorhanden ist, um Mg Verdampfung
auf die elektrischen Verbindungen, die der Bodenfläche gegenüber liegen
und um daraus entstehende metallische Filme, die elektrische Kriechströme zwischen
den Elektroden der Elektronenkanone verursachen, zu vermeiden. Es
werden niedrige Si und/oder Al Dotiergrade gemäss der Erfindung in der Oberschicht
empfohlen, um die anfängliche
Bildung von abträglichen
Grenzflächenverbindungen
und Blockierschichten zwischen der Oberfläche und der kathodenemittierenden
Schicht zu begrenzen und es wird der hohe Si und/oder Al Dotiergrad
in der Bodenschicht gemäss
der Erfindung vorgeschlagen, um damit eine hohe Reserve an Si, die
eine lange Lebensdauer der Kathode sicher stellt, zu erhalten, trotz
der mässigen
Si und/oder Al Konzentration in der Oberschicht.
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Der
Unterschied in der Dotierung der beiden Schichten des Bimetalls,
das als Substrat für
die Kathode gemäss
der Erfindung eingesetzt wird, kann unter "Differentialdotierung" zusammengefasst
werden, die die oben beschriebenen Vorzüge bietet. Dieses Doppelschichtsubstrat
besitzt:
- – eine
Oberschicht (diejenige, auf der die Dreifachkarbonate der kathodenemittierenden
Schicht abgelegt werden) die einen niedrigen Dotiergrad an Reduktionselementen
hat und
- – eine
Bodenschicht, die einen hohen Dotiergrad besitzt, um als Reserve
der Reduktionselemente zu dienen. Da Nickelchrom für die Bodenschicht
bevorzugt wird, zieht man Nutzen, zusätzlich zur hohen Reserve an
Si, aus der Reserve an Cr, das in die Oberschicht und in die Oberfläche an der
Grenzfläche
mit der kathodenemittierenden Schicht übergeht. Die Entstehung von
schädlichen
W-basierten Verbindungen und einer Blockierschicht an dieser Grenzschicht
kann mit einer niedrigeren oder gleichen Gewichtskonzentration von
W von 0.008 % vermieden werden, das heisst in der Praxis kein Wolfram
in der Oberschicht des Bimetalls.
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Vorzugsweise
ist die Bodenschicht aus Nickelchrom gefertigt. Eine derartige Nickel-Chrom
Legierung ist für
Elektronenkanonenteile bekannt; die Cr Gewichtskonzentration liegt
hauptsächlich
im Bereich von 12 % bis 40 %; die geringste Dicke einer solchen
Bodenschicht würde
ungefähr
15 μm betragen.
Als solche stellt eine Nickelchrom Bodenschicht die Steifheit des
Substrats sicher und ergibt ein gutes thermo-mechanisches Verhalten
für die
Kathode, es ist möglich
eine wolframfreie Oberschicht zu haben.
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Die
Erdalkalioxyde werden vorzugsweise aus der Gruppe, die aus BaO,
SrO und CaO oder BaO, SrO besteht, ausgewählt. Die Mischung aus Erdalkalioxyden
kann mit anderen Oxyden wie zum Beispiel Sc2O3 oder Y2O3 dotiert werden.
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Die
Vielzahl von Reduktionsmitteln kann ferner Elemente einschliessen,
die aus der Gruppe, die aus Cr und Zr besteht, ausgewählt wurden.
Jedes andere Element mit genügend
Reduktionskraft kann zur Reduktion der Erdalkalimetalloxyde eingesetzt
werden.
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Eine
derartige erfindungsgemässe
Kathode kann als "einteilige" Kathode, oder als "zweiteilige" Kathode bezeichnet
werden.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Elektronenkanone, die als
Elektronenquelle eine erfindungsgemässe Kathode besitzt. Der Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Kathodenstrahlröhre, die zumindest eine derartige
Elektronenkanone einschliesst.
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Die
Erfindung kann besser beim Lesen der folgenden Beschreibung verstanden
werden, die als nicht limitierendes Beispiel und unter Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen gegeben wird, in denen:
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die 1 bis 3,
wie bereits erwähnt,
stufenförmige
Stützelektrodenaufbauten
zeigen, die dem gegenwärtigen
Stand der Technik entsprechen;
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die 1 eine "zweiteilige" Kathode mit monomolekularer
Schicht ist;
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die 2 eine "zweiteilige" Doppelschicht-Bimetall-Elektrode
ist;
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die 3 eine "einteilige" Doppelschicht- oder
Bimetall-Elektrode ist;
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die 4 und 5 die
herkömmlichen
Bereiche der Si Konzentration (Gewicht %) nach dem Stand der Technik
zeigen, jeweils von der Oberfläche
bis zur Bodenfläche
innerhalb eines Metallsubstrats einer "zweiteiligen" Kathode mit monomolekularer Schicht
gemäss 1 und
innerhalb eines Metallsubstrats einer "zweiteiligen" oder "einteiligen" Bimetall-Kathode gemäss der 2 oder 3.
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die 6 den
Si Konzentrationsbereich (Gewicht %) nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt, von der Oberfläche bis zur Bodenfläche innerhalb
eines Metallsubstrats einer "zweiteiligen" oder "einteiligen" Bimetallkathode.
-
die
7 die
relative Änderung
der Grenzspannung, in Prozent (%) ausgedrückt, für Kathoden, die Bimetall gemäss eines
Ausführungsbeispiels
der Erfindung (♦)
einsetzen und für
Kathoden die herkömmliches Bimetall
einsetzen,
darstellt.
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die 8 den
Rückgang
der Kathodenemission, in Prozent (%) ausgedrückt, gegenüber der anfänglichem Emission darstellt,
für Kathoden
die Bimetall gemäss
eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung einsetzen und für
Kathoden, die herkömmliches
Bimetall einsetzen.
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die 9 die
Zunahme der Silikon-Konzentration auf der Oberfläche des Metallsubstrats verschiedener
Oxydkathoden zeigt, als Funktion der Betriebszeit dieser Kathode.
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Zur
Vereinfachung der Beschreibung und zur Darstellung der Unterschiede
und Vorzüge,
die die Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik aufweist, werden gleiche Bezeichnungen für gleiche
Elemente benutzt, die die gleichen Funktionen unterstützen.
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Die
Erfindung wird nun beschrieben, indem ein Bimetall für das Substrat 1 einer
einteiligen Kathode, die in der 3 dargestellt
ist, eingesetzt wird, deren Hauptkomponenten bereits beschrieben
wurden. Wie jedes Bimetall, so beinhaltet dieses Bimetall zwei überlagerte
geschweisste Schichten, eine Oberschicht 11 und eine Oberfläche 111,
die in Kontakt mit der kathodenemittierenden Schicht 3 steht
und einer Bodenschicht deren äussere
Bodenfläche 122 gegenüber dem
Heizfaden 4 innerhalb der Hülse 2 angeordnet ist.
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Die
Oberschicht besteht hauptsächlich
aus Nickel; deren Dicke beträgt
ungefähr
60 μm.
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Die
Bodenschicht besteht hauptsächlich
aus einer Nickellegierung, die 20 % Chrom, Nickelchrom genannt,
enthält;
deren Dicke beträgt
30 μm.
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Das
Substrat 1 ist nach der Erfindung aus 70–100 μm dickem
Bimetall hergestellt; selbst wenn die W Konzentration in der auf
Nickel basierenden Oberschicht niedriger oder gleich 0.008 % beträgt, hat
sich herausgestellt, dass das mechanische Verhalten zufrieden stellend
ist. Zum Vergleich: herkömmliche
Substrate, die nicht-verbundenen Nickel (zum Beispiel ohne hinzugefügtes W oder
Mo) haben notwendigerweise eine Mindestdicke zwischen 150 und 200 μm, um eine
Steifigkeit zu erzielen, die im Vergleich zu einer Dicke von 70–100 μm einen Nachteil
bei der Einschaltzeit mit sich bringt.
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Die
gewählten
Konzentrationen von Elementen, die in Substraten, gemäss der Erfindung,
von Interesse sind, sind, ebenso wie für herkömmliche Substrate, in der Tabelle
1 zusammengefasst. Von links nach rechts gibt die Tabelle 1 den
Konzentrationsbereich für
W, Mg und Si der Oberschicht 11 (oder auf der Oberfläche 111 für eine Kathode
mit monomolekularer Schicht) an, den Konzentrationsbereich für Mg und
Si für
die Bodenschicht 12 (oder auf der Bodenfläche 122 für eine Kathode
mit monomolekularer Schicht), den Bereich für die Substratdicke und Bemerkungen.
Von oben nach unten zeigt die Tabelle 1 diese Bereiche für herkömmliche
Substrate (die ersten 4 Zeilen) und für Bimetallsubstrate gemäss der Erfindung.
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Die
Ausführungsbeispiele
1, 2 und 3 der Erfindung betreffen Substrate, die eine "wolframfreie" Oberfläche besitzen;
die Ausführungsbeispiele
1 und 2 betreffen Substrate, die eine Oberfläche mit einem niedrigen Umfang
an Mg Konzentration haben; im Gegensatz dazu haben die Ausführungsbeispiele
3 und 4 Substrate mit einer Oberfläche innerhalb eines grossen
Umfangs an Mg Konzentration, der besonders gut für Kathoden geeignet ist, die
einer hohen Gleichstrombelastung standhalten müssen.
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Die
Dotierung von Substrat mit Si wird nun beschrieben, um das Prinzip
der Differentialdotierung zu erläutern,
auf der die Erfindung basiert. In der 4 wird die
Dotierung des herkömmlichen
Einschichtsubstrats mit Si, das bei herkömmlichen zweiteiligen Kathoden
benutzt wird, dargestellt. In der 5 wird die
Dotierung des herkömmlichen
Bimetalls gezeigt. Im letzteren Fall wird die Oberschicht in einem
bevorzugten Bereich mit Silikon dotiert und die Nickelchromschicht
wird nicht mit Silikon dotiert, was bedeutet, dass ihre Konzentration
niedriger als die Silikonkonzentration in der Oberschicht ist und
kleiner oder gleich 0.02 beträgt.
Die niedrigste Si Konzentration die mit herkömmlichen Analyseverfahren erkannt
werden kann. liegt bei ungefähr 0.003
%. In der 6 wird im Einklang mit der Erfindung
die Differentialdotierung des auf Bimetall basierenden Substrats
dargestellt. Sowohl die Oberschicht als auch die Bodenschicht sind
mit Silikon dotiert. Da der bevorzugte Bereich der Konzentration
mit Si in der Oberschicht ein Maximum hat, das niedriger als das
Minimum des Bereichs an Si Konzentrationen in der Bodenschicht ist,
kann man alle möglichen
Kombinationen von Si Dotiergraden in der Oberschicht und der Bodenschicht
als "Differentialdotierung" bezeichnen. Diese
Differentialdotierung mit den gleichen Bereichen kann auch mit Al
als Reduktionselement anstelle von Si vorgeschlagen werden.
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Die 7 und 8 zeigen
die typischen Leistungsmerkmale im Lebensdauertest der Kathoden
die Bimetall der Erfindung einsetzen im Vergleich zu Kathoden, die
herkömmliches
Bimetall benutzen, wobei beide Kathodenarten bei der gleichen Temperatur
in Kathodenstrahlbildröhren
betrieben werden.
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Die
Betriebsbedingungen für
Kathoden sind für
den Einsatz in Fernsehgeräten
typisch.
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Die
Bimetalle die für
diesen Lebensdauertest eingesetzt werden, haben die folgenden Eigenschaften:
- – herkömmliches
Bimetall:
• Oberschicht:
Dicke = 60 μm;
W = 4 %; 0.03 % < Si < 0.0055 %; 0.00
% < Mg < 0.06 %,
• Bodenschicht:
Dicke = 30 μm;
Si < 0.01 %; Mg
= 0.01 %.
- – Bimetall
gemäss
der Erfindung:
• Oberschicht:
Dicke = 60 μm;
W = < 0.008 %;
Si = 0.015 %; Mg = 0.006 %.
• Bodenschicht: Dicke = 30 μm; 0.06 % < Si < 0.2 %; Mg = 0.003
%.
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In
der
8 wurde der Abfall der Kathodenemission, in Prozent
(%) der anfänglichen
Emission ausgedrückt,
gegen die Betriebszeit in Stunden gezeichnet. Die erfindungsgemässen Kathoden
(♦) zeigen
einen deutlich geringeren Emissionsabfall als herkömmliche
Kathoden
und
bieten einen Vorteil, über
eine längere Zeitstrecke
ein Optimum an Bildhelligkeit des Fernsehbildes aufrecht zu erhalten.
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Die
7 zeigt
die relative Änderung
der Grenzspannung, die von der Veränderung des Abstands zwischen
Kathode und erster Elektrode abhängt
und in Verbindung mit dem thermischen Verhalten des Systems gebracht
wird. Die relative Änderung
der Grenzspannung ist sehr ähnlich
für erfindungsgemässe Kathoden
(♦) und
herkömmliche
Kathoden
.
Dies beweist, dass das mechanische Verhalten der erfindungsgemässen Kathode
genauso zufrieden stellend ist, wie das herkömmlicher Kathoden.
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Die
abträglichen
Verbindungen, die sich auf der Oberfläche von herkömmlichen
Bimetallen nach dem Schritt des typischen Temperns des Metalls bilden
und vor der Ablagerung der Karbonatbeschichtung entstehen, wurden
auf einem SEM (Scanning Electron Microscope = Rasterlektronenmikroskop)
nachgewiesen; unter gleichen Bedingungen schien die Oberfläche des
Bimetall gemäss
der Erfindung frei von abträglichen
Ablagerungen nach dem typischen Temperschritt zu sein.
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Das
Bimetall mit Differentialdotierung nach der Erfindung kann innerhalb
der Konzentrationsbereiche, die in der Tabelle 1 dargestellt sind,
bei zweiteiligen Kathoden oder auch bei einteiligen Kathoden eingesetzt werden.
Im Falle von zweiteiligen Kathoden ist der Kathodenaufbau so wie
in der 2 dargestellt ist und im Fall einer einteiligen
Kathode ist der Kathodenaufbau so wie in der 3 dargestellt
ist.
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Anstelle
eines Bimetalls kann ein einschichtiges Substrat mit progressiver
Differentialdotierung verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Im Falle einer zweiteiligen Kathode würde der Kathodenaufbau deshalb
wie in der 1 aussehen.
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Tabelle
1: Konzentrationsbereich von Dotierelementen innerhalb Kathodensubstrats
