DE68917174T2 - Kathode für eine Elektronenröhre. - Google Patents
Kathode für eine Elektronenröhre.Info
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf Kathoden für Elektronenröhren wie Kathodenstrahlröhren von Fernsehgeräten, und insbesondere auf eine Verbesserung der Elektronenemissionseigenschaften einer oxidbeschichteten Kathode.
- Figur 1 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine herkömmliche oxidbeschichtete Kathode zur Benutzung in einer Kathodenstrahlröhre oder eine Bildaufnahmeröhre für ein Fernsehsystem zeigt. Bei der herkömmlichen oxidbeschichteten Kathode wird eine Schicht 2 aus einer elektronenemittierenden Substanz, die aus Erdalkalimetalloxiden gemacht ist, die mindestens Ba enthalten und weiter Sr undloder Ca enthalten, auf einer zylindrischen Basis 1 gebildet, die aus Ni als Hauptelement gemacht ist und einen kleinen Betrag eines reduzierenden Elementes wie Si oder Mg enthält. Ein Heizer 3 ist innerhalb der Basis 1 vorgesehen, und die elektronenemittierende Schicht 2 wird durch den Heizer 3 zum Emittieren thermischer Elektronen aufgeheizt. Zu dieser Zeit sind die Hauptdonatoren für die Emission thermischer Elektronen Ba, das durch Si, Mg reduziert ist, oder ähnliches.
- Solch eine herkömmliche Kathode wird durch ein unten beschriebenes Verfahren hergestellt. Zuerst wird eine Suspension von Erdalkalimetallen (Ba, Sr, Ca usw.) auf die Basis 1 aufgebracht und in Vakuum durch den Heizer 3 aufgeheizt. Als Resultat werden die Erdalkalimetallkarbonate zu Oxiden umgewandelt. Dann werden die Erdalkalimetalloxide teilweise bei einer hohen Temperatur von 900 bis 1100º C so reduziert, daß sie so aktiviert werden, daß sie eine Halbleitereigenschaft aufweisen, wodurch die elektronenemittierende Schicht 2, die aus Erdalkalimetalloxiden gemacht ist, auf der Basis 1 gebildet wird.
- Bei dem oben beschriebenen Aktivierungsverfahren diffundieren reduzierende Elemente wie Si und Mg, die in der Basis 1 enthalten sind, so, daß sie sich zu der Schnittstelle zwischen der Erdalkalimetalloxidschicht 2 und der Basis 1 bewegen und dann reagieren sie mit den Erdalkalimetalloxiden. Wenn zum Beispiel das Erdalkalimetalloxid Bariumoxid (BaO) ist, wird die Reaktion durch die folgende Formel (1) oder (2) ausgedrückt.
- BaO + 1/2 Si = Ba + 1/2 SiO&sub2; (1)
- BaO + Mg = Ba + MgO. (2)
- Somit wird die Erdalkalioxidschicht 2, die auf der Basis 1 gebildet ist, teilweise reduziert, so daß sie ein Halbleiter vom Sauerstoffmangeltyp wird. Folglich wird ein Emissionsstrom von 0,5 bis 0,8 A/cm² unter den Normalbedingungen bei einer Betriebstemperatur von 700 bis 800º C erreicht. Bei der so gebildeten Kathoden kann jedoch eine Stromdichte von mehr als 0,5 bis 0,8 A/cm² aus den folgenden Gründen nicht erzielt werden. Als Resultat der teilweisen Reduzierung der Erdalkalimetalloxide wird eine Übergangsschicht von Oxiden oder zusammengesetzten Oxiden wie SiO&sub2;, MgO und BaO gebildet. SiO&sub2; wird an dem Übergangsbereich zwischen der Basis 1 und der Erdalkalimetalloxidschicht 2 gebildet, wie aus den Gleichungen (1) und (2) offensichtlich ist. Insbesondere tendiert die Übergangsschicht dazu, an Nickelkristallkorngrenzen nahe der Übergangsschicht und an einer Position von ungefähr 10um von der Übbergangsschicht in die elektronenemittierende Schicht 2 gebildet zu werden. Diese Übergangsschicht ist eine Schicht hohen Widerstandes, die den Stromfluß behindert. Zusätzlich wird angenommen, daß die Übergangsschicht das reduzierende Element in der Basis 1 daran hindert, in die elektronenemittierende Schicht 2 zu diffundieren, und somit verhindert sie die Bildung eines ausreichenden Betrages von Ba zum Emittieren thermischer Elektronen.
- Die EP-A-0 210 805 offenbart eine Kathode, die eine Basis 1 aus Ni aufweist, die ein seltenes Erdmetall von 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent enthält. Bei dieser Kathode wird die Oxidation der Basis 1 verhindert, wenn Erdalkalimetallkarbonate zum Bilden der elektronenemittierenden Schicht 2 zersetzt werden, oder wenn Bariumoxid während des Betriebes der Kathode reduziert wird. Zusätzlich wird eine Übergangsschicht aus zusammengesetzten Oxiden daran gehindert, auf konzentrierte Weise nahe der Übergangsschicht zwischen der Basis 1 und der elektronenemittierenden Schicht 2 gebildet zu werden, und die zusammengesetzten Oxide werden auf diffundierte Weise in der elektronenemittierenden Schicht 2 gebildet. Folglich wird eine gemäßigte Diffussion des reduzierenden Elementes wie Si oder Mg aufrechterhalten. Als Resultat gibt es eine geringere Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften beim Betrieb der Kathode selbst bei einer hohen Stromdichte von ungefähr 1 bis 2 A/cm².
- Die EP-A-0 210 805 offenbart auch eine Kathode, die eine elektronenemittierende Schicht 2 aufweist, die ein seltenes Erdmetalloxid von 0,1 bis 20 Gewichtsprozent enthält. Auch bei dieser Kathode wird die Oxidation der Basis verhindert und die Bildung einer Übergangsschicht wird verhindert. Die Elektronenemissionseigenschaften dieser Kathode werden im Betrieb wenig verschlechtert, selbst bei einer hohen Stromdichte von 2 A/cm² wie bei der oben erwähnten Kathode. Es ist jedoch noch eine weitere Verbesserung notwendig. Genauer gesagt, wenn die Kathode nach dem normalen Aktivierungsverfahren bei einer hohen Stromdichte von mehr als
- 2 A/cm² betrieben wird, passiert es, daß freies Ba im beträchtlichen Maße verdampft, wodurch die Elektronenemissionseigenschaften verschlechtert werden. Genauer, die EP-A-0 210 805 offenbart eine Kathode mit einer Elektronenemissionsschicht, die als Hauptkomponente ein Erdalkalimetalloxid enthält, das mindestens Barium enthält, und sie enthält auch ein seltenes Erdmetalloxid wie Skandiumoxid oder ein seltenes Erdmetall wie Skandium. Die Kathodenbasis enthält Nickel als ein Hauptelement, auf der eine Elektronenemissionsschicht gebildet ist.
- Die vorliegende Erfindung sieht eine oxidbeschichtete Kathode für eine Elektronenröhre mit stabilen Emissionseigenschaften im Betrieb bei einer Stromdichte von mehr als 2 A/cm² vor.
- Eine oxidbeschichtete Kathode für eine Elektronenröhre gemäß einem Aspekt der Erfindung weist auf: eine Basis mit Ni als ein Hauptelement; ein in der Basis enthaltenes reduzierendes Mittel; eine Schicht aus einer elektronenemittierenden Substanz, die auf einem Teil der externen Oberfläche der Basis gebildet ist und enthält (a) ein Erdalkalimetalloxid als eine prinzipielle Verbindung mit mindestens Ba, (b) Skandiumoxid und (c) mindestens ein wärmefestes Oxid, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Oxiden von Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Zr, Nb, Hf, Ta, Mo und W besteht; und einen Heizer zum Heizen der elektronenemittierenden Schicht.
- Eine oxidbeschichtete Kathode für eine Elektronenröhre nach einem anderen Aspekt der Erfindung weist auf: eine Basis mit Ni als Hauptelement; ein in der Basis enthaltenes reduzierendes Mittel; eine erste elektronenemittierenden Schicht, die auf einem Teil der äußeren Oberfläche der Basis gebildet ist mit (a) einem Erdalkalimetalloxid als eine prinzipielle Verbindung, die mindestens Ba enthält- und (b) Skandiumoxid; eine zweite elektronenemittierende Schicht, die auf der ersten elektronenemittierenden Schicht gebildet ist, mit (c) einem Erdalkalimetalloxid als prinzipielle Verbindung mit mindestens Ba und (d) mindestens einem wärmefesten Oxid, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Oxiden von Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Zr, Nb, Hf, Ta, Mo und W besteht; und einen Heizer zum Heizen der ersten und zweiten elektronenemittierenden Schicht.
- Die vorangehenden und weiteren Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden ersichtlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung, wenn sie in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird.
- Figur 1 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Struktur einer oxidbeschichteten Kathode für eine Elektronenröhre darstellt.
- Figur 2 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Lebenstestdauer und dem Emissionsstrom bei Kathoden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
- Figur 3 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Struktur einer Kathode gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt.
- Figur 4 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Lebenstestdauer und dem Emissionsstrom bei Kathoden zeigt, die die Struktur von Figur 3 haben.
- Wie in Figur 1 gezeigt ist, weist eine Kathode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Basis 1 mit Ni als Hauptelement, die eine kleinen Betrag eines reduzierenden Elementes wie Si oder Mg enthält, und einen Heizer auf die gleiche Weise wie bei herkömmlichen Kathoden auf. Eine elektronenemittierende Schicht 2 in der Kathode diese Ausführungsform enthält nicht nur dreifache Erdalkalimetalloxide von Ba, Sr und Ca und ein Skandiumoxid sondern auch mindestens ein wärmefestes Oxid, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Oxiden von Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Zr, Nb, Hf, Ta, Mo und W besteht. Jene Erdalkalimetalloxide werden durch Zersetzen von Karbonaten wie bei dem Stand der Technik gebildet, und die so erhaltenen Oxide werden teilweise reduziert und aktiviert.
- In Figur 2 sind die Verschlechterungskurven der Elektronenemissionseigenschaften der Kathoden gemäß der Ausführungsform gezeigt. Jene Kathoden sind in Diodenbirnen so eingebaut, daß sie Lebenstests bei einer hohen Stromdichte von 2,5 A/cm² Quadrat ausgesetzt sind, und Änderungen in dem Emissionsstrom unter normaler Bedingung nach den Test wurden untersucht. Die Kurve A stellt eine Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften bei einer Kathode dar, die eine elektronenemittierende Schicht 2 eines Erdalkalimetalloxides aus Ba, Sr und Ca aufweist, die Skandiumoxid (Sc&sub2;O&sub3;) von 4 Gewichtsprozent und ein wärmefestes Titanoxid (TiO&sub2;) von 4 Gewichtsprozent enthält. Die Kurve B stellt eine Verschlechterung der Elektroneneniissionseigenschaften bei einer Kathode dar, die eine wärmefestes Chromoxid (Cr&sub2;O&sub3;) von 4 Gewichtsprozent anstelle von TiO&sub2; enthält. Zum Vergleich stellt die Kurve C eine Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften einer Kathode dar, die Sc&sub2;O&sub3; von 4 Gewichtsprozent enthält aber kein TiO&sub2; noch Cr&sub2;O&sub3; enthält, und die Kurve D stellt eine Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften einer Kathode dar, die weder Sc&sub2;O&sub3; noch TiO&sub2; noch Cr&sub2;O&sub3; enthält. Wie aus diesen Kurven ersichtlich ist, ist zu verstehen, daß die Kathoden, die das wärmefeste Oxid Ti&sub2;O&sub3; oder Cr&sub2;O&sub3; zusätzlich zu dem Sc&sub2;O&sub3; enthalten, weniger Verschlechterung bei den Elektronenemissionseigenschaften während des Betriebes bei hohen Stromdichtenvergleich mit den Kathoden des Standes der Technik zeigen. Es wird angenommen, daß diese Verbesserung erzielt wird, da hinzugefügtes TiO&sub2; oder Cr&sub2;O&sub3; das Verdampfen von freiem Ba als Donator für thermionische Emission verhindert.
- Als Resultat der Beobachtung der Oberfläche der elektronenemittierenden Schlicht 2, die TiO&sub2; noch Cr&sub2;O&sub3; enthält, unter Benutzung des Auger-Spektralanalyseverfahrens wurde gefunden, das ein ausreichender Betrag von Ba auf Teilchen von TiO&sub2; oder Cr&sub2;O&sub3; existiert. Allgemein steigt die Temperatur, wenn ein hoher Strom in der elektronenemittierenden Schicht 2 fließt, aufgrund der jouleschen Wärme, und der verdampfte Betrag von Ba steigt an. Folglich resultiert das Ansteigen des verdampften Ba in einer kurzen Lebensdauer der Kathode. In anderen Worten, es wird geglaubt, daß das Oxid TiO&sub2; oder Cr&sub2;O&sub3; Ba absorbiert und dessen Verdampfung verhindert, wodurch die Lebensdauer der Kathode verlängert wird selbst nach Betrieb bei hohen Stromdichten.
- Als ein Resultat durchgeführter Experimente in Bezug auf die Mengen der Zugaben von Sc&sub2;O&sub3;, TiO&sub2; und Cr&sub2;O&sub3; wurde gefunden, daß die zugegebenen Mengen bevorzugt 01, bis 20 Gewichtsprozent für Sc&sub2;O&sub3; und 0,5 bis 10 Gewichtsprozent für TiO&sub2; und Cr&sub2;O&sub3; betragen. Genauer gesagt, wenn der Betrag von Sc&sub2;O&sub3; 20 Gewichtsprozent überschreitet, wird der anfängliche Emissionsstrom gesenkt, und wenn er weniger als 0,1 Gewichtsprozent ist, kann eine Übergangsschicht nicht daran effektiv gehindert werden, gebildet zu werden. Wenn TiO&sub2; oder Cr&sub2;O&sub3; 10 Gewichtsprozent überschreitet, wird der anfängliche Emissionsstrom ebenfalls gesenkt, und wenn er umgekehrt kleiner als 0,5 Gewichtsprozent ist, kann das Verdampfen von Ba nicht effektiv verhindert werden. Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, V&sub2;O&sub5;, Fe&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, Nb&sub2;O&sub5;, HfO&sub2;, Ta&sub2;O&sub5;, MoO&sub3; oder WO&sub3; können zum Beispiel anstelle von TiO&sub2; und/oder Cr&sub2;O&sub3; benutzt werden.
- Es wird Bezug genommen auf Figur 3, dort ist eine Struktur einer Kathode nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Kathode von Figur 3 ist ähnlich der zu Figur 1 mit der Ausnahme, daß die elektronenemittierende Schicht 2 in Figur 3 eine erste Unterschicht 2a und eine zweite Unterschicht 2b enthält.
- Diese Unterschichten können durch das unten beschriebene Verfahren hergestellt werden. Zuerst wird, damit die erste Unterschicht 2a gebildet wird, eine erste Suspension vorbereitet, indem Skandiumoxid von 50 Gewichtsprozent (Gewichtsprozent nachdem Bariumkarbonat in ein Oxid umgewandelt worden ist) in ein Karbonat von Ba gemischt und dazu addiert. Diese Suspension wird auf die Basis 1 mit einer Dicke von ungefähr 10um unter Benutzung eines Sprays aufgebracht. Dann wird zum Bilden der zweiten Unterschicht 2b eine zweite Suspension vorbereitet, indem TiO&sub2; oder Cr&sub2;O&sub3; von 4 Gewichtsprozent in Karbonate von Ba, Sr und Ca gemischt wird. Diese zweite Suspension wird auf die erste Suspensionsschicht mit einer Dicke von ungefähr 90um aufgebracht. Danach werden die Karbonate in Vakuum zersetzt und ein Aktivierungsvorgang angewendet, wodurch die Kathode von Figur 3 fertiggestellt wird.
- Figur 4 zeigt die Resultate des Lebenstestes bei einer hohen Stromdichte von 2,5 A/cm² für so hergestellt Kathoden. Die Kurve E stellt eine Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften bei der Kathode dar, die die erste Unterschicht aus BaO-50 Gewichtsprozent Sc&sub2;O&sub3; und die zweite Unterschicht aus (Ba.Sr.Ca)O- 4 Gewichtsprozent TiO&sub2; enthält. Die Kurve F stellt eine Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften bei der Kathode dar, die die zweite Unterschicht aus (Ba.Sr.Ca)O-4 Gewichtsprozent Cr&sub2;O&sub3; anstelle von (Ba.Sr.Ca)O-4 Gewichtsprozent TiO&sub2; enthält. Die Kurven C und D in Figur 4 sind dieselben wie in Figur 2. Wie aus Figur 4 klar ist, ist zu verstehen, daß die in Figur 3 gezeigten Kathoden geringere Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften während des Betriebes bei einer hohen Stromdichtigkeit im Vergleich mit herkömmlichen Kathoden zeigen.
- Die erste Unterschicht kann ein Erdalkalimetalloxid enthalten, das mindestens Ba und Sc&sub2;O&sub3; enthält, und sie kann entsprechend weiter ein Oxid von Sr oder Ca enthalten. Die Dicke der ersten Unterschicht ist bevorzugt weniger als 50um und weiter bevorzugt 10 bis 20um. Dieses ist so, da, wenn die erste Unterschicht 2a eine große Dicke aufweist, der Abstand für die reduzierenden Mittel Si und/oder Mg in der Basis 1, die sie zu der zweiten Unterschicht wandern müssen, groß wird. Da weiterhin die erste Unterschicht ausreichend dünn ist und ein ausreichender Betrag von freiem Ba in der zweiten Unterschicht gebildet wird, wird der anfängliche Emissionsstrom nicht abgesenkt, selbst wenn mehr als 20 Gewichtsprozent Sc&sub2;O&sub3; in der ersten Unterschicht enthalten ist.
- Andererseits soll bevorzugt das wärmefeste Oxid in der zweiten Unterschicht im Bereich von 0,05 bis 10 Gewichtsprozent enthalten sein, damit vermieden wird, daß der anfängliche Emissionsstrom gesenkt wird.
- Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen kann ein kleiner Betrag von Metallpulver von Ni, Co, Fe, Al, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Mg, Re, Os, Ir, Pt, Pd, Rh, Au, V, Cr, Mn, Cu, Zn, Bi und ähnliches in die elektronenemittierenden Schichten 2a und 2b gemischt werden, und dann kann die Leitfähigkeit der elektronenemittierenden Schichten verbessert werden.
Claims (10)
1. Oxidbeschichtete Kathode für eine Elektronenröhre, mit:
einer Basis (1) mit Ni als ein Hauptelement, wobei die Basis eine
externe Oberfläche aufweist;
einem in der Basis (1) enthaltenen reduzierenden Mittel;
einer Schicht (2) aus einer elektronenemittierenden Substanz, die
auf einem Teil der externen Oberfläche gebildet ist und aufweist:
(a) ein Erdalkalimetalloxid als eine prinzipielle Verbindung mit
mindestens Ba und
(b) Skandiumoxid; und
einem Heizer (3) zum Heizen der Schicht (2) der
elektronenemittierenden Substanz;
dadurch gekennzeichnet, daß die elektronenemittierenden Schicht
(2) aufweist:
mindestens ein wärmefestes Oxid, das aus der Gruppe gewählt ist,
die aus Oxiden von Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Zr, Nb, Hf, Ta, Mo und
W besteht.
2. Kathode nach Anspruch 1, bei der
das Skandiumoxid Sc&sub2;O&sub3; im Bereich von 0,1 bis 20 Gewichtsprozent
ist.
3. Kathode nach Anspruch 1, bei der
das wärmefeste Oxid in dem Bereich von 0,05 bis 10
Gewichtsprozent enthalten ist.
4. Kathode nach Anspruch 1, bei der
die Schicht der elektronenemittierenden Substanz einen kleinen
Betrag von Metallpulver zum Verbessern der Leitfähigkeit enthält.
5. Oxidbeschichtete Kathode für eine Elektronenröhre, mit:
einer Basis (1) mit Ni als ein Hauptelement, wobei die Basis eine
externe Oberfläche aufweist;
einem in der Basis (1) enthaltenen reduzierenden Mittel;
einer Schicht (2a, 2b) aus einer elektronenemittierenden
Substanz, die auf einem Teil der externen Oberfläche gebildet ist;
und
einem Heizer (3) zum Heizen der Schicht (2a, 2b) der
elektronenemittierenden Substanz;
wobei die elektronenemittierenden Schicht aufweist:
eine erste elektronenemittierende Unterschicht (2a), die auf
einem Teil der externen Oberfläche gebildet ist und enthält:
(a) ein Erdalkalimetalloxid mit mindestens Ba; und
(b) Skandiumoxid;
einer zweiten elektronenemittierenden Unterschicht (2b), die auf
der ersten elektronenemittierende Unterschicht (2a) gebildet ist
und enthält:
(c) ein Erdalkalimetalloxid als eine prinzipielle Komponente mit
mindestens Ba;
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektronenemittierende
Unterschicht (2b) aufweist:
(d) mindestens ein wärmefestes Oxid, das aus der Gruppe gewählt
ist, die aus Oxiden von Al, Si, Ti, V, Cr, Fe, Zr, Nb, Hf, Ta, Mo
und W besteht.
6. Kathode nach Anspruch 5, bei der
die erste elektronenemittierende Schicht eine Dicke von weniger
als 50um aufweist.
7. Kathode nach Anspruch 6, bei der
die erste elektronenemittierende Schicht eine Dicke im Bereich
von 10 bis 20um aufweist.
8. Kathode nach Anspruch 5, bei der
das wärmefeste Oxid in der zweiten elektronenemittierenden
Schicht in dem Bereich von 0,05 bis 10 Gewichtsprozent enthalten
ist.
9. Kathode nach Anspruch 5, bei der
mindestens eine der ersten elektronenemittierenden Schicht oder
der zweiten elektronenemittierenden Schicht einen kleinen Betrag
eines Metallpulvers zum Verbessern der Leitfähigkeit aufweist.
10. Elektronenrohre mit einer oxidbeschichteten Kathode nach
einem der vorangehenden Ansprüche.
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