DE60319301T2

DE60319301T2 - Emittierende Kathodenstruktur für eine Vorratskathode einer Elektronenröhre

Info

Publication number: DE60319301T2
Application number: DE60319301T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude 21000 Pruvost; Jeremy 21110 Langot; Jean-Remy 21000 Adamski
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: KR20030093967A; CN1462051A; EP1367620B1; US20040032195A1; FR2840450A1; MXPA03004425A; JP2004103553A; US6979942B2; EP1367620A1; CN100353476C; MY131138A; DE60319301D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine „imprägnierte" Kathode für eine Elektronenkanone, welche in Elektronenröhren, wie beispielsweise Klystronen oder Gyrotronen, insbesondere in Kathodenstrahlröhren zur Anzeige von Bildern, verwendet werden kann.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst eine „imprägnierte" Kathode für eine Elektronenkanone:

– einen porösen Kathodenemissionskörper 1, der den einer wärmeinduzierten Elektronenemission unterliegenden Teil der Kathode bildet und aus einer porösen mit einem Elektronen emittierenden Material imprägnierten Matrix besteht,
– eine Metallschale 2, in die der Emissionskörper 1 eingesetzt ist,
– eine Metallhülse 3, welche vorzugsweise aus einem feuerfesten Metall, wie beispielsweise Molybdän, Tantal oder Wolfram, hergestellt ist und an einem Ende durch die Schale 2 verschlossen ist, wobei eine derartige Hülse auch Kathodenschürze genannt wird, und
– einen Heizfaden 4 im Inneren der Hülse, welcher sich bis zu einem Punkt nahe der Schale 2 erstreckt und geeignet ist, den Emissionskörper 1 im Vakuum auf eine Temperatur von etwa 1000°C zu erhitzen.

Die Fläche des porösen Kathodenemissionskörpers, welche sich gegenüber der Seite befindet, die den Boden der Schale berührt, bildet die Emissionsfläche der Kathode.
Derartige imprägnierte Kathoden finden Verwendung als Elektronenquellen in monitorartigen für die Bildanzeige bestimmten Kathodenstrahlröhren oder in Fernsehröhren und hochauflösenden Röhren (HDTV, CDT, CRT), in Mikrowellen- Elektronenröhren vom Typ Klystron oder vom Typ Gyrotron oder in anderen Arten von Elektronenröhren für Laser, Magnetronradar, Verstärker und Stromversorgung sowie Ionenerzeuger und Triebwerke (für Satelliten).
Der Kathodenemissionskörper einer imprägnierten Kathode für eine Anzeige-Kathodenstrahlröhre hat eine geringe Dicke, die die Menge des verfügbaren Elektronen emittierenden Materials und somit die Lebensdauer der Kathode begrenzt. Es hat sich gezeigt, dass die Lebensdauereigenschaften einer derartigen imprägnierten Kathode von der Verdampfungsgeschwindigkeit der Hauptkomponente des Elektronen emittierenden Materials abhängen, bei dem es sich im Allgemeinen um Barium handelt. Außerdem kondensiert das verdampfte Barium wieder auf anderen, kälteren Teilen der Röhre, insbesondere den Gegenelektroden der Kathode, von denen diese parasitäre Elektronen emittiert, welche den Betrieb der Röhre behindern. Darüber hinaus kann die Emissionsfläche der Kathode im Laufe des Betriebs durch den Aufprall von Ionen schlechter werden, die die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Elektronenemission auf der Oberfläche beeinträchtigen.
Um diese Nachteile zu vermeiden, offenbart die Schrift EP 0890972 (MATSUSHITA) eine imprägnierte Kathode, deren Kathodenemissionskörper nahe der Emissionsfläche eine geringere Porosität besitzt als im Kern oder in der Tiefe.
Für einen anderen Zweck, nämlich um die Festigkeit der imprägnierten Kathode gegen das Ionenbombardement zu erhöhen, sieht die Schrift EP 0831512 (TOSHIBA) dagegen nahe der Emissionsfläche eine höhere Porosität vor als im Kern oder in der Tiefe.
Darüber hinaus offenbaren die Schriften JP60-017831 und JP05-114352 Prozesse für die Herstellung von Kathodenemissionskörpern für eine imprägnierte Kathode, die einen Schritt umfassen, in dem nach der Imprägnierung mit dem Elektronen emittierenden Material die Emissionsfläche dieser Körper abgetragen wird, insbesondere durch Polieren, und zwar im Wesentlichen, um diese Emissionsfläche zu reinigen und die Fläche von jeglichen Partikeln des Imprägnierungsmaterials zu befreien. Somit erhält man Kathodenemissionskörper, in denen nur die Emissionsfläche eine geringe Rauheit besitzt, beispielsweise zwischen 0,2 μm und 3,2 μm. Über die Porosität der Oberflächenschicht unmittelbar unter der Emissionsfläche werden in Bezug auf die Porosität im Kern des Kathodenemissionskörpers keine Angaben gemacht.
Die Schrift JP06-103885 (TOSHIBA) lehrt, dass es durch das Polieren der Emissionsfläche, um deren Rauheit zu verringern, möglich ist, die Verdampfung des Elektronen emittierenden Materials im Betrieb der Kathode einzuschränken und somit den Betrieb und die Lebensdauer zu verbessern.
In der Schrift US 5 990 608 wird eine Rauheit der Emissionsfläche von weniger als 10 μm empfohlen, um das Emissionsvermögen dieser Fläche zu erhöhen (vgl. 12 dieser Schrift).
Um die Ausbildung eines Films aus emittierendem Material auf der Emissionsfläche zu erleichtern, lehrt die Schrift EP 1 063 668 das Polieren dieser Fläche, bis eine Rauheit gleich oder kleiner als 3 μm oder sogar 1 μm erreicht worden ist.
Schließlich lehrt die Schrift GB 1 522 387 das Polieren der Emissionsfläche, um den Film aus Barium-Scandat, der sich darauf bilden würde, zu entfernen.
Einige der genannten Schriften lehren daher, dass eine Änderung der Morphologie lediglich auf der Emissionsfläche (Rauheit) des Kathodenemissionskörpers und/oder der unmittelbar unter dieser Fläche (Porosität) liegenden Schicht den Betrieb der imprägnierten Kathode und die Lebensdauer derselben verbessert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den Betrieb von imprägnierten Kathoden und deren Lebensdauer mittels eines besonders kostengünstigen Verfahrens weiter zu verbessern.
Zu diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung ein Kathodenemissionskörper für eine imprägnierte Kathode einer Elektronenröhre, welcher aus einer porösen, mit einem Elektronen emittierenden Material imprägnierten Matrix gebildet und durch eine Emissionsfläche aufweisende Außenflächen festgelegt ist, wobei die Außenflächen einschließlich der Seitenfläche eine Rauheit von weniger als 0,2 μm besitzen.
Anders als nach dem Stand der Technik ist gemäß der wesentlichen Eigenschaft der Erfindung nicht nur die Emissionsfläche poliert, um eine Rauheit von weniger als 0,2 μm zu erzielen, sondern auch wenigstens die Seitenfläche, das heißt die Seiten des Kathodenemissionskörpers. Vorzugsweise werden alle Außenflächen des Emissionskörpers einer Oberflächenbehandlung unterzogen, vorzugsweise poliert, um so diese geringe Rauheit zu erreichen.
Die Rauheit der Flächen wird mit einem herkömmlichen Verfahren gemessen, welches eine senkrecht zu diesen Flächen erfolgende Messung mit einem Oberflächenmessgerät umfasst. Das gemessene Profil kann durch die Verteilung seiner Tiefe relativ zu einer vorgegebenen Bezugslinie dargestellt werden. Nach der französischen Norm AFNOR E 05.015/017/052 handelt es sich bei dieser Bezugslinie (Ox) um die parallel zu der allgemeinen Richtung des Profils gebildete und durch dessen obere Punkte verlaufende Gerade. Auf der senkrecht zu (Ox) verlaufenden Ordinatenachse (Oz) werden die gemessenen Tiefen des Profils aufgetragen. Die Abweichung der Rauheitsprofile von dieser Bezugslinie Ox kann als eine Variable mit einer gewissen statistischen Verteilung angesehen werden. Somit wird die Lage der durchschnittlichen Linie des Profils berechnet. Die arithmetische mittlere Abweichung der Tiefe relativ zu dieser durchschnittlichen Linie entspricht dem gewünschten Rauheitswert R_a.
Da die Rauheit R_a auf allen Flächen des Kathodenemissionskörpers weniger als 0,2 μm beträgt, werden der Betrieb und die Lebensdauer der imprägnierten Kathoden, die mit derartigen Kathodenemissionskörpern in Elektronenröhren, insbesondere in zur Bildanzeige bestimmten Kathodenstrahlröhren, versehen sind, um ein höheres Maß als nach dem Stand der Technik verbessert. Ohne an eine endgültige Erklärung gebunden sein zu wollen, scheint es, dass die Verdampfung des Kathodenemissionsmaterials im Betrieb einer Kathode dieses Typs, insbesondere die Verdampfung von Barium, nicht nur an der Emissionsfläche stattfindet, sondern auch an allen Außenflächen des Kathodenemissionskörpers. Nach dem Stand der Technik wurde lediglich die Emissionsfläche des Kathodenemissionskörpers behandelt, um die Verdampfung des Kathodenemissionsmaterials einzuschränken, was ein „Austre ten" dieses Materials über die anderen Flächen nicht verhindert. Um jegliches wo immer entstehendes „Austreten" einzuschränken, schlägt die Erfindung vor, alle Außenflächen des Kathodenemissionskörpers, welche dem Einfluss der Atmosphäre der Elektronenröhre unterliegen, also nicht nur die Emissionsfläche, sondern auch die Seitenfläche des Kathodenemissionskörpers zu behandeln.
Zu diesem Zweck wurde herausgefunden, dass es durch eine Oberflächenbehandlung, welche geeignet ist, eine Rauheit von weniger als 0,2 μm zu erreichen, ermöglicht wird, den Betrieb und die Lebensdauer der Kathoden sehr wesentlich zu verbessern. Gegenüber unbehandelten Kathoden wird geschätzt, dass sich die Lebensdauer um einen Faktor von mindestens 2 erhöht hat.
Vorzugsweise besitzen die den Kathodenemissionskörper festlegenden Außenflächen eine Rauheit gleich oder kleiner als 0,1 μm.
Eine derart geringe Rauheit wird vorzugsweise durch einen Abtragungsschritt, insbesondere durch Polieren der Kathodenemissionskörper nach der Imprägnierung erreicht. Diese Abtragungsbehandlung kann trocken erfolgen, indem Abtragungs- oder Poliersand sehr feiner Körnung auf alle Flächen des Kathodenemissionskörpers gesprüht wird, oder sie kann nass mit einer aufgesprühten Suspension aus Abtragungssand erfolgen. Sie kann durch die Reibung dieser Flächen gegen eine mit Abtragungs- oder Poliersand sehr feiner Körnung oder einer Suspension aus diesem Sand versehene Filzscheibe erfolgen. Sie kann auch durch Schleifen mittels einer Schleifscheibe erfolgen.
Vorzugsweise wird eine Massenabtragungs- oder Massenpoliertechnik verwendet. Bei einer derartigen Technik wird eine Charge von bereits mit Elektronen emittierendem Material imprägnierten Kathodenemissionskörpern ohne Ordnung in einen an einer Drehwelle angebrachten und den Abtragungs- oder Poliersand sehr feiner Körnung oder eine Suspension dieses Sandes enthaltenden Behälter eingebracht, und dann wird der Behälter für eine Zeitdauer, welche geeignet ist, die gewünschte Rauheit zu erreichen, rotiert. Der Vorteil eines derartigen Verfahrens besteht darin, dass auf allen Flächen der Kathodenemissionskörper direkt und sehr kostengünstig eine geringe Rauheit erreicht wird.
Vorzugsweise ist das Verhältnis der Fläche der gegenüber den Außenflächen des Kathodenemissionskörpers offenen Poren der Matrix zu der Fläche dieser Flächen gleich der Hälfte der mittleren Volumenporosität in dem Kern der Matrix oder kleiner als diese.
Beträgt die mittlere Volumenporosität eines Kathodenemissionskörpers nach der Imprägnierung rund 18%, liegt somit das Verhältnis der Fläche der gegen die Außenflächen offenen Poren dieses Körpers zu der Gesamtfläche dieser Flächen beispielsweise bei rund 9% oder unter diesem Wert. Die Volumenporosität wird mittels herkömmlicher Verfahren für die Berechnung des Dichte-Volumen-Verhältnisses des Kathodenemissionskörpers vor der Imprägnierung gemessen. Die Fläche der Poren wird durch die automatische Analyse mehrerer Bilder gemessen, welche für die verschiedenen Außenflächen des Kathodenemissionskörpers repräsentativ sind.
Dieser Zustand bedeutet, dass die Oberflächenporosität unter der in der Tiefe gemessenen Porosität liegt, und zwar nicht nur auf der Emissionsfläche wie nach dem Stand der Technik, sondern auch auf allen Außenflächen des Kathodenemissionskörpers.
In der Praxis wirkt sich die Oberflächenbehandlung durch Abtragen oder Polieren nicht nur dadurch aus, dass die Rauheit der verschiedenen Flächen verringert wird, sondern auch dadurch, dass sich die gegen diese Flächen offenen Poren teilweise schließen, was zu einer Verringerung der Oberflächenporosität führt. Dies ist insbesondere bei chemisch-mechanischen Poliervorgängen der Fall. Durch das teilweise Schließen der Poren aller Flächen des Kathodenemissionskörpers wird es möglich, die durch Verdampfung von Elektronen emittierendem Material, insbesondere Barium, verursachten Verluste noch weiter einzuschränken.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Fläche der gegen die Außenflächen des Kathodenemissionskörpers offenen Poren der Matrix zu der Fläche dieser Flächen zwischen 4% und 9%.
Vorzugsweise liegt die mittlere Volumenporosität in dem Kern der Matrix in dem Kathodenemissionskörper zwischen 16% und 22%. Es handelt sich daher hierbei um die Porosität des Kathodenemissionskörpers vor der Imprägnierung.
Vorzugsweise bildet Wolfram die Grundlage der porösen Matrix, deren Wolframgehalt gleich oder größer als 50 Gewichtsprozent ist, während Barium die Grundlage des Elektronen emittierenden Materials bildet, dessen Bariumgehalt über 50 Mol-% liegt. Bei der porösen Matrix kann es sich um eine Mischung aus Wolfram und Molybdän handeln.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine „imprägnierte" Kathode für eine Elektronenkanone, umfassend:

– eine Metallschale,
– eine an einem Ende durch die Schale verschlossene Metallhülse,
– ein Heizfaden im Inneren der Hülse,

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Elektronenkanone, welche mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Kathode versehen ist. Im herkömmlichen Fall einer Dreifarbenkanone von „Farb"-Kathodenstrahlröhren besitzt die Elektronenkanone drei Kathoden, und zwar jeweils eine für jede Primärfarbe.
Vorzugsweise ist für jede Kathode dieser Kanone eine Gegenelektrode G1 der Emissionsfläche des Kathodenemissionskörpers zugewandt angeordnet und mit einer ungefähr in der Mitte der Fläche angeordneten Öffnung versehen, wobei die Breite des dem Umfang der Öffnung zugewandten Umfangsbereiches der Emissionsfläche einen Mindestwert L_min besitzt, der gleich oder kleiner als 200 μm ist.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine mit einer erfindungsgemäßen Kanone versehene Kathodenstrahlröhre.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Prozess für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kathodenemissionskörpers, wobei der Prozess einen Vorgang für die Behandlung der Oberfläche der Außenflächen umfasst, um deren Rauheit und optional die Oberflächenporosität, das heißt das Ver hältnis der Fläche der gegen diese Flächen offenen Poren zu der Fläche dieser Flächen zu verringern.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Oberflächenbehandlungsvorgang um einen Poliervorgang.
Vorzugsweise wird dieser Oberflächenbehandlungsvorgang als Massenvorgang ausgeführt.
Vorzugsweise umfasst der Prozess außerdem einen Vorgang für die Imprägnierung der Matrix mit dem Elektronen emittierenden Material, wobei der Oberflächenbehandlungsvorgang nach dem Imprägnierungsvorgang ausgeführt wird.
Vorzugsweise beziehen sich die Außenflächen des Kathodenemissionskörpers auf alle Außenflächen dieses Körpers.
Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung, die auf einem nicht einschränkenden Beispiel beruht und sich auf die im Anhang aufgeführten Figuren bezieht, besser verstanden. Es zeigen:
1 zeigt einen Kathodenemissionskörper für eine Kathode der in 2 gezeigten Art in perspektivischer Ansicht.
2 zeigt eine imprägnierte Kathode für eine Kathodenstrahlröhre und ist bereits beschrieben.
3A und 3B zeigen eine der Seiten des Kathodenemissionskörpers von 1 vor der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung in einer schematischen Schnittansicht beziehungsweise der entsprechenden Mikrofotografie.
4A und 4B zeigen die gleiche Seite des Kathodenemissionskörpers von 3A und 3B in einer schematischen Schnittansicht beziehungsweise der entsprechenden Mikrofotografie, wobei die Seite hier gemäß eines Verfahrens, bei dem die Erfindung durch Polieren ausgeführt wird, eine sehr geringe Rauheit besitzt.
5 und 6 zeigen jeweils von oben die Emissionsfläche des Kathodenemissionskörpers von 1 nach Abscheiden eines Dünnfilms aus Osmium in einer Mikrofotografie, mit beziehungsweise ohne Oberflächenbehandlung gemäß der Erfindung.
7 zeigt die relative Anordnung eines Kathodenemissionskörpers und einer Gegenelektrode gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Draufsicht (Teil A) und in einer Seitenschnittansicht (Teil B).
Um die Beschreibung zu vereinfachen und um die Unterschiede und Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik herauszustellen, werden für Elemente, welche die gleichen Funktionen erfüllen, identische Bezugszeichen verwendet.
Zunächst wird ein Verfahren für die Herstellung eines Kathodenemissionskörpers für eine imprägnierte Kathode gemäß der Erfindung beschrieben, wobei dieser aus einer porösen Matrix gebildet ist, welche mit einem Elektronen emittierenden Material imprägniert ist, das hier die Form eines in 1 gezeigten Pellets hat. Die Außenflächen dieses Pellets bestehen hier aus einer oberen Emissionsfläche 11, einer der Emissionsfläche gegenüber angeordneten und zur Berührung mit dem Boden der Schale 2 der Kathode bestimmten unteren Fläche 12 sowie einer die obere Fläche mit der unteren Fläche verbindenden kreisförmigen Seitenfläche 13.
Die poröse Matrix kann in einem spezifischen Beispiel auf einer Nickelgrundlage basieren oder durch Pressen und Sintern eines keramischen oder feuerfesten Metallpulvers erzielt werden. Das Material der porösen Matrix des Kathodenemissionskörpers wird vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, welche Wolfram, Molybdän, Rhenium, Osmium, Iridium und Legierungen derselben umfasst sowie Aluminiumoxid. Hier wird beispielsweise ein Material auf Wolframgrundlage gewählt. Der Pressdruck und die Sinterbedingungen, insbesondere die Temperatur und die Zeit, sind auf eine an sich bekannte Weise maßgeschneidert, so dass man einen massiven Körper erhält, welcher vor der Imprägnierung eine Volumenporosität vorzugsweise zwischen 15% und 30% besitzt. Diese Porosität soll als Vorratsbehälter für die Kathodenemissionsmaterialien dienen. Für eine höhere Porosität hätte das Pellet nicht die ausreichende mechanische Festigkeit. Für eine geringere Porosität würde der Vorrat an Kathodenemissionsmaterial nicht ausreichen, um eine akzeptable Lebensdauer zu erzielen.
Mittels eines an sich bekannten, beispielsweise bei hoher Temperatur unter Wasserstoff durchgeführten Verfahrens wird die Matrix anschließend mit dem Kathodenemissionsmaterial imprägniert. Das Elektronen emittierende Material wird vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, welche Barium, Strontium, Calcium, Aluminium, Scandium und Osmium umfasst, oder aus einer aus einem oder mehreren dieser Elemente bestehenden Mischung. Beispielsweise wird eine so genannte „4/1/1"-Mischung als Imprägnierungsmaterial verwendet, welche in imprägnierten Kathoden bekannt ist und zu Anfang aus einer Mischung aus vier Mol Bariumkarbonat, 1 Mol Calciumkarbonat und 1 Mol Aluminiumoxid besteht. Die Betriebseigenschaften eines Kathodenemissionskörpers einer imprägnierten Kathode oder Vorratskathode hängen insbesondere von dem Porenvolumen ihrer Matrix oder von dem Volumen ihres Vorrats, von der Art des die Poren füllenden Kathodenemissionsmaterials und von der Betriebstemperatur der Kathode ab. Im Falle einer Kathodenstrahlröhre muss der Kathodenemissionskörper eine Menge an Emissionsmaterial enthalten, die für einen Betrieb von wenigstens 20.000 Stunden in der Röhre ausreicht. Um die Poren in der Matrix zu füllen, müssen diese Poren miteinander verbunden sein, das heißt, dass die Porosität offen sein muss, wozu in der Praxis erforderlich ist, dass die Matrix vor der Imprägnierung eine Gesamtporosität gleich oder größer als 15% besitzt.
Gemäß einer alternativen Weise für die Herstellung des Kathodenemissionskörpers werden das Material der Matrix und das Kathodenemissionsmaterial gleichzeitig gesintert.
Daher erhält man ein „grünes" imprägniertes Kathodenemissionspellet, welches gemäß der Erfindung unbehandelt ist.
Da der durch die im Betrieb der Kathode stattfindende Diffusion und Sublimation bewirkte Verlust an Kathodenemissionsmaterial und die Verbrauchsrate zu dem Bereich des Austauschs zwischen dem Pellet und dem Vakuum in der Elektronenröhre, an welcher die Kathode angebracht ist, proportional sind, ist es vorteilhaft, diesen Austauschbereich einzugrenzen.
Dazu ist es in diesem Stadium des Prozesses möglich, auf allen Außenseiten des Pellets gemäß der Erfindung

a) entweder das Oberflächenfinish durch Verringern der Rauheit und damit des Austauschbereiches zu verändern,
b) oder die Größe der gegen die Fläche offenen Poren zu reduzieren,
c) oder die Anzahl der Oberflächenporen zu vermindern,
d) oder eine Kombination der Mittel a), b) und/oder c) zu wählen.

Das Mittel a) hat die Aufgabe, die Rauheit der verschiedenen Außenflächen des Pellets zu verringern. Die arithmetische Rauheit R_a eines „grünen" Pellets liegt im Allgemeinen bei etwa 0,3 μm. Nach der erfindungsgemäßen Behandlung soll auf allen Flächen des Pellets eine Rauheit von weniger als 0,2 μm, vorzugsweise gleich oder kleiner als 0,1 μm, erreicht werden.
Um die Rauheit der Flächen des Pellets zu messen, wird ein herkömmliches Messverfahren mit einem „Laser"-Oberflächenmessgerät oder einem Nadelsensor eingesetzt, beispielsweise ein Messverfahren des Typs „SURFTEST" von Mitutuyo. Im letzteren Fall betragen der Durchmesser der Nadelspitze etwa 0,02 mm und die Laufgeschwindigkeit des Sensors etwa 2 mm/s; die Abschaltung des Sensors ist auf etwa 0,8 mm eingestellt.
Die Mittel b) und c) haben die Aufgabe, die so genannte „Oberflächenporosität" zu verringern. Es hat sich gezeigt, dass die Oberflächenporosität eines „grünen" Pellets seiner mittleren Porosität entspricht oder diese sogar übersteigt. Diese Oberflächenporosität ist beispielsweise durch den mittleren Durchmesser und die mittlere Oberflächendichte der gegen die Oberfläche des Pellets offenen Poren auf allen seinen Außenflächen gekennzeichnet. Das oben erwähnte Mittel b) hat die Aufgabe, den mittleren Durchmesser zu reduzieren, während das Mittel c) die Aufgabe hat, die Oberflächendichte der Poren zu reduzieren.
Durch die Kombination dieser beiden Kriterien ist es außerdem möglich, die Oberflächenporosität durch das Verhältnis der Gesamtfläche der gegen alle Außenflächen des Pellets offenen Poren zu der Entwicklungsfläche dieser Flächen auszudrücken. Nach der erfindungsgemäßen Behandlung soll dieses Verhältnis auf allen Flächen des Pellets vorzugsweise einen Wert haben, der gleich der halben Gesamtvolumenporosität der Matrix oder kleiner als diese ist, insbesondere einen Wert zwischen 4% und 9%.
Zur Messung der Oberflächenporosität der Flächen des Pellets werden Mikrofotografien der Oberfläche verwendet, wobei diese in der Mitte und ein Drittel vom Rand des Pellets entfernt mit Hilfe eines Rastermikroskops mit einer Vergrößerung von etwa 2000 aufgenommen und einer Softwarebehandlung für die Bildanalyse dieser Mikrofotografien unterzogen werden, beispielsweise vom Typ „Leica". Beispielsweise werden digitale Mikrofotografien mit einer Vergrößerung von 2000 und einer Auflösung von 512 mal 512 Pixeln mit 256 Graustufen verwendet. Die Analysesoftware ist auf die zu analysierende Oberfläche, die fotografische Ausrüstung und die „Beleuchtung" der Oberfläche zugeschnitten.
Die Oberflächenbehandlung, der das grüne imprägnierte Pellet unterzogen wird, um ein erfindungsgemäßes imprägniertes Pellet zu erhalten, besteht aus einem chemischen oder chemisch-mechanischen Vorgang, in dem alle Flächen des Pellets geschliffen, gehont oder poliert werden.
Beispielsweise findet eine der drei folgenden Techniken der Oberflächenbehandlung Verwendung:

– trockenes oder nasses Massen-Polieren mit Hilfe eines Poliersandes auf Aluminiumoxidbasis,
– Schleifen mit einer Schleifscheibe oder einem Schneidwerkzeug,
– Reiben der Pelletflächen durch eine Stanze oder ein Werkzeug.

Vorzugsweise wird ein Poliervorgang, bei dem sich zeigt, dass er vorteilhafterweise gleichzeitig die oben beschriebenen Wirkungen a), b) und c) ergibt, ausgeführt. Vorzugsweise wird ein Massen-Poliervorgang ausgeführt, wodurch eine gleichzeitige Behandlung der Oberfläche einer großen Anzahl von Pellets auf allen ihren Flächen ermöglicht wird.
Die Oberflächenbehandlungsbedingungen, insbesondere die Polierbedingungen, sind so ausgelegt, dass man Pellets mit einer Rauheit gleich oder kleiner als 0,1 μm und einer mittels des oben beschriebenen Verhältnisses gemessenen Oberflächenporosität zwischen 4% und 9% auf allen ihren Flächen erhält. Somit erhält man herkömmlicherweise für ein Matrixporenvolumen von etwa 18% eine Oberflächenporosität von etwa 6%.
3 und 4 zeigen einen Abschnitt des für eine der Flächen des Pellets repräsentativen Oberflächenbereiches vor der Behandlung im Fall von 3 und nach der Behandlung im Fall von 4, und zwar in für Fall 3A und 4A schematischen und für Fall 3B und 4B mikrofotografischen Schnittansichten. Diese Figuren veranschaulichen sehr deutlich die Verringerung der Oberflächenrauheit, die spezifisch für die Erfindung ist. Der Poliervorgang trägt die Körner G_S ab und planarisiert damit die gesamte Oberfläche S und verringert die Rauheit auf einen Wert gleich oder kleiner als 0,1 μm.
Der Poliervorgang bewirkt außerdem eine Verringerung der offenen Fläche der Poren auf allen Außenflächen des Pellets. Dabei handelt es sich zweifelsohne um eine chemisch-mechanische Wirkung, welche im Polierbereich eine herkömmliche ist. Durch diesen Vorgang wird die Oberflächenporosität um einen Faktor von zwei oder sogar drei verringert.
Nach der Oberflächenbehandlung, insbesondere nach dem Poliervorgang, erhält man anschließend ein gebrauchsfertiges imprägniertes Kathodenemissionspellet. Wie in 2 gezeigt, ist dieses Pellet in einer Schale 2 eingebracht, welche selbst durch eine mit einem Heizfaden 4 versehene Metallhülse 3 gehalten ist. Anschließend erhält man die erfindungsgemäße imprägnierte Kathode.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung durch Polieren zeigt sich in dem Fall, in dem das Pellet nach der Behandlung eine Rauheit gleich oder kleiner als 0,1 μm und eine Oberflächenporosität zwischen 4% und 9% besitzt, wenn das für die Imprägnierung verwendete Kathodenemissionsmaterial auf Barium vom oben beschriebenen Typ „4/1/1" basiert, dass der Verlust an Kathodenemissionsmaterial bei einem 90 Wochen dauernden Betrieb dieser Kathode unter Standardbedingungen oder sogar beträchtlich beschleunigten Bedingungen im Vergleich zur gleichen Kathode, in der das Pellet keiner Oberflächenbehandlung durch Polieren unterzogen wurde, um einen Faktor von zwei reduziert ist. Im Vergleich zu einer Kathode, deren Pellet dieser Oberflächenbehandlung durch Polieren nur auf seiner oberen Emissionsfläche 11, wie beispielsweise nach dem Stand der Tech nik, unterzogen wurde, zeigt sich ebenfalls eine beträchtliche Reduzierung beim Verlust an Kathodenemissionsmaterial sowie eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer um einen Faktor von etwa 2. Da das den Verbrauch der Lebensdauerfunktion ausdrückende Gesetz als die Quadratwurzel von t (time) gilt, ist dies darauf zurückzuführen, dass eine signifikante Verlängerung der Lebensdauer der Kathode erzielt wird.
Es hat sich gezeigt, dass höchst vorzugsweise die oben beschriebene Oberflächenbehandlung an Pellets durchgeführt wird, welche bereits imprägniert sind, und dass die gleichen Verbesserungen nicht erzielt werden, wenn diese Behandlung an der porösen Matrix vor der Imprägnierung durchgeführt wird.
Die Erfindung besitzt außerdem die folgenden Vorteile:

– weniger elektrische Verluste in den Elektronenkanonen und Röhren durch reduzierte parasitäre Beschichtungen, insbesondere auf den Gegenelektroden,
– Aufdecken aller Oberflächendefekte und möglichen Risse auf der Oberfläche der Pellets nach der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung, wodurch eine Verbesserung der Untersuchung der Herstellungsqualität ermöglicht wird.

Die Leistungsverbesserung wird ganz besonders deutlich bei kleinen Pellets, die insbesondere in Kathodenstrahlröhren mit niedrigem Energieverbrauch verwendet werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Verbrauch oder Verlust des Kathodenemissionsmaterials den folgenden Randeffekt auf die Emissionsfläche ausübt: Die poröse Matrix wird über den gesamten Umfang der Emissionsfläche 11 des Pellets 1 und über die Lebensdauer der Kathode in dem Kathodenemissions material aufgebraucht, so dass die Emissionsfläche einen aufgebrauchten Umfangsbereich mit immer größer werdender Breite aufweist. Je kleiner der Durchmesser der Pellets ist, desto größer wird der Teil der Emissionsfläche, der durch diesen aufgebrauchten Bereich dargestellt wird. Da aufgrund der Erfindung alle Flächen des Pellets, insbesondere seine Seitenfläche 12, poliert werden, vergrößert sich die Breite dieses aufgebrauchten Umfangsbereiches weniger schnell als nach dem Stand der Technik. Die Lebensdauer von Pellets mit kleinem Durchmesser, insbesondere von Pellets mit einem Durchmesser gleich oder kleiner als 1,1 mm, wird daher wesentlich verlängert.
7 veranschaulicht diesen Punkt in einer schematischen Darstellung. Die Breite des verbrauchten Umfangsbereiches des Kathodenemissionskörpers kann bis zu 200 μm betragen, was einer Reduzierung des Durchmessers der effektiven Emissionsfläche von 400 μm entspricht. Da dieser Durchmesser D_T der Öffnung in der ersten Gegenelektrode oder dem Gitter G1 im Allgemeinen etwa 500 μm beträgt, falls der Durchmesser D_P des Pellets gleich oder kleiner als 1,1 mm ist und falls die unvermeidbaren Fehler beim Zentrieren der Öffnung in dem Gatter in Bezug auf die Kathode, im Allgemeinen etwa 200 μm, berücksichtigt werden, kann festgestellt werden, dass der dem Umfang der Öffnung in dem Gitter G1 zugewandte Umfangsbereich der Emissionsfläche des Pellets 1 in bestimmten Teilen des Umfangs eine Breite L_min gleich oder kleiner als 200 μm besitzt und dass die Gefahr besteht, dass der aufgebrauchte Umfangsbereich in die Öffnung in dem Raster eindringt, mit dem Risiko einer schwerwiegenden Unterbrechung im Betrieb der Elektronenröhre, in die diese Kathode eingesetzt ist. Dank der Erfindung und des Polie rens der Seitenflächen der Kathodenemissionskörper wird dieses Risiko eingeschränkt.
Es ist weiterhin bekannt, dass die Leistung von Kathodenemissionskörpern von imprägnierten Kathoden verbessert werden kann, indem ein Dünnfilm aus Osmium, Ruthenium und/oder Iridium auf ihre Emissionsfläche abgeschieden wird. Es hat sich gezeigt, dass diese Verbesserung auf Kathodenemissionskörpern, die zuvor einer erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung unterzogen wurden, größer ist als auf Kathodenemissionskörpern ohne Oberflächenbehandlung. 5 und 6 zeigen von oben die Emissionsfläche 11 eines Pellets in einer Mikrofotografie mit einer Vergrößerung von 5000, nachdem ein Dünnfilm aus Osmium mit einer Dicke von 0,5 μm ohne Oberflächenbehandlung im Fall von 5 und mit erfindungsgemäßer Oberflächenbehandlung im Fall von 6 abgeschieden worden ist. 6 zeigt eine Rauheit und eine Oberflächenporosität, welche sehr viel geringer sind als in 5, was zumindest teilweise die beobachtete Leistungsverbesserung erklärt.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine Kathode einer Kathodenstrahlröhre beschrieben. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass die Erfindung auch für andere Arten von Elektronenröhren verwendet werden kann.

Claims

Kathodenemissionskörper für eine imprägnierte Kathode einer Elektronenröhre, welcher aus einer porösen mit einem Elektronen emittierenden Material imprägnierten Matrix gebildet und durch eine Emissionsfläche (11) umfassende Außenflächen (11, 12, 13) festgelegt ist, wobei die Außenflächen einschließlich einer Seitenfläche eine Rauheit von weniger als 0,2 μm besitzen.
Kathodenemissionskörper nach Anspruch 1, wobei die diesen festlegenden Außenflächen eine Rauheit gleich oder kleiner als 0,1 μm besitzen.
Kathodenemissionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis der Fläche der gegen die Außenflächen (11, 12, 13) offenen Poren der Matrix zu der Fläche dieser Flächen (11, 12, 13) gleich der Hälfte der mittleren Volumenporosität in dem Kern der Matrix oder kleiner als diese ist.
Kathodenemissionskörper nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis der Fläche der gegen die Außenflächen (11, 12, 13) offenen Poren der Matrix zu der Fläche dieser Flächen (11, 12, 13) zwischen 4% und 9% liegt.
Kathodenemissionskörper nach Anspruch 4, wobei die mittlere Volumenporosität in dem Kern der Matrix zwischen 16% und 22% liegt.
Kathodenemissionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: – die poröse Matrix auf Wolfram basiert und ihr Wolframgehalt gleich oder größer als 50 Gewichtsprozent ist und – das Elektronen emittierende Material auf Barium basiert und sein Bariumgehalt über 50 Mol-% liegt.
Imprägnierte Kathode für eine Elektronenkanone, umfassend: – eine Metallschale (2), – eine an einem Ende durch die Schale (2) geschlossene Metallhülse (3), – einen Heizfaden (4) im Inneren der Hülse (2), wobei die Kathode einen Kathodenemissionskörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, welcher in die Metallschale (2) eingesetzt ist.
Elektronenkanone, welche mit wenigstens einer Kathode nach Anspruch 7 versehen ist.
Kanone nach Anspruch 8, welche für jede Kathode eine der Emissionsfläche des Kathodenemissionskörpers (1) zugewandte und mit einer ungefähr in der Mitte der Fläche angeordneten Öffnung versehene Gegenelektrode G1 umfasst, wobei die Breite des dem Umfang der Öffnung zugewandten Umfangsbereiches der Emissionsfläche einen Mindestwert L_min besitzt, der gleich oder kleiner als 200 μm ist.
Kathodenstrahlröhre, welche mit einer Kanone nach Anspruch 8 oder 9 versehen ist.
Prozess für die Herstellung eines Kathodenemissionskörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welcher einen Vorgang für die Behandlung der Oberfläche der Außenflächen, einschließlich einer Seitenfläche, umfasst, um deren Rauheit auf weniger als 0,2 μm und optional die Oberflächenporosität, das heißt das Verhältnis der Fläche der gegen diese Flächen offenen Poren zu der Fläche dieser Flächen zu verringern.
Prozess nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem Vorgang der Oberflächenbehandlung um einen Poliervorgang handelt.
Prozess nach einem der Ansprüche 11 und 12, wobei es sich bei dem Vorgang der Oberflächenbehandlung um einen Massenvorgang handelt.
Prozess nach einem der Ansprüche 11 bis 13, welcher außerdem einen Vorgang für die Imprägnierung der Matrix mit dem Elektronen emittierenden Material umfasst, wobei der Vorgang der Oberflächenbehandlung nach dem Imprägnierungsvorgang angewendet wird.