DE69020610T2 - Kathode für eine elektrische Entladungsröhre. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathode für eine elektrische Entladungsröhre, mit einer Trägerbasis aus Metall, die mit einer Schicht aus einem Material überzogen ist, das Elektronen emittieren kann.
• Solche eine Kathode ist aus der Europäischen Patentanmeldung Nr. 204.477 und der britischen Patentanmeldung 1.076.229 bekannt. Entsprechend dem dort beschriebenen Herstellungsprozeß für eine Kathode für eine Elektronenstrahlröhre wird eine Grundzusammensetzung in eine gewünschte Konfiguration gebracht und dann mit einer Schicht aus Erdalkalicarbonaten überzogen, um eine Kathode oder einen Heizfaden zu bilden. Anschließend wird die Kathode oder der Heizfaden in eine Elektronenstrahlröhrenstruktur gebracht und der Kathode Wärme direkt oder indirekt Zugeführt, um die Carbonate zu Oxiden und freiem Metall zu reduzieren und dadurch die Kathode zu aktivieren. Anschließend wird beim Betrieb der Röhre der Kathode Wärme zugeführt, um Elektronenemission während einer Zeitdauer (= Lebensdauer) und in einem von einer großen Zahl Faktoren abhängigen Ausmaß zu erhalten. Eine relativ dicke Trägerbasis hat sich als günstig erwiesen, beispielsweise für eine lange Lebensdauer. Ein Nachteil einer relativ dicken Trägerbasis ist jedoch, daß die Kathode eine lange Aufheizzeit hat, was bei vielen Anwendungen unerwünscht ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kathode mit kurzer Aufheizzeit und dennoch langer Lebensdauer zu verschaffen.
• Erfindungsgemäß ist die Kathode der eingangs beschriebenen Art daher dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerbasis aus Metall eine Dicke im Bereich 20 bis 150 um hat und daß die Trägerbasis aus Metall Metallkristallite enthält, deren Größe der Dicke der Trägerbasis aus Metall entspricht.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die in einer Elektronenröhre im Betrieb herrschenden Temperaturbedingungen zu Kornwachstum oder Rekristallisation der Körner der Trägerbasis führen können, wobei dieses Kornwachstum oder die Rekristallisation ihrerseits dazu führt, daß im Falle einer relativ dünnen Trägerbasis sich der elektromenemittierende Überzug löst oder abblättert. Dies ist ein Faktor, der die Lebensdauer der Kathode nachteilig beeinflußt. Die Lebensdauer einer Kathode mit relativ dünner Trägerbasis und damit kurzer Aufheizzeit kann beträchtlich erhöht werden, indem dafür gesorgt wird, daß die Metallkristallite eine Größe haben, die kein Kornwachstum oder eine Rekristallisation mehr zuläßt.
• Erfindungsgemäß haben die Metallkristallite der Trägerbasis tatsächlich eine solche Größe, weil im allgemeinen Kornwachstum oder Rekristallisation nicht mehr möglich ist, wenn die Metallkristallite eine Größe haben, die mit der Dicke der Trägerbasis vergleichbar ist.
• Im Betrieb kann die erfindungsgemäße Kathode direkt oder indirekt (mittels von einem gesonderten Heizkörper, beispielsweise einem Heizfaden, erzeugter Wärme) geheizt werden. Im letztgenannten Fall ist es im Hinblick auf die Stabilität des dünneren Trägerbasis vorteilhaft, wenn dafür gesorgt wird, daß der Heizkörper frei von der Trägerbasis liegt und das auch im Betrieb der Kathode bleibt. Der Heizkörper wird nämlich im Betrieb ständig ein- und ausgeschaltet, und wenn er an einer dünnen Trägerbasis anliegt, kann er die Stabilität dieser Basis nachteilig beeinflussen.
• Der von den Kristalliten, die kein weiteres Kornwachstum aufweisen können, hervorgerufene günstige Effekt auf die Kathodenlebensdauer könnte dadurch teilweise aufgehoben werden.
• Der Heizkörper wird vorzugsweise in einer Entfernung im Bereich zwischen 20 und 300 um von der Trägerbasis angeordnet. Wenn der Abstand kleiner ist als 20 um können der Heizkörper und die Trägerbasis einander beim Betrieb der Kathode infolge von Wärmeausdehnung des Heizkörpers immer noch berühren. Wenn der Abstand größer ist als 300 um, wird die Trägerbasis von dem Heizkörper weniger wirksam erwärmt.
• Bei der Herstellung einer Trägerbasis für eine Kathode ist es allgemein üblich, bestimmte Zusätze (wie Mg, Si und Al) und ein Basismaterial (wie Nickel, Nickellegierungen wie Nickellanthan und Wolfram) mittels eines Schmelzprozesses zu kombinieren, um ein Kathodenträgerbasismaterial zu erhalten. Dieses Material wird warm gewalzt, dann zu einem Streifen mit gewünschter Dicke kalt gewalzt und anschließend zu einer Kathodenträgerbasiskonfiguration geformt. Den Kristallen der Trägerbasis kann die gewünschte Größe gegeben werden, die kein weiteres Kornwachstum zuläßt, indem nach einem weiteren Aspekt der Erfindung die Trägerbasis vor der Zusammenstellung der Kathode einer geeigneten Rekristallisations-Wärmebehandlung unterzogen wird.
• Die Erfindung beruht auch auf der Erkenntnis, daß die Abnahme der Elektronenemission im Laufe der Lebensdauer der Kathode unter anderem aus der Abnahme der Menge der Emissionsaktivatoren im Trägerkörper herrührt, insbesondere in der Oberfläche des Trägerkörpers infolge Diffusion und Oxidation der Aktivatoren. Diese Aktivatoren werden von den im Trägerkörper, der hauptsächlich Nickel enthält, vorhandenen Zusätzen gebildet. Die Aktivatoren diffundieren beim Betrieb der Kathode zur Oberfläche des Trägerkörpers, wo sie die Elektronenemission aktivieren.
• Insbesondere in dünnen Trägern, die insgesamt eine kleinere Menge an Zusätzen, d.h. Aktivatoren, umfassen, ist es daher wichtig, daß diese Aktivatoren nicht infolge einer Wärmebehandlung, die ausgeführt wird, um eine maximale Kristallgröße zu erhalten, mehr oder weniger "inaktiv" gemacht werden. Ein weiteres Anliegen der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß die Rekristallisations-Wärmebehandlung unter Bedingungen erfolgt, die verhindern, daß Zusätze im Metall der Trägerbasis tiefer als bis zu 1 Mikrometer und vorzugsweise nicht weiter als 0,5 Mikrometer von der Oberfläche entfernt Oxide bilden.
• Wenn der Trägerkörper in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 850 ºC und 1100 ºC erwärmt wird, wobei eventuell eine Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 300 ºC und 450 ºC vorangeht, zeigt sich nicht nur, daß das Nickel in dem Trägerkörper ausreichend stark rekristallisiert, sondern auch, daß nur sehr wenige Aktivatoren inaktiv werden. Daher hat die Kathode während ihrer Lebensdauer eine ausreichend konstante Elektronenemission. Außerdem stellt sich heraus, das die Kathode in einer Anzahl Nullstundenemissionseigenschaften, wie Zunahme des Sättigungsstroms, verbessert ist, da die freien Aktivatorelemente bis nahe der Oberfläche des Trägerkörpers vorhanden sind.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Kathode mit einer Trägerbasis,
• Fig. 2 eine Draufsicht und
• Fig. 3 ein Längsschnitt einer alternativen Trägerbasis.
• Bei dieser Ausführungsform hat die Kathode 1 von Figur 1 einen zylindrischen Kathodenschacht 2 aus Nickel-Chrom mit einer Trägerbasis oder einem Trägerkörper 3. Der Trägerkörper 3 besteht hauptsächlich aus Nickel und kann freie Aktivatorelemente wie beispielsweise Cr, Mg, Al, W, Ta, Si, Ti, Co, Mn und Zr enthalten. Im Kathodenschacht 2 ist ein Heizkörper in Form eines spiralförmigen Heizfadens 4 untergebracht, der aus einem spiralförmig gewundenen Metallkern mit einer elektrisch isolierenden Aluminiumoxidbeschichtung bestehen kann. Auf dem Trägerkörper 3 ist eine mehrere Mikrometer dicke Schicht aus potentiell elektronenemittierendem Material 7 vorhanden, die beispielsweise durch Aufsprühen aufgebracht worden sein kann.
• Bei der Herstellung einer solchen Kathode wird der Trägerkörper 3 während eines Prozeßschrittes an dem Kathodenschacht 2 befestigt. Erfindungsgemäß wird der Trägerkörper einer Wärmebehandlung ausgesetzt, bevor er an dem Kathodenschacht befestigt wird. Der Trägerkörper wird für 10 bis 20 Minuten bei einer Temperatur zwischen 300 ºC und 450 ºC in Luft erwärmt. Dabei wird der Trägerkörper infolge der Oxidation organischer Verbindungen gereinigt. Anschließend wird der Trägerkörper in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt -60 ºC) bei einer Temperatur zwischen 850 ºC und 1100 ºC 10 bis 20 Minuten lang erwärmt. Dadurch wachsen die Nickelkristalle in dem Trägerkörper bis auf ihre maximale (Größe an, so daß verhindert wird, daß in einem späteren Stadium Probleme des Haftens der Emissionsschicht an dem Trägerkörper auftreten, beispielsweise beim Aktivieren der Kathode in der Röhre, wobei Temperaturen bis zu 1000 ºC auftreten können. Nach der oben beschriebenen Behandlung hat der Trägerkörper ein glänzendes Aussehen.
• Der Kathodenschacht kann blank sein oder mit einer thermisch schwarz strahlenden Schicht versehen sein. Im letzteren Fall wird er gesondert einer Wärmebehandlung ausgesetzt, um an der Innenseite und an der Außenseite des Kathodenschachtes eine thermisch schwarz strahlenden Schicht zu erhalten. Ein Beispiel für eine solche Wärmebehandlung eines aus einer Chrom-Nickel-Legierung bestehenden Kathodenschachtes ist das Erwärmen des Kathodenschachtes in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 950 ºC, wobei Verunreinigungen auf der Oberfläche entfernt werden. Anschließend wird der Kathodenschacht bei einer Temperatur von etwa 700 ºC in Luft erwärmt, wobei Chromoxid und Nickeloxid-Kristalle an der Oberfläche gebildet werden. Durch anschließendes Erwärmen des Kathodenschachtes in einer feuchten Wasserstoffatmosphäre (Taupunkt 14 ºC) bei 1050 ºC wird das auf dem Kathodenschacht gebildete Nickeloxid zu Nickel reduziert, während das Chromoxid nicht reduziert wird. Da die feuchte Wasserstoffatmosphäre einen oxidierenden Effekt auf Chrom hat, wird der Chromoxidfilm auf dem Schacht bei dieser Wärmebehandlung dicker. Der Chromoxidfilm bildet schließlich eine stabile thermisch schwarz strahlende Schicht.
• Nach ihren eventuellem Wärmebehandlungen werden der Trägerkörper 3 und der Kathodenschacht 2 der Kathode von Fig. 1 beispielsweise durch Schweißen aneinander befestigt.
• In einem weiteren Prozeßschritt wird auf dem Trägerkörper eine Schicht potentiell elektronenemittierenden Materials aufgebracht.
• Es hat sich gezeigt, daß die immer auftretende Abnahme der Elektronenemission der Schicht im Laufe der Lebensdauer der Kathode sehr klein sein kann (in einem bestimmten Fall nicht mehr als 8% im Vergleich zu einer Abnahme von mehr als 25% bei herkömmlichen Kathoden), wenn der Trägerkörper der eher erwähnten Wärmebehandlung ausgesetzt wird, damit die Metallkristalle eine maximale Größe erhalten. Außerdem zeigt sich, daß eine Anzahl Nullstundenemissionseigenschaften der Kathode verbessert sind.
• Der Kathodenschacht 2 mit der Trägerbasis 3 der Kathode 1 von Fig. 1 wird in einer Öffnung eines Gehäuses 6 mit drei Aufhängungsmitteln 8a, 8b und 8c aufgehängt (siehe Fig. 2). Der Heizfaden 4 wird mit einfachen Stromlieferungsmitteln 5a und 5b verbunden.
• Fig. 3 zeigt einen alternativen Aufbau, bei dem der Schacht und die Trägerbasis aus einem einzigen Stück 13 bestehen. Die Emissionsschicht 7 und der Heizfaden 4 sind die gleichen wie in Fig. 1.
• In beiden Fällen ist es für die Lebensdauer der Kathode vorteilhaft, wenn der Heizfaden 4 die dünne (20 - 50 um dicke) Trägerbasis 3 oder 13 nicht berühren kann. Der Heizfaden 5 wird vorzugsweise im Kathodenschacht 2 so untergebracht, daß der Abstand d (Fig. 1) zwischen dem Trägerkörper 3 und dem Heizfaden 5 zwischen 20 um und 300 um liegt. Je nach der zulässigen niedrigeren Kathodentemperatur liegt der Abstand d vorzugsweise zwischen 50 und 200 um.
• Eine erfindungsgemäße Kathode hat nicht nur eine nahezu konstante Elektronenemission während ihrer Lebensdauer, sondern sie kann wegen ihrer gestiegenen Nullstundenemission auch bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden.

Claims (8)

1. Kathode (1) für eine elektrische Entladungsröhre, mit einer Trägerbasis (3) aus Metall, die mit einer Schicht (7) aus einem Material überzogen ist, das Elektronen emittieren kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerbasis (3) aus Metall eine Dicke im Bereich 20 bis 150 um hat und daß die Trägerbasis (3) aus Metall Metallkristallite enthält, deren Größe der Dicke der Trägerbasis (3) aus Metall entspricht.

2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper im wesentlich Nickel enthält.

3. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie auch einen Heizkörper umfaßt, der von der Trägerbasis frei liegt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Oxidkathode, in dem während eines Prozeßschrittes eine Schicht aus möglicherweise elektronenemittierendem Material auf einer Trägerbasis aus Metall aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schicht die Trägerbasis einer Rekristallisations-Wärmebehandlung unterzogen wird, damit die Metallkristalle bis zu einer maximalen Größe aufwachsen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekristallisations-Wärmebehandlung unter Bedingungen erfolgt, die verhindern, daß Zusätze im Metall der Trägerbasis tiefer als bis zu 1 Mikrometer von der Oberfläche entfernt Oxide bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekristallisations-Wärmebehandlung durch Erwärmen der Trägerbasis in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 850 ºC und 1100 ºC erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebehandlung eine Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur zwischen 300 ºC und 450 ºC vorangeht.

8. Kathodenstrahlröhre mit einer Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3.