EP0081270B1 - Process for producing a thermionic cathode, and thermionic cathode manufactured by this process - Google Patents

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EP0081270B1
EP0081270B1 EP82201538A EP82201538A EP0081270B1 EP 0081270 B1 EP0081270 B1 EP 0081270B1 EP 82201538 A EP82201538 A EP 82201538A EP 82201538 A EP82201538 A EP 82201538A EP 0081270 B1 EP0081270 B1 EP 0081270B1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
cathode
layers
deposited
substrate
Prior art date
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Expired
Application number
EP82201538A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0081270A2 (en
EP0081270A3 (en
Inventor
Berthold Dr. Frank
Georg Dr. Gärtner
Hans Dr. Lydtin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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Filing date
Publication date
Application filed by Philips Patentverwaltung GmbH, Philips Gloeilampenfabrieken NV, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Patentverwaltung GmbH
Publication of EP0081270A2 publication Critical patent/EP0081270A2/en
Publication of EP0081270A3 publication Critical patent/EP0081270A3/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/04Manufacture of electrodes or electrode systems of thermionic cathodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/13Solid thermionic cathodes
    • H01J1/14Solid thermionic cathodes characterised by the material

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a thermionic cathode with an optionally preferred oriented polycrystalline cover layer made of a high-melting metal, which is deposited on layers below, the preferred orientation being determined in such a way that the work function from the emitter monolayer, which occurs during operation of the cathode spread on the top layer is minimal.
  • the invention further relates to a thermionic cathode which has been produced by this method.
  • a refractory metal is a metal that melts at a high temperature, e.g. B. W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, lr, Os, Pt, Rh, Ru, Th, Ti, V, Yb, Zr.
  • a method of the aforementioned type is known from DE-A-1 439 890.
  • thermionic cathodes with a support made of pyrolytic graphite and an electron-emitting body arranged thereon are problematic in three respects and are not very suitable for commercial use.
  • the main problem is the different thermal expansion coefficients of the support and the emitting cathode part.
  • pyrolytic graphite has a linear thermal expansion coefficient of 10- 6 K -1 with respect to its layer structure in a direction referred to as the a direction. In the c-direction perpendicular thereto on the other hand it amounts to 20 to 30. 10 -6 K -1, while for tungsten at 4.5 - 10-6 K-1 and thorium at 12 ⁇ 10 -6 K 1. Given the large temperature differences to which the cathodes are exposed during operation, this leads to a partial detachment of the emitting cathode part from the carrier.
  • an adhesive layer between the support and the emitting cathode part in which, for example, the coefficient of thermal expansion is an average of the coefficients of the substrate and the emitting cathode part, does not create a permanent connection at the usual operating temperatures of 2,000 K.
  • the second disadvantage is the diffusion of carbon into the crystal structure of the emitting cathode part, against which there are no suitable diffusion barriers at an operating temperature of 2,000 K.
  • tungsten carbide W 2 C and WC
  • W 2 C and WC tungsten carbide
  • ThC thorium carbide
  • This layer can either consist of a pure, high-melting metal such as W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, lr, Os, Pt, Rh, Ru, Th, Ti, V, Yb, Zr or should be a suitable one Have preferred orientation or it can be a high emission substance with preferred orientation, preferably a rare earth oxide, ZrC, ThC, UC 2 , UN, LaB 6 or NdB ⁇ .
  • a pure, high-melting metal such as W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, lr, Os, Pt, Rh, Ru, Th, Ti, V, Yb, Zr
  • the monoatomic emitter layer formed thereon by diffusion from the inside of the cathode or by adsorption from the vapor preferably consists of Th, Ba or Cs and, together with the preferred orientation, has a lower work function than that of the respective pure materials or monolayers on unoriented tungsten.
  • the cathodes produced in this way also have a number of disadvantages.
  • An important disadvantage is e.g. B. that first conventional cathodes must be produced by the usual powder metallurgical methods, which are then additionally coated with the preferred oriented CVD layer, with a number of surface treatment steps also having to be inserted to achieve the preferred orientation. The production of such cathodes is therefore very complex. Furthermore, the cathode shaping is very restricted due to the powder metallurgical production of the substrates.
  • thoriated wires are coated with 111 -oriented tungsten, which in turn can be used to produce a mesh cathode, but the method does not allow the production of a cylindrical unipotential cathode made of thoriated tungsten, since the correspondingly shaped substrate cathode is not powder metallurgy can be produced if it is also to be heated directly and effectively at the same time.
  • Another difficulty is that the recrystallization or crystal growth at longer operating times and normal operating temperatures (2,000 K with Th- [W] cathodes) leads to an increasing destruction of the preferred orientation, whereby the emission naturally drops.
  • the semiconducting oxide layer has the usual problems such as charge carrier depletion and lower resilience.
  • charge carrier depletion When borides are applied, the problem arises that the contact layers (border areas) to the metal base generally pulverize. Realizations of the methods known from this laid-open specification therefore do not provide any more suitable cathodes for UHF tubes.
  • dispenser cathodes with porous sintered bodies which are built up in layers in such a way that layers with high-melting metal such as tungsten or molybdenum and layers with emission-promoting material such as thorium or thorium compounds or alternate barium aluminate, the top layer of tungsten or molybdenum being a little thicker under the emitting surface and the base for the layer structure consisting of tungsten, molybdenum or carbon. It is important for the function of these cathodes that they are porous and that the emitting substance can easily reach the surface.
  • the layer-by-layer production only has the task of achieving a uniform distribution of the emitting substance in the storage area; the layers should even overlap or be interlocked by means of a coarse-grained structure.
  • Such cathodes are produced by sintering powder layers onto the support or also by (physical) vapor deposition of the support.
  • the present invention has for its object to provide a thermionic cathode which is suitable as a unipotential cathode for use in UHF and microwave tubes, and which has the advantages of a large-area cathode with largely freely selectable geometric shape, high emission current and stable high-frequency behavior over a long operating life.
  • the layers are preferably applied by reactive deposition such as. B. CVD process, pyrolysis, cathode sputtering, vacuum condensation or plasma sputtering.
  • W, Mo, Ta, Nb, Re and / or C are preferably used as the base material, the composition of the base material being the same or different in the individual layers.
  • a layer structure at least consisting of a high-melting metal and a substance with high electron emission as a monolayer, is successively used in a continuous process, e.g. B. deposited by reactive deposition from the gas phase (CVD method) of at least two components on a support, the support being removed after the deposition, so that a self-supporting whole CVD cathode is obtained.
  • a cathode - designed as a cylindrical unipotential cathode - is particularly suitable for transmitter and amplifier tubes at high frequencies and / or high powers.
  • the thermionic cathode produced according to the invention - the material of which is essentially high-melting metal, such as W, Mo, Ta, Nb and / or Re and / or carbon - consists of a very finely crystalline, mechanically stable carrier or base layer, a layer sequence which is highly enriched with emitting material and an optionally preferred oriented top layer, wherein all layers have been applied via the gas phase, preferably by CVD method, and the base has been removed after the deposition has ended.
  • a finely crystalline carrier layer made of high-melting metal with good mechanical properties and grain growth suppressed by doping is z. B. applied by reactive deposition from the gas phase (CVD process).
  • CVD process gas phase
  • a layer or a sequence of layers of alternating electron-emitting substance and base material the layer composition being varied by varying the gas flows, e.g. B. is controlled in the CVD deposition.
  • the cover layer is followed by a preferably preferred columnar layer made of a high-melting metal, the is protected by additives against grain growth and destruction of the preferred orientation.
  • the substrate or substrate preform is detached from the positive (ie the layer structure) and a self-supporting cathode with the desired properties, eg. B. in the form of a cylindrical, self-supporting, directly heated unipotential cathode with high emission and long life.
  • a self-supporting cathode with the desired properties eg. B. in the form of a cylindrical, self-supporting, directly heated unipotential cathode with high emission and long life.
  • the base preferably consists of an easily and precisely mouldable material which has little adhesion to the cathode material deposited thereon.
  • the substrate is removed according to the invention either by selective etching, mechanically or by evaporation when heated in vacuo, e.g. B. in a vacuum oven, or in a suitable gas atmosphere, such as. B. hydrogen, by burning or by a combination of the methods mentioned depending on the material used for the base.
  • the pad z. B. a body made of graphite, in particular pyrolytic graphite, or glass-like carbon, which is removed by mechanical processing, burning and / or mechanical-chemical micropolishing, or the base consists of copper, nickel, iron, molybdenum or an alloy with a predominant proportion on these metals and is mechanically by selective etching or initially in their predominant mass and in the remaining residues by evaporation with heating in vacuo, for. B. in a vacuum oven, or under a suitable gas atmosphere, e.g. B. removed under hydrogen.
  • the base used for the method according to the invention must be coated with the layer material, i.e. H.
  • Graphite advantageously fulfills this requirement.
  • Graphite for example polycrystalline electrographite, is easy to machine mechanically, so that even complicated moldings can be produced easily.
  • electrographite is porous, a thin layer of pyrolytic graphite is deposited on the preforms made from it, which is practically non-porous and is a good base for the deposition of the cathode material.
  • the cathode can be pulled off the graphite shaped body very simply and with only a small force by pulling or pushing in the direction of the layering axis (a-axis) of the pyrolytic graphite.
  • a reliable detachment is achieved by taking advantage of the different thermal expansion coefficients of the graphite base and the cathode formed, for example, from tungsten. Since tungsten expands more than graphite in the heat, the finished cathode is split by heating to z. B. from 300 ° C above the deposition temperature.
  • the desired cleavage is obtained in an even simpler manner by cooling to room temperature.
  • Another simple method for removing graphite, for example in inaccessible places, is by burning it off. Micropolishing results in particularly clean and uniform surfaces.
  • Underlay molded articles made of copper or nickel are also easy to machine and can be removed. Copper is initially mostly mechanically removed, e.g. B. by machining. Copper residues can be removed in a vacuum furnace by evaporation at 1,800 to 1,900 ° C or, like nickel, by selective etching or micropolishing.
  • Copper supports can be removed in a solution of 200 g FeCI 3 1 IH 2 0 at a working temperature of 50 ° C.
  • Molybdenum supports are preferably immersed in a boiling solution from one part of the room HN0 3 , HCI and H 2 0 etched away.
  • a thermionic cathode produced by the method according to the invention is self-supporting and flat and has a thickness of 50 4 m to 500 ⁇ m, preferably 100 to 150 ⁇ m, it being also possible to achieve greater thicknesses without problems.
  • the second possibility of structural stabilization is the deposition of wafer-thin crystallite growth-inhibiting intermediate layers.
  • tungsten is again to be used, the deposition of which from the gas phase is repeatedly interrupted by throttling the WF 6 + H 2 gas stream.
  • alternating carrier gas with z. B. initiated an organometallic thorium compound from a saturator, so that, for. B. a Th0 2 intermediate layer is deposited.
  • a similar effect can be achieved by carbon deposition in the intermediate layer at a very high saturator temperature.
  • the thickness of the tungsten layers is of the order of 1 ⁇ m, the derthorium or carbon-containing intermediate layers significantly less (about 0.2 ⁇ m).
  • the third method is based on the fact that the base material is deposited together with a doping material which has a negligibly low solubility in solid in the crystal lattice of the base material. For example, tungsten is deposited with 2% Th0 2 to produce the layers. Such a separation from the gas phase (multi-component CVD process) results in an extremely fine and uniform distribution of the admixture in the layer material.
  • the bending strength of the layer material is significantly increased, in the example of the tungsten doped with 2% Th0 2 approximately doubled, on the other hand, the addition mentioned inhibits the crystal growth in the layer material at operating temperatures and thereby causes a stabilization of the crystal structure, in particular the grain size, which preferably Values of approximately 1 ⁇ m and below are set, and the preferred orientation of the crystals over longer operating times.
  • He f indungsge- MAESSEN cathodes reach a service life of 10 4 hours through said admixture, namely at übljchen operating conditions and increased emission rates.
  • the carrier layer i. H. the load-bearing base layer
  • the mechanical strength is about three times greater than that of the pure CVD material.
  • the dopants which are practically insoluble in the base metal, are either finely dispersed simultaneously or alternately in a high-frequency layer sequence by CVD, excessive germ growth is interrupted again and again. In particular, this foreign doping strongly inhibits grain growth under normal operating temperatures, so that the mechanical stability is also guaranteed over a longer service life.
  • the stabilization of the base material is achieved in addition to the exemplary addition of Th0 2 in tungsten by other substances, provided that they have a small or negligible solid solubility in tungsten (e.g. scandium, yttrium) and their melting point above 2,000 K. lies.
  • These substances include in particular Zr, Zr0 2 , Ru, U0 2 , SC 2 0 3 and Y 2 0 3 , which can moreover advantageously be separated from the gas phase simultaneously with the layer material.
  • Structural stabilization of the carrier layer that is to say the base, can only be brought about by correspondingly small additions, which as a rule do not have to be identical to the emitting substance.
  • additional layers with a significantly higher doping concentration of emitting substance are required.
  • a supply and subsequent delivery layer with a high doping concentration of emissive substance is therefore applied to the structure-stabilized base.
  • This subsequent delivery area expediently consists of a high-frequency layer sequence, layers with emitting material alternating with layers of base material in such a way that these layers are still mechanically sufficiently stable and adhere well to the CVD carrier layer and at the same time have a high mean emitter concentration in the subsequent delivery area of preferably 10 to 20% by weight.
  • This layer sequence is produced according to the invention by reactive deposition from the gas phase with temporal variation of the parameters, in particular the flow rates of the gases involved in the reaction and / or the substrate temperature.
  • the variation in time of the CVD parameters is preferably periodic, in particular alternating between the optimal parameters for deposition of the emitting substance and those for CVD of the base material.
  • a corresponding change in the respective gas flow rates is usually sufficient; in some cases, however, the substrate temperature must also be lowered and raised appropriately.
  • the electron-emitting substance is preferably selected from the scandium group (Sc, Y, La, Ac. Lanthanides, actinides) and in metal, oxide, boride and / or carbide form with the base material, preferably W, Mo, Nb, Ta, Re , separated from the gas phase.
  • the following combinations of substances in particular serve as the emissive substance + base material: ThtTh0 2 + W, ThtTh0 2 + Nb, ThB 4 + Re, Y / Y 2 0 3 + Ta, Y 2 0 3 + Nb, or it is called emitting substances Sc 2 0 3 , Y 2 0 3 or La 2 0 3 in combination with molybdenum or tungsten as the base material.
  • ThB 4 is preferably enriched by pyrolysis of Th (BH 4 ) 4 , e.g. B. argon as carrier gas, applied to a layer of rhenium with an underlying structure-stabilized tungsten carrier at substrate temperatures greater than / equal to 300 ° C.
  • Th (BH 4 ) 4 e.g. B. argon as carrier gas
  • a further improvement in the cathode properties can be achieved by additionally depositing an activator component, preferably boron or carbon, to release the emitter in atomic form, and also a diffusion-enhancing component using the CVD method.
  • an activator component preferably boron or carbon
  • Pt, Os, Ru, Rh, Re, Ir or Pd in concentrations of 0.1 to 1% by weight are preferably used as diffusion-promoting or reinforcing constituents for the emitting substance.
  • Tungsten and thorium or Th0 2 are preferably allowed to alternate or simultaneously from WF 6 + H 2 and Th-diketonate, in particular Th-acetylacetonate, preferably Th-trifluoroacetylacetonate or Th-hexafluoroacetylacetonate, but also Th-heptafluorodimethyloctanedione or Th-dipivaloylmethane, at temperatures grow between 400 ° C and 650 ° C by reactive deposition from the gas phase, the organometallic Th starting compound being in powder form in a saturator which is heated to a temperature close to the respective melting point and by an inert gas, in particular argon, as Carrier gas is flowed through.
  • Th-acetylacetonate preferably Th-trifluoroacetylacetonate or Th-hexafluoroacetylacetonate, but also Th-heptafluorodimethyloctanedi
  • the layer structure of the subsequent delivery area is generally designed such that the layer thicknesses of the base material layers are approximately 1 to 10 ⁇ m and that of the emitting substance is approximately 0.1 to 1 ⁇ m.
  • the subsequent delivery area with emissive substance is applied in the form of a layer sequence by means of a CVD method to a structure-stabilized doped CVD carrier layer of 30 to 300 ⁇ m thickness, in particular one layer of high-melting Alternates metal with small additions of electron-emissive material and optionally stabilizing doping with one with high concentrations of electron-emissive material, which is somewhat thinner, the layer spacings being of the order of the grain sizes.
  • the individual layer thickness is 0.5 to 10 ⁇ m at a concentration of the emitting substance of up to 5% by weight and 0.1 to 2 ⁇ m at a concentration of the emitting substance of 5 to 50% by weight.
  • the average concentration of emissive substance is preferably 15 to 20% by weight.
  • a preferential cover layer is then applied to the subsequent delivery area, which guarantees increased emissions.
  • This cover layer can consist of the same material as the base, or of a further material which is selected such that the work function for the combination of emitter monolayer cover layer is even lower than that of the emitter-base combination.
  • the cover layer consists of a metal with a high work function, which reduces the work function accordingly by means of a high dipole moment between the emitter film and the cover layer.
  • This dipole moment to the electropositive emitter film is not only dependent on the material, but also on its crystallite surface orientation.
  • a with To further strengthen this subtractive dipole field and thereby increase the emission is now to apply a suitably oriented polycrystalline surface layer instead of an untextured surface.
  • This preferred orientation can practically only be achieved by deposition from the gas phase on suitably pretreated surfaces.
  • 111 is the preferred preferred orientation for tungsten.
  • the applied surface layer must also meet other conditions. An important additional condition is that it must be very fine crystalline. The reason is as follows.
  • the diffusion of the emissive substances supplied from the inside to the cathode surface takes place along the grain boundaries.
  • the number of grain boundaries must not be too small and the diffusion paths along the surface of the surface must not be too long.
  • This recrystallization is prevented analogously to the mechanical stabilization of the support layer by adding a substance which is insoluble in the crystal lattice of the cover layer material and which is simultaneously separated from the gas phase.
  • a substance which is insoluble in the crystal lattice of the cover layer material which is simultaneously separated from the gas phase.
  • doping with Th, Th0 2 , Zr, Zr0 2 , U0 2 , Y, Sc, Y 2 0 3 , SC 2 0 3 and Ru are suitable because of their low solubility in tungsten. If one assumes a working temperature of 2,000 K (ie the melting point of the doping must be higher) and demands easy handling, Th0 2 , Zr0 2 , Y 2 0 3 , Sc 2 0 3 and Ru remain as preferred CVD doping .
  • the doping can in particular also be identical to the emitting substance if Th, Y or Sc form the emitter monolayer.
  • the prevention of crystallite growth also means a stabilization of the texture, which in the majority of cases is destroyed without doping in the activation phase of the cathode.
  • the destruction of the texture at higher operating temperatures probably occurs in pure materials by the fact that minority crystallites grow strongly at the expense of the preference-oriented majority, or that crystallite growth starts from the unoriented base.
  • cathodes with a preferred top layer - which also means a higher emission than conventional cathodes - can be produced, which also have a correspondingly long service life.
  • the preferred oriented cover layer ensures a very low electron work function from the surface dipole layer and, thanks to its fine crystalline structure, also ensures good coverage with the monoatomic emitter film. It is also texture stabilized by low insoluble doping.
  • an inner coating of a suitable hollow body can also be carried out.
  • the layers are applied in an inverted order, that is to say first the preferred oriented cover layer is separated, then the subsequent delivery zone and finally the mechanically stable load-bearing base, that is to say the carrier layer. Finally, the finished cathode body becomes direct with current leads provided heating.
  • the advantages of the invention are that large-area thermionic cathodes with high emission currents, stable high-frequency behavior and freely selectable geometric shape and long service life are available, which are suitable for automated large-scale production with low manufacturing costs without the many time-consuming process steps as with mesh cathodes.
  • CVD process the complex and difficult mechanical processing of the known high-melting and very hard cathode materials, for example tungsten, is avoided and at the same time an almost arbitrary layer structure can be produced.
  • the layer structure is applied in such a way that the three layers a, ⁇ and y mentioned above are identical. This ensures that a single layer takes over the functions of layers a, ⁇ and y.
  • This single layer has a suitable texture and a high emitter and doping concentration; due to the finely divided doping, it is also texture stabilized, microstructure stabilized and mechanically stable under thermal stress.
  • the cathodes produced according to the invention are distinguished by the combination of a long service life, high emitter concentration and great mechanical stability.
  • the arrangement shown in FIG. 1 is located inside a device, known in principle, for the reactive separation of substances from the gas phase (CVD reactor), which consists of a gas supply system with mass flow controllers, a reaction chamber and a gas disposal system.
  • the pyrolytic graphite of the base 1 is layered parallel to the inner surface, i. H. the crystallographic c-axis lies in the direction of the surface normal of the lateral surface.
  • the graphite cylinder can also be heated by direct current passage through the cylinder.
  • the cathode 4 is formed in the CVD process by growing on the inner lateral surface of the base 1 in an inverted order of the layers of the cathode, i. that is, the later surface layer of the cathode is deposited first and finally the later inner support layer of the cathode.
  • the base 1 is heated to a temperature of 550 to 600 ° C, the reaction gases are introduced at a pressure of about 50 mbar.
  • the hydrogen serves as a reducing gas for the metal compounds.
  • the thorium acetylacetonate is in powder form in a saturation vessel, which is kept at a temperature of 160 ° C and is flushed out by the Ar serving as the carrier gas.
  • the reaction gases are mixed in a mixing chamber, which is heated to a temperature of approximately 180 ° C., and passed through a nozzle onto the surface of the substrates.
  • the electron-emissive material is enriched Subsequent delivery layer 6 deposited.
  • an argon flow rate of about 85 cm 3 / min is set at flow rates of about 15 cm 3 / min for WF 6 or 150 cm 3 / min for H 2 .
  • a W layer is formed with an admixture of about 20% Th0 2 - possibly with the help of an additional oxidizing gas such as CO 2 .
  • the layer After a deposition time of approximately 100 minutes, the layer reaches a thickness of approximately 40 ⁇ m.
  • a carburization as with conventional thoriated tungsten cathodes is not necessary because enough carbon from Th C 20 H 28 O 8 is already deposited.
  • Another solution also practiced for the subsequent delivery area is to grow Th (Th0 2 ) and W layers alternately, the WF s flow rate in particular between 10 and 60 cm 3 / min and the Ar rate between 85 and 30 cm 3 / min changes.
  • the H 2 rate is usually ten times the WF s rate and the intervals are 1 min for W and about 5 min for Th layers, which are then about 4 or 1 ⁇ m thick.
  • the supporting cathode part 5 is then produced with a layer thickness of approximately 50 to 100 ⁇ m.
  • the initial flow rates are set again, this time at a temperature of 500 ° C, or the parameters of the layer sequence of the subsequent delivery area are switched over in quick succession, the duration of the W intervals being 20 s each and that of the Th intervals being about 1 min is.
  • a pure W layer of about 10 ⁇ m can then be deposited as the top layer.
  • a computer control of the gas volume flow controller is generally used for the fast switching processes between different parameter sets.
  • a high-frequency modulation of all flow rates is recommended, in particular, in order to achieve uniformly thick layers within the graphite tube.
  • the substrate and cathode are slowly cooled to room temperature. Due to the different thermal expansion coefficients of the two materials and the poor adhesion of the tungsten to pyrolytic graphite, the thoriated tungsten cathode 4 shrinks and cools when it is cooled by over 500 ° C in diameter by about 10 ⁇ m more than the underlay hollow cylinder 1. Because of the gap 10 formed, the tungsten-thorium cathode is pulled out of the underlay cylinder with ease. Since the inner cylinder surface of the base consists of pyrolytic graphite with a very smooth, uniform surface, the outer surface of the finished cathode has a high surface quality without polishing, which is also not influenced by irregularities in the deposited layers.
  • the finished tubular cathode body is cut perpendicular to its longitudinal axis into several short tube sections, for. B. with a laser beam. Each of the sections then forms the cathode of a tube.
  • the top layer 7 is a 111> preferred oriented, polycrystalline W layer with average grain sizes of about 1 to 2 microns. It has a thickness of about 10 microns and is doped with about 1% finely dispersed Th0 2 . Below this is the approximately 50 ⁇ m thick subsequent delivery area 6, which consists of individual layers 9 of 2 ⁇ m 1% thoriated W, with intermediate layers 8 of 0.2 ⁇ m with approximately 20 to 40 mol% Th0 2 and a carbon enrichment of the same order of magnitude.
  • the high-frequency layer sequence serves to stabilize the grain structure and to preserve grain sizes from 1 to 2 ⁇ m.
  • the subsequent delivery area 6 forms the base B together with the load-bearing part 5.
  • it consists entirely of W with 1% ThO 2 .
  • 1% Zr0 2 or 1% Sc 2 O 3 is also used for mechanical and structural stabilization against thermal stress.
  • All layers 5 to 9 are produced by deposition from the gas phase on a base made of Mo or graphite. The underlay is removed again after the coating.
  • Fig. 3b shows in addition to Fig. 3a again the Th0 2 and C concentration profile over the cathode cross section.
  • Ar is the carrier gas for thorium acetylacetonate Th (C 5 H 7 0 2 ) 4 , with which it has accumulated after flowing through a saturator which is heated to a temperature of 160 ° C.
  • the other gases that flow through the reactor are H 2 , the flow rate of which is about 10 times higher than that of WF 6 , and N 2 , which serves as a purge gas for an observation window.
  • the substrate temperature is measured with a radiation pyrometer through the observation window and kept constant at a value of approximately 500 ° C.
  • the average pressure in the reactor is in the range from 10 to 100 mbar, preferably 40 mbar.
  • the reactor itself is at a temperature of approximately 180 ° C.
  • Fluorinated thorium acetylacetonate is even more suitable for Th-CVD than Th (C 5 H 7 O 2 ) 4 .
  • Other special organometallic compounds with higher vapor pressure such as. B. Th-dipivaloylmethane or Th-heptafluorodimethyloctanedione are also suitable.
  • Th0 2 as an emitter material can be replaced by rare earth metals without significant changes, preferably by Ce0 2 , Sm 2 0 3 , Eu 2 0 3 , Y 2 0 3 , while doping W for mechanical-thermal stabilization sation Th0 2 or Zr0 2 or S C2 0 3 can still be used.
  • the re-deposition is ended by slowly reducing the gas flow from ReF 6 and H 2 until after 2 minutes the inflow of these gases has been completely prevented. Simultaneously with this reduction in the gas inflow, the substrate temperature is set to 400 ° C. and Th (BH 4 ) 4 is fed to the substrate with Ar as the carrier gas, the Ar flow rate being approximately 90 cm 3 / min. Th (BH 4 ) 4 is in powder form in a saturator heated to about 190 ° C. The reactor temperature should be 200 to 210 ° C during the deposition. By pyrolytic decomposition, a 30 ⁇ m thick layer 6 of ThB 4 is deposited on the re-layer 7 within about 40 minutes.
  • the substrate and cathode are slowly cooled to room temperature, the entire cathode shrinking away from the substrate 1 and a gap 16 forming, as described in Example 1.
  • Fig. Shows a finished cathode according to this embodiment.
  • the cylindrical cathode body 4 produced in the CVD system is divided into several sections perpendicular to its longitudinal axis with a laser beam.
  • a circular disk 18 of the same diameter made of tungsten or molybdenum is attached to the edge 17 of one of these sections 4 by spot welding.
  • This circular disk carries in its center a pin 19, also made of tungsten or molybdenum, which is used for supplying the heating current and which is aligned in such a way that its longitudinal axis coincides with the cylinder axis.
  • the heating current is dissipated again via the edge 20 of the cylinder jacket 4 facing away from the disk 18.
  • the cathode is etched for about 30 s in a solution of 0.1 IH 2 0 + 10 g potassium ferricyanide + 10 g potassium hydroxide and the outer layer 15 made of tungsten is thereby removed.
  • the (preferred-oriented) re-layer 7 is also optionally removed.
  • an essentially monoatomic, electron-emitting layer of Th is formed on the surface of the exposed ThB 4 layer (or on the Re layer) by diffusion of the Th.
  • the base is formed by a hollow cylinder made of nickel 21, which is closed off in the direction of flow and which is heated via a central power supply pin and a current discharge via the cylinder jacket, is heated directly or indirectly via a W coil 22 and on the outer surface of which the cylindrical cathode body 4 is deposited.
  • tungsten is deposited as the first layer, which is doped with 1% Th0 2 and is produced by the same method as the innermost layer 5 of Example 1, with an 80 ⁇ m thick layer in 20 minutes at 600 ° C forms.
  • the base 21 is then detached from the cathode 4 in the manner described by selective etching, the last deposited Re layer 7 protecting the ThB 4 layer 6 from attack by the etching solution.
  • a mixture of HN0 3 , H 2 0 and H 2 0 2 in a mixing ratio of 6: 3: 1 1 parts by volume or an aqueous solution of 220 g Ce (NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 and 110 ml is used as the etchant for nickel HN0 3 on 1 IH 2 0 used.
  • Contacting the cathode body and, optionally, the final removal of the re-layer 7 then take place, as shown in exemplary embodiment 2.
  • B. can be ensured by a Mo feed pin and a Mo cover plate, which are not attacked during the etching.
  • the Re layer usually remains on the cathode surface.
  • Example 1 The device described in Example 1 is used.
  • a cathode is produced in which the layer 7 extends over the entire cathode body.
  • the pad 1 is heated to 650 ° C; the total pressure in the reaction chamber is 67 mbar.
  • a fine-crystalline tungsten layer with a preferred orientation in the 1.1.1 > direction with respect to the surface of the substrate, doped with 2% by weight Th0 2 to stabilize the microstructure, is produced by reactive deposition from the gas phase onto the inside of a cylinder pyrolytic graphite applied until the layer reaches a thickness of 150 microns.
  • the corresponding flow rates of the gases supplied are 20 cm 3 / min for WF s , 150 cm 3 / min for H 2 and 100 cm 3 / min for Ar saturated with Th-diketonate, the saturator being at a temperature just below the melting point of the organometallic Th connection is kept.
  • the dopant Th0 2 serves as an emissive substance and at the same time ensures the microstructural and mechanical stabilization of the cathode.
  • the invention thus provides a cathode which hitherto only combines singular advantages of known types of cathode, the layer sequence of which is produced entirely via the gas phase in a single operation with variation of the parameters and which is designed to be self-supporting. has a continuous and large surface area (without deliberately created holes, such as mesh cathodes) and is therefore suitable as a unipotential cathode and in which the mostly deleterious interaction with the substrate is avoided by the substrate detachment after the deposition.
  • the cantilever design is made possible by simultaneously with deposited structure-stabilizing (insoluble) additives, which additives in a similar form also stabilize the texture of the preferred oriented top layer and make the advantage of high electron emission with a suitably adjusted preferred orientation available even for long lifetimes or operating times.
  • the high emission and long lifespan are also due in particular to the high doping concentration with emissive substance in the subsequent delivery and storage area, which has not previously been possible with powder metallurgy methods for any substrate shape, as well as the finely crystalline structure of the top layer with average grain diameters ⁇ 1 wm, which is a good subsequent delivery of the emissive substance through grain boundary diffusion to the surface, good monoatomic surface coverage even at higher temperatures and low desorption rates guaranteed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer thermionischen Kathode mit einer gegebenenfalls vorzugsorientierten polykristallinen Deckschicht aus einem hochschmelzenden Metall, die auf darunterliegenden Schichten niedergeschlagen wird, wobei die Vorzugsorientierung derart festgelegt ist, daß die Austrittsarbeit aus der Emitter-Monoschicht, die sich bei Betrieb der Kathode auf der Deckschicht ausbreitet, minimal ist.The invention relates to a method for producing a thermionic cathode with an optionally preferred oriented polycrystalline cover layer made of a high-melting metal, which is deposited on layers below, the preferred orientation being determined in such a way that the work function from the emitter monolayer, which occurs during operation of the cathode spread on the top layer is minimal.

Die Erfindung betrifft ferner eine thermionische Kathode, die nach diesem Verfahren hergestellt worden ist.The invention further relates to a thermionic cathode which has been produced by this method.

Ein hochschmelzendes Metall ist ein Metall, das bei einer hohen Temperatur schmilzt, z. B. W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, lr, Os, Pt, Rh, Ru, Th, Ti, V, Yb, Zr.A refractory metal is a metal that melts at a high temperature, e.g. B. W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, lr, Os, Pt, Rh, Ru, Th, Ti, V, Yb, Zr.

Ein Verfahren der zuvor genannten Art ist aus der DE-A-1 439 890 bekannt.A method of the aforementioned type is known from DE-A-1 439 890.

Ein Überblick über die wichtigsten Typen von thermionischen Monoschichtkathoden und deren Wirkungsweise wird in Vacuum 19 (1969) 353-359 gegeben. Die Probleme bei Hochleistungskathoden für UHF-Röhren werden in der DE-B-2 415 384 erörtert, besonders im Hinblick auf die bisher verwendeten Maschenkathoden. Aus der letztgenannten Auslegeschrift läßt sich die (dort nicht angegebene) Schlußfolgerung ziehen, daß zylinderförmige Unipotentialkathoden die idealen Kathoden für UHF-Röhren sind, sofern das gewählte emittierende System bereits den übrigen Randbedingungen beim Einsatz in Hochfrequenzröhren genügt.An overview of the most important types of thermionic monolayer cathodes and their mode of action is given in Vacuum 19 (1969) 353-359. The problems with high-performance cathodes for UHF tubes are discussed in DE-B-2 415 384, particularly with regard to the mesh cathodes previously used. From the last-mentioned design specification, the conclusion (not specified there) can be drawn that cylindrical unipotential cathodes are the ideal cathodes for UHF tubes, provided the selected emitting system already meets the other boundary conditions when used in high-frequency tubes.

Um die Probleme bezüglich Emission und Streuimpedanz bei den bisher verwendeten thorierten Maschenkathoden zu vermeiden, sind in der DE-A-2732960 und später in der DE-B-2838020 direkt geheizte Unipotential-Kathoden für Elektronenröhren mit koaxialem Aufbau der Elektroden angegeben worden, die aus einem Hohlzylinder aus pyrolytischem Graphit und einer dünnen Metallschicht als Emissionsschicht bestehen. Die dünne Metallschicht soll dabei aus Wolframkarbid und Thorium bzw. Thoriumoxid bestehen. In einem der zur Herstellung vorgesehenen Verfahren wird Wolfram-Thorium aus der Gasphase auf dem Hohlzylinder aus pyrolytischem Graphit abgeschieden. Derartige durch Chemical Vapor Deposition (CVD-Verfahren) hergestellte Schichten werden nachfolgend auch als « CVD-Schichten bezeichnet.In order to avoid the problems relating to emission and stray impedance in the previously used thoriated mesh cathodes, directly heated unipotential cathodes for electron tubes with a coaxial structure of the electrodes have been specified in DE-A-2732960 and later in DE-B-2838020 a hollow cylinder made of pyrolytic graphite and a thin metal layer as an emission layer. The thin metal layer should consist of tungsten carbide and thorium or thorium oxide. In one of the processes provided for the production, tungsten thorium is deposited from the gas phase on the hollow cylinder made of pyrolytic graphite. Layers of this type produced by chemical vapor deposition (CVD process) are also referred to below as “CVD layers.

Es wurde jedoch gefunden, daß thermionische Kathoden mit einem Träger aus pyrolytischem Graphit und einem darauf angeordneten elektronenemittierenden Körper in dreifacher Hinsicht problematisch und für einen kommerziellen Einsatz nur wenig geeignet sind.However, it has been found that thermionic cathodes with a support made of pyrolytic graphite and an electron-emitting body arranged thereon are problematic in three respects and are not very suitable for commercial use.

Das Hauptproblem besteht in den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers und des emittierenden Kathodenteils. Z. B. hat pyrolytischer Graphit in einer als a-Richtung bezeichneten Richtung bezüglich seines Schichtengefüges einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10-6 K-1. In der c-Richtung senkrecht dazu beträgt er dagegen 20 bis 30. 10-6 K-1, während er für Wolfram bei 4,5 - 10-6 K-1 und für Thorium bei 12 · 10-6 K-1 liegt. Bei den starken Temperaturunterschieden, denen die Kathoden im Betrieb ausgesetzt sind, führt das zu einer teilweisen Ablösung des emittierenden Kathodenteils vom Träger. Auch eine Haftschicht zwischen Träger und emittierendem Kathodenteil, bei der beispielweise der thermische Ausdehnungskoeffizient ein Mittelwert der Koeffizienten des Substrats und des emittierenden Kathodenteils ist, schafft bei den üblichen Betriebstemperaturen von 2 000 K keine dauerhafte Verbindung.The main problem is the different thermal expansion coefficients of the support and the emitting cathode part. For example, pyrolytic graphite has a linear thermal expansion coefficient of 10- 6 K -1 with respect to its layer structure in a direction referred to as the a direction. In the c-direction perpendicular thereto on the other hand it amounts to 20 to 30. 10 -6 K -1, while for tungsten at 4.5 - 10-6 K-1 and thorium at 12 · 10 -6 K 1. Given the large temperature differences to which the cathodes are exposed during operation, this leads to a partial detachment of the emitting cathode part from the carrier. Even an adhesive layer between the support and the emitting cathode part, in which, for example, the coefficient of thermal expansion is an average of the coefficients of the substrate and the emitting cathode part, does not create a permanent connection at the usual operating temperatures of 2,000 K.

Der zweite Nachteil ist die Diffusion von Kohlenstoff in das Kristallgefüge des emittierenden Kathodenteils, gegen die es bei einer Betriebstemperatur von 2 000 K keine geeigneten Diffusionsbarrieren gibt. Im Falle einer Kathode mit einem Träger aus pyrolytischem Graphit und einem emittierenden Kathodenteil aus thoriertem Wolfram bildet sich Wolframkarbid (W2C und WC), das über unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten wiederum eine Ablösung bewirkt. Zum dritten entsteht Thoriumkarbid (ThC), das sich bevorzugt entlang der Korngrenzen der Wolframkristalle einlagert und die Diffusionswege des Thoriums zur emittierenden Oberfläche verstopft. Dadurch wird die für die laufende Ergänzung der monoatomaren Thoriumschicht auf der emittierenden Oberfläche notwendige Diffusion des Thoriums zur Oberfläche unterbrochen. wodurch sich die Emissionsstromdichte stark verringert. Die Lebensdauer der Kathoden ist daher nur kurz.The second disadvantage is the diffusion of carbon into the crystal structure of the emitting cathode part, against which there are no suitable diffusion barriers at an operating temperature of 2,000 K. In the case of a cathode with a support made of pyrolytic graphite and an emitting cathode part made of thoriated tungsten, tungsten carbide (W 2 C and WC) is formed, which in turn causes detachment via different expansion coefficients. Thirdly, thorium carbide (ThC) is formed, which is preferentially deposited along the grain boundaries of the tungsten crystals and clogs the diffusion paths of the thorium to the emitting surface. This interrupts the diffusion of the thorium to the surface, which is necessary for the continuous addition of the monoatomic thorium layer on the emitting surface. which greatly reduces the emission current density. The service life of the cathodes is therefore only short.

Die geringe mechanische Stabilität und kolumnare Struktur der abgeschiedenen CVD-Schichten macht jedoch auch die Herstellung von freitragenden Kathoden ohne Träger aus pyrolytischem Graphit normalerweise unmöglich.However, the low mechanical stability and columnar structure of the deposited CVD layers normally make it impossible to produce self-supporting cathodes without a support made of pyrolytic graphite.

Beliebig gekrümmte Kathodenoberflächen, wie sie z. B. in Form einer zylinderförmigen Unipotentialkathode angestrebt werden, sind in der Regel nur mit polykristallinem Material zu realisieren. Es ist nun bekannt, daß bei Einphasen- wie auch bei Monoschichtkathoden die ElektronenAustrittsarbeit vor der Art der jeweiligen Kristallebene an der Oberfläche abhängt. Veerschiedene Oberflächenorientierungen ergeben stark unterschiedliche Elektronenemissionen.Arbitrarily curved cathode surfaces, as z. B. in the form of a cylindrical unipotential cathode are usually only realized with polycrystalline material. It is now known that in single-phase as well as monolayer cathodes, the electron work function depends on the surface before the type of the respective crystal plane. Different surface orientations result in very different electron emissions.

In der Regel entstehen bei den bisher üblichen Herstellungsverfahren, wie z. B. Pulvermetallurgie, Kathoden aus polykristallinen Oberflächen mit statistisch orientierten Kristalliten. Demnach emittieren einige wenige Kristallite bzw. monoschichtbedeckte Kristallite mit entsprechend günstiger Orientierung sehr stark, wobei der weitaus größere Teil der Kristallite jedoch kaum zur Emission beiträgt.Usually arise in the usual manufacturing processes such. B. powder metallurgy, cathodes of polycrystalline surfaces with statistically oriented crystallites. Accordingly, a few crystallites or monolayer-covered crystallites with a correspondingly favorable orientation emit very strongly, but the far larger part of the crystallites hardly contributes to the emission.

Die Züchtung von Kristalliten mit derjenigen Orientierung, die z. B. bei einer Monoschichtdeckung die niedrigste Austrittsarbeit aufweist, führt folglich zu einer immensen Steigerung der Emissionsstromdichte.The growth of crystallites with that Orientation that z. B. has the lowest work function in a monolayer coverage, consequently leads to an immense increase in the emission current density.

Aus der bereits erwähnten DE-A-1 439 890 sind nun solche Kathoden mit vorzugsorientierten polykristalliner Oberfläche und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt. « Vorzugsorientiert » soll dabei bedeuten, daß fast alle Kristallitoberflächen zur Emission beitragen und eine solche Kristallebene an der Oberfläche haben, daß die Normale zu dieser Ebene und die Normale zur makroskopischen Kathodenoberfläche an dieser Stelle innerhalb eines spezifizierten Winkels liegen. Einige der wenigen Möglichkeiten, eine solche vorzugsorientierte polykristalline Oberfläche herzustellen, ist nun nach obigem Dokument die chemische Abscheidung aus der Gasphase, wobei bestimmte Kombinationen der Abscheideparameter, vor allem von Substrat-Temperatur und Durchflußraten des Gasgemischs, einzuhalten sind. Als Substrat wird dabei im allgemeinen eine konventionelle Kathode verwendet, auf die dann zusätzlich per CVD-Verfahren eine polykristalline Schicht aufgebracht wird. Diese Schicht kann entweder aus einem reinen, hochschmelzenden Metall wie W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, lr, Os, Pt, Rh, Ru, Th, Ti, V, Yb, Zr oder aus C bestehen und soll eine geeignete Vorzugsorientierung aufweisen oder sie kann ein Stoff hoher Emission mit Vorzugsorientierung sein, vorzugsweise ein Oxid der Seltenen Erden, ZrC, ThC, UC2, UN, LaB6 oder NdBε.From the already mentioned DE-A-1 439 890 such cathodes with a preferred oriented polycrystalline surface and a process for their production are known. "Preferred oriented" is intended to mean that almost all crystallite surfaces contribute to the emission and have such a crystal plane on the surface that the normal to this plane and the normal to the macroscopic cathode surface lie at a specified angle at this point. According to the above document, some of the few possibilities for producing such a preferred-oriented polycrystalline surface is chemical deposition from the gas phase, whereby certain combinations of the deposition parameters, especially substrate temperature and flow rates of the gas mixture, must be observed. A conventional cathode is generally used as the substrate, to which a polycrystalline layer is then additionally applied by means of the CVD method. This layer can either consist of a pure, high-melting metal such as W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, lr, Os, Pt, Rh, Ru, Th, Ti, V, Yb, Zr or should be a suitable one Have preferred orientation or it can be a high emission substance with preferred orientation, preferably a rare earth oxide, ZrC, ThC, UC 2 , UN, LaB 6 or NdBε.

Insbesondere bevorzugt bei sämtlichen Ausführungsbeispielen ist eine polykristalline Wolframdeckschicht auf der Kathode mit der kristallographischen 111 v-Ebene an der Oberfläche. Die darauf sich durch Diffusion aus dem Kathodeninnern oder durch Adsorption aus dem Dampf bildende monoatomare Emitterschicht besteht bevorzugt aus Th, Ba oder Cs und bewirkt zusammen mit der Vorzugsorientierung eine niedrigere Austrittsarbeit als die der jeweiligen reinen Materialien bzw. Monoschichten auf unorientiertem Wolfram.Particularly preferred in all of the exemplary embodiments is a polycrystalline tungsten cover layer on the cathode with the crystallographic 111 v plane on the surface. The monoatomic emitter layer formed thereon by diffusion from the inside of the cathode or by adsorption from the vapor preferably consists of Th, Ba or Cs and, together with the preferred orientation, has a lower work function than that of the respective pure materials or monolayers on unoriented tungsten.

Jedoch auch die so hergestellten Kathoden weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Ein wichtiger Nachteil ist z. B., daß zunächst konventionelle Kathoden nach den üblichen pulvermetallurgischen Methoden hergestellt werden müssen, die dann zusätzlich mit der vorzugsorientierten CVD-Schicht überzogen werden, wobei zur Erzielung der Vorzugsorientierung noch zusätzlich eine Reihe von Oberflächenbearbeitungsschritten eingeschoben werden müssen. Die Herstellung solcher Kathoden ist also sehr aufwendig. Weiterhin ist die Kathodenformgebung durch die pulvermetallurgische Herstellung der Substrate sehr eingeengt. So werden nach der DE-A-1 439 890 zwar thorierte Drähte mit 111 -orientiertem Wolfram überzogen, woraus sich wiederum eine Maschenkathode herstellen läßt, jedoch erlaubt das Verfahren nicht die Herstellung einer zylinderförmigen Unipotentialkathode aus thoriertem Wolfram, da die entsprechend geformte Substratkathode nicht pulvermetallurgisch herstellbar ist, falls sie gleichzeitig auch noch direkt und effektiv geheizt werden soll. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß die Rekristallisation bzw. das Kristallwachstum bei längeren Betriebszeiten und normalen Betriebstemperaturen (2 000 K bei Th-[W]-Kathoden) zu einer zunehmenden Zerstörung der Vorzugsorientierung führt, wodurch die Emission natürlich abfällt. Leider passiert das schon wesentlich früher als erst nach der für UHF-Röhren notwendigen Kathodenmindestlebensdauer von 10 000 Stunden (vgl. dazu I. Weissman, « Research on Thermionic Electron Emitting Systems Varian Ass. Final Report (1966) Navy Department Bureau of Ships (USA)). Bei einem Großteil der Fälle wird die Vorzugsorientierung sogar bereits in der Aktivierungsphase der Kathode zerstört. Im Falle der CVD-Abscheidung einer Oberflächenschicht aus einem Seltenerdmetalloxid oder aus ZrC, ThC, UC oder UN ist es ein weiterer Nachteil, daß dabei nicht die spezifischen Vorteile von Monoschichtkathoden, insbesondere die höhere Emission, ausgenutzt werden. Statt dessen erhält man z. B. die wesentlich geringere Emission von Oxidkathoden, deren halbleitende Oxidschicht die üblichen Probleme wie Ladungsträgerverarmung und geringere Belastbarkeit aufweist. Bei Aufbringung von Boriden tritt das Problem auf, daß die Kontaktschichten (Grenzgebiete) zur Metallunterlage in der Regel pulverisieren. Realisierungen der aus dieser Offenlegungsschrift bekannten Verfahren stellen also keine für UHF-Röhren besser geeigneten Kathoden zur Verfügung.However, the cathodes produced in this way also have a number of disadvantages. An important disadvantage is e.g. B. that first conventional cathodes must be produced by the usual powder metallurgical methods, which are then additionally coated with the preferred oriented CVD layer, with a number of surface treatment steps also having to be inserted to achieve the preferred orientation. The production of such cathodes is therefore very complex. Furthermore, the cathode shaping is very restricted due to the powder metallurgical production of the substrates. Thus, according to DE-A-1 439 890, thoriated wires are coated with 111 -oriented tungsten, which in turn can be used to produce a mesh cathode, but the method does not allow the production of a cylindrical unipotential cathode made of thoriated tungsten, since the correspondingly shaped substrate cathode is not powder metallurgy can be produced if it is also to be heated directly and effectively at the same time. Another difficulty is that the recrystallization or crystal growth at longer operating times and normal operating temperatures (2,000 K with Th- [W] cathodes) leads to an increasing destruction of the preferred orientation, whereby the emission naturally drops. Unfortunately, this happens much earlier than after the minimum cathode life of 10,000 hours required for UHF tubes (cf. I. Weissman, "Research on Thermionic Electron Emitting Systems Varian Ass. Final Report (1966) Navy Department Bureau of Ships (USA )). In most of the cases, the preferred orientation is destroyed even in the activation phase of the cathode. In the case of CVD deposition of a surface layer from a rare earth metal oxide or from ZrC, ThC, UC or UN, it is a further disadvantage that the specific advantages of monolayer cathodes, in particular the higher emission, are not exploited. Instead, you get z. B. the much lower emission of oxide cathodes, the semiconducting oxide layer has the usual problems such as charge carrier depletion and lower resilience. When borides are applied, the problem arises that the contact layers (border areas) to the metal base generally pulverize. Realizations of the methods known from this laid-open specification therefore do not provide any more suitable cathodes for UHF tubes.

Aus den DE-B-1 029 943 und 1 037 599 sind Dispenser-Kathoden mit porösen Sinterkörpern bekannt, die schichtenweise aufgebaut sind, derart, daß sich Schichten mit hochschmelzendem Metall wie Wolfram oder Molybdän und Schichten mit emissionsförderndem Stoff wie Thorium oder Thorium-Verbindungen oder Barium-Aluminat miteinander abwechseln, wobei die Deckschicht von Wolfram oder Molybdän unter der emittierenden Oberfläche etwas dicker ausgeprägt ist und die Unterlage für die Schichtstruktur aus Wolfram, Molybdän oder Kohlenstoff besteht. Wichtig für die Funktion dieser Kathoden ist, daß sie porös sind und der emittierende Stoff leicht an die Oberfläche gelangen kann. Die schichtenweise Herstellung hat dabei lediglich die Aufgabe, eine Gleichverteilung des emittierenden Stoffes im Vorratsbereich zu erzielen ; die Schichten sollen sogar vermittels einer grobkörnigen Struktur ineinander übergreifen bzw. verzahnt sein. Hergestellt werden solche Kathoden durch Aufsintern von Pulverschichten auf den Träger oder auch durch (physikalisches) Bedampfen des Trägers.From DE-B-1 029 943 and 1 037 599, dispenser cathodes with porous sintered bodies are known which are built up in layers in such a way that layers with high-melting metal such as tungsten or molybdenum and layers with emission-promoting material such as thorium or thorium compounds or alternate barium aluminate, the top layer of tungsten or molybdenum being a little thicker under the emitting surface and the base for the layer structure consisting of tungsten, molybdenum or carbon. It is important for the function of these cathodes that they are porous and that the emitting substance can easily reach the surface. The layer-by-layer production only has the task of achieving a uniform distribution of the emitting substance in the storage area; the layers should even overlap or be interlocked by means of a coarse-grained structure. Such cathodes are produced by sintering powder layers onto the support or also by (physical) vapor deposition of the support.

Solche Kathoden weisen jedoch verschiedene eklatante Nachteile auf. Zunächst führt die (deutliche) Porosität zu einem zu starken Verdampfen des emittierenden Stoffes und damit zu sehr schlechten Vakuumeigenschaften, was ihren Einsatz in UHF-Elektronenröhren fraglich macht. Zum zweiten erfordert die zur Herstellung notwendige Gesamt-Materialdicke eine zu hohe Heizleistung. Zum dritten erfolgt die Herstellung im wesentlichen über pulvermetallurgische Methoden, mit allen Nachteilen, die eine pulermetallurgische Kathoden-Herstellung mit sich bringt, während eine physikalische Bedampfung als Alternative nur ganz dünne Schichten erzeugt. Die besagten Nachteile sind insbesondere Einschränkungen bei der Formgebung (Auswahl der Geometrie), verursacht durch Herstellung und (Druck-)Sinterung, daneben aber auch mangelnde mechanische Stabilität der porösen Struktur, da bei beliebig gewählten geometrischen Formen eine Pressung der Schichten nicht in Frage kommt und außerdem die Sintertemperatur so niedrig gehalten werden muß, daß der emittierende Stoff nicht schon bei der Herstellung verdampft. Es sind sehr viele Bearbeitungsschritte notwendig. Schließlich hat die Schichtenanordnung nur die Aufgabe, für eine Gleichverteilung des emittierenden Stoffes im Nachlieferungsbereich zu sorgen, was durch andere, weniger aufwendige Verfahren wie Imprägnieren oder Pulvermischen ebenfalls erreicht werden kann. Außerdem ist es nicht beabsichtig, daß die Schichtstruktur über die Kathodenlebensdauer aufrechterhalten wird. Vor allem aber handelt es sich bei diesen Kathoden um Metallkapillarkathoden (MK-Kathoden), also nicht um kompakte Nachlieferungskathoden, die Gegenstand der Erfindung sind.However, such cathodes have several blatant disadvantages. First of all, the (clear) porosity leads to excessive evaporation of the emitting substance and thus to very poor vacuum properties, which makes its use in UHF electron tubes questionable. Secondly, the total material thickness required for production requires an excessively high one Heating capacity. Thirdly, the production takes place essentially using powder metallurgical methods, with all the disadvantages that a powder metallurgical cathode production entails, whereas physical vapor deposition as an alternative only produces very thin layers. The disadvantages mentioned are, in particular, restrictions in the shaping (selection of the geometry), caused by production and (pressure) sintering, but also also a lack of mechanical stability of the porous structure, since pressing the layers in any chosen geometric shapes is out of the question and in addition, the sintering temperature must be kept so low that the emitting substance does not evaporate during manufacture. A lot of processing steps are necessary. Finally, the layer arrangement only has the task of ensuring a uniform distribution of the emitting substance in the subsequent delivery area, which can also be achieved by other, less complex methods such as impregnation or powder mixing. In addition, the layer structure is not intended to be maintained over the life of the cathode. Above all, however, these cathodes are metal capillary cathodes (MK cathodes), that is to say not compact post-delivery cathodes which are the subject of the invention.

Demgegenüber hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine thermionische Kathode zu schaffen, die als Unipotential-Kathode zum Einsatz in UHF- und Mikrowellenröhren geeignet ist, und die die Vorteile einer großflächigen Kathode mit weitgehend frei wählbarer geometrischer Gestalt, hohem Emissionsstrom und stabilem Hochfrequenzverhalten über eine große Betriebsdauer hinweg erhält.In contrast, the present invention has for its object to provide a thermionic cathode which is suitable as a unipotential cathode for use in UHF and microwave tubes, and which has the advantages of a large-area cathode with largely freely selectable geometric shape, high emission current and stable high-frequency behavior over a long operating life.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man bei einem Verfahren der eingangs genannten Art

  • a) auf eine entsprechend der gewünschten Kathodengeometrie geformte Unterlage durch Transport über die Gasphase, gegebenenfalls verbunden mit Reduktionsreaktionen während oder nach Aufbringung der Schichten, folgende Schichtstruktur aufbringt :
    • α) eine Trägerschicht aus hochschmelzendem Metall als Basismaterial und mindestens einem Dotierstoff zur mechanischen Strukturstabilisierung,
    • β) eine bei Betrieb der Kathode als Nachlieferungsbereich wirkende Schicht oder Schichtenfolge, bestehend aus einem hochschmelzenden Metall als Basismaterial und einem Vorrat an elektronenenmittierendem Stoff, und
    • y) die gegebenenfalls vorzugsorientierte polykristalline Deckschicht aus einem hochschmelzenden Metall als Basismaterial und mindestens einem Dotierstoff zur Textur- und Strukturstabilisierung, wobei die Vorzugsorientierung durch Wahl der Abscheide-Parameter festgelegt wird.
  • b) die Unterlage entfernt und
  • c) die Trägerschicht mit Anschlüssen zur Heizung versieht.
This object is achieved in that in a method of the type mentioned
  • a) applying the following layer structure to a base shaped according to the desired cathode geometry by transport over the gas phase, possibly combined with reduction reactions during or after application of the layers:
    • α) a carrier layer made of high-melting metal as the base material and at least one dopant for mechanical structural stabilization,
    • β) a layer or layer sequence acting as a subsequent delivery area during operation of the cathode, consisting of a high-melting metal as the base material and a supply of electron-emissive material, and
    • y) the optionally preferred-oriented polycrystalline cover layer made of a high-melting metal as the base material and at least one dopant for texture and structure stabilization, the preferred orientation being determined by the choice of the deposition parameters.
  • b) the pad is removed and
  • c) provides the carrier layer with connections for heating.

Die Aufbringung der Schichten erfolgt vorzugsweise durch reaktive Abscheidung wie z. B. CVD-Verfahren, Pyrolyse, Kathodenzerstäuben, Vakuumkondensation oder Plasmazerstäubung.The layers are preferably applied by reactive deposition such as. B. CVD process, pyrolysis, cathode sputtering, vacuum condensation or plasma sputtering.

Als Basismaterial werden vorzugsweise W, Mo, Ta, Nb, Re und/oder C verwendet, wobei die Zusammensetzung des Basismaterials in den einzelnen Schichten gleich oder verschieden ist.W, Mo, Ta, Nb, Re and / or C are preferably used as the base material, the composition of the base material being the same or different in the individual layers.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die an der Abscheidungsreaktion beteiligten Gase durch Erzeugung eines Plasmas zur chemischen Umsetzung und damit verbundenen Abscheidung von Kathodenmaterial angeregt (sogenanntes plasmaaktiviertes CVD-Verfahren = PCVD).In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention, the gases involved in the deposition reaction are excited by generating a plasma for chemical conversion and the associated deposition of cathode material (so-called plasma-activated CVD method = PCVD).

Beim erfindungsgemäßen Verfahren, das insbesondere zur Herstellung von thermionischen Monoschicht-Kathoden mit hoher Elektronenemissionsdichte anwendbar ist, wird demnach eine Schichtstruktur, mindestens bestehend aus einem hochschmelzenden Metall und einem Stoff hoher Elektronenemission als Monoschichtbildner, sukzessive in einem kontinuierlichen Verfahren z. B. durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase (CVD-Verfahren) von mindestens zwei Komponenten auf einer Unterlage abgeschieden, wobei die Unterlage nach der Abscheidung entfernt wird, so daß man eine freitragende Ganz-CVD-Kathode erhält. Eine solche Kathode - ausgeführt als zylinderförmige Unipotentialkathode - ist insbesondere geeignet für Sende- und Verstärkerröhren bei hohen Frequenzen und/oder hohen Leistungen.In the method according to the invention, which can be used in particular for the production of thermionic monolayer cathodes with a high electron emission density, a layer structure, at least consisting of a high-melting metal and a substance with high electron emission as a monolayer, is successively used in a continuous process, e.g. B. deposited by reactive deposition from the gas phase (CVD method) of at least two components on a support, the support being removed after the deposition, so that a self-supporting whole CVD cathode is obtained. Such a cathode - designed as a cylindrical unipotential cathode - is particularly suitable for transmitter and amplifier tubes at high frequencies and / or high powers.

Die erfindungsgemäß hergestellte thermionische Kathode - deren Material im wesentlichen hochschmelzendes Metall, wie W, Mo, Ta, Nb und/oder Re und/oder Kohlenstoff ist - besteht aus einer feinstkristallinen, mechanisch stabilen Träger- oder Basisschicht, einer mit emittierendem Stoff stark angereicherten Schichtenfolge und einer gegebenenfalls vorzugsorientierten Deckschicht, wobei sämtliche Schichten über die Gasphase, vorzugsweise durch CVD-Verfahren, aufgebracht worden sind und die Unterlage nach der Beendigung der Abscheidung entfernt worden ist.The thermionic cathode produced according to the invention - the material of which is essentially high-melting metal, such as W, Mo, Ta, Nb and / or Re and / or carbon - consists of a very finely crystalline, mechanically stable carrier or base layer, a layer sequence which is highly enriched with emitting material and an optionally preferred oriented top layer, wherein all layers have been applied via the gas phase, preferably by CVD method, and the base has been removed after the deposition has ended.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird auf eine geeignete (und geeignet geformte) Unterlage zunächst eine feinstkristalline Trägerschicht aus hochschmelzendem Metall mit guten mechanischen Eigenschaften und durch Dotierungen unterdrücktem Kornwachstum z. B. durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase (CVD-Verfahren) aufgebracht. Danach folgt eine Schicht oder eine Schichtenfolge von abwechselnd elektronenemittierendem Stoff und Basismaterial, wobei die Schichtenzusammensetzung durch Variation der Gasströmungen, z. B. bei der CVD-Abscheidung, gesteuert wird. Als Deckschicht folgt schließlich eine vorzugsweise vorzugsorientierte kolumnare Schicht aus einem hochschmelzenden Metall, die durch Zusätze gegen Kornwachstum und Zerstörung der Vorzugsorientierung geschützt ist. Nach Beendigung der Abscheidung wird die Unterlage bzw. Substrat-Vorform von dem Positiv (d. h. der Schichtstruktur) abgelöst und man erhält eine freitragende Kathode mit den gewünschten Eigenschaften, z. B. in Form einer zylinderförmigen, selbsttragenden, direkt geheizten Unipotentialkathode mit hoher Emission und langer Lebensdauer.In the method according to the invention, a finely crystalline carrier layer made of high-melting metal with good mechanical properties and grain growth suppressed by doping is z. B. applied by reactive deposition from the gas phase (CVD process). This is followed by a layer or a sequence of layers of alternating electron-emitting substance and base material, the layer composition being varied by varying the gas flows, e.g. B. is controlled in the CVD deposition. Finally, the cover layer is followed by a preferably preferred columnar layer made of a high-melting metal, the is protected by additives against grain growth and destruction of the preferred orientation. After the deposition has ended, the substrate or substrate preform is detached from the positive (ie the layer structure) and a self-supporting cathode with the desired properties, eg. B. in the form of a cylindrical, self-supporting, directly heated unipotential cathode with high emission and long life.

Die Unterlage besteht vorzugsweise aus einem leicht und genau formbaren Werkstoff, welcher eine geringe Haftung an dem darauf abgeschiedenen Kathodenmaterial aufweist. Die Entfernung der Unterlage erfolgt nach der Erfindung entweder durch selektives Ätzen, mechanisch oder durch Verdampfen bei Erhitzen im Vakuum, z. B. in einem Vakuumofen, oder in einer geeigneten Gasatmosphäre, wie z. B. Wasserstoff, durch Abbrennen oder durch eine Kombination der genannten Verfahren je nach verwendetem Werkstoff der Unterlage.The base preferably consists of an easily and precisely mouldable material which has little adhesion to the cathode material deposited thereon. The substrate is removed according to the invention either by selective etching, mechanically or by evaporation when heated in vacuo, e.g. B. in a vacuum oven, or in a suitable gas atmosphere, such as. B. hydrogen, by burning or by a combination of the methods mentioned depending on the material used for the base.

Nach der Erfindung ist die Unterlage z. B. ein Körper aus Graphit, insbesondere pyrolytischem Graphit, oder glasartigem Kohlenstoff, der durch mechanische Bearbeitung, Abbrennen und/oder mechanisch-chemisches Mikropolieren entfernt wird, oder die Unterlage besteht aus Kupfer, Nickel, Eisen, Molybdän oder einer Legierung mit einem überwiegenden Anteil an diesen Metallen und wird durch selektives Ätzen oder zunächst in ihrer überwiegenden Masse mechanisch und in den dabei verbleibenden Resten durch Verdampfen mit Erhitzen im Vakuum, z. B. in einem Vakuumofen, oder unter einer geeigneten Gasatmosphäre, z. B. unter Wasserstoff, entfernt. Die für das erfindungsgemäße Verfahren benutzte Unterlage muß mit dem Schichtmaterial, d. h. dem Werkstoff, aus dem die tragenden Teile der Kathode hergestellt sind, möglichst wenig kompatibel, d. h. von ihm gut lösbar, sein. Diese Forderung wird von Graphit in vorteilhafter Weise erfüllt. Graphit, beispielsweise polykristalliner Elektrographit, ist mechanisch leicht bearbeitbar, so daß sich auch komplizierte Formkörper einfach herstellen lassen. Da Elektrographit jedoch porös ist, scheidet man auf den daraus gefertigten Vorformen eine dünne Schicht von pyrolytischem Graphit ab, der praktisch porenfrei ist und einen guten Untergrund für die Abscheidung des Kathodenwerkstoffes darstellt.According to the invention, the pad z. B. a body made of graphite, in particular pyrolytic graphite, or glass-like carbon, which is removed by mechanical processing, burning and / or mechanical-chemical micropolishing, or the base consists of copper, nickel, iron, molybdenum or an alloy with a predominant proportion on these metals and is mechanically by selective etching or initially in their predominant mass and in the remaining residues by evaporation with heating in vacuo, for. B. in a vacuum oven, or under a suitable gas atmosphere, e.g. B. removed under hydrogen. The base used for the method according to the invention must be coated with the layer material, i.e. H. as little compatible as possible with the material from which the supporting parts of the cathode are made, d. H. easily removable from it. Graphite advantageously fulfills this requirement. Graphite, for example polycrystalline electrographite, is easy to machine mechanically, so that even complicated moldings can be produced easily. However, since electrographite is porous, a thin layer of pyrolytic graphite is deposited on the preforms made from it, which is practically non-porous and is a good base for the deposition of the cathode material.

Für die Ablösung der fertigen Kathode von der Unterlage bieten sich bei Graphit je nach der Gestalt des Unterlagenkörpers verschiedene Verfahren an. Vielfach kann die Kathode durch Zug oder Druck in Richtung der Schichtungsachse (a-Achse) des pyrolytischen Graphits sehr einfach und mit nur geringer Kraft von dem Graphit-Formkörper abgezogen werden. Eine sichere Ablösung erzielt man durch Ausnutzen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Graphit-Unterlage und der beispielsweise aus Wolfram gebildeten Kathode. Da sich Wolfram in der Hitze stärker ausdehnt als Graphit, spaltet man insbesondere bei der Beschichtung der Außenflächen zylindrischer Unterlagenkörper die fertige Kathode durch Erhitzen auf z. B. 300 °C über die Abscheidetemperatur ab. Bei der Beschichtung der inneren Mantelfläche eines zylindrischen Hohlkörpers aus Graphit, vorzugsweise bei 500 °C, erhält man die gewünschte Abspaltung in noch einfacherer Weise durch Abkühung auf Raumtemperatur. Eine andere einfache Methode zur Entfernung von Graphit, beispielsweise an unzugänglichen Stellen, ist das Abbrennen. Durch Mikropolieren erhält man besonders saubere und gleichförmige Oberflächen.Depending on the shape of the underlay body, different methods are available for graphite to detach the finished cathode from the base. In many cases, the cathode can be pulled off the graphite shaped body very simply and with only a small force by pulling or pushing in the direction of the layering axis (a-axis) of the pyrolytic graphite. A reliable detachment is achieved by taking advantage of the different thermal expansion coefficients of the graphite base and the cathode formed, for example, from tungsten. Since tungsten expands more than graphite in the heat, the finished cathode is split by heating to z. B. from 300 ° C above the deposition temperature. When coating the inner surface of a cylindrical hollow body made of graphite, preferably at 500 ° C., the desired cleavage is obtained in an even simpler manner by cooling to room temperature. Another simple method for removing graphite, for example in inaccessible places, is by burning it off. Micropolishing results in particularly clean and uniform surfaces.

Unterlagen-Formkörper aus Kupfer oder Nickel sind ebenfalls gut bearbeitbar und ablösbar. Kupfer wird zunächst größtenteils mechanisch entfernt, z. B. durch Zerspanung. Reste von Kupfer lassen sich im Vakuumofen durch Verdampfen bei 1 800 bis 1 900 °C ablösen oder, wie Nickel, durch selektives Ätzen oder Mikropolieren. Als Ätzmittel, insbesondere für Nickel, wird ein Gemisch von HN03, H20 und H202 im Mischungsverhältnis von 6 : 3 : 1 Raumteilen oder eine wässerige Lösung von 220 g Ce(NH4h (N03)e und 110 ml HN03 auf 1 I H20 verwendet. Unterlagen aus Kupfer lassen sich in einer Lösung von 200 g FeCI3 je 1 I H20 bei einer Arbeitstemperatur von 50 °C ablösen. Unterlagen aus Molybdän werden vorzugsweise durch Eintauchen in eine kochende Lösung aus je einem Raumteil HN03, HCI und H20 weggeätzt.Underlay molded articles made of copper or nickel are also easy to machine and can be removed. Copper is initially mostly mechanically removed, e.g. B. by machining. Copper residues can be removed in a vacuum furnace by evaporation at 1,800 to 1,900 ° C or, like nickel, by selective etching or micropolishing. As an etchant, especially for nickel, a mixture of HN0 3 , H 2 0 and H 2 0 2 in a mixing ratio of 6: 3: 1 parts by volume or an aqueous solution of 220 g Ce (NH4h (N0 3 ) e and 110 ml HN0 3 to 1 IH 2 0. Copper supports can be removed in a solution of 200 g FeCI 3 1 IH 2 0 at a working temperature of 50 ° C. Molybdenum supports are preferably immersed in a boiling solution from one part of the room HN0 3 , HCI and H 2 0 etched away.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte thermionische Kathode ist freitragend und flächenhaft ausgebildet und hat eine Dicke von 50 4m bis 500 µm, vorzugsweise 100 bis 150 µm, wobei sich auch größere Dicken problemlos realisieren lassen.A thermionic cathode produced by the method according to the invention is self-supporting and flat and has a thickness of 50 4 m to 500 μm, preferably 100 to 150 μm, it being also possible to achieve greater thicknesses without problems.

Um aus hochschmelzenden spröden Metallen dünne und stabile freitragende Formen durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase herstellen zu können, ist eine Modifikation des CVD-Verfahrens zweckmäßig. Bei der üblichen Abscheidung erhält man nämlich häufig kolumnare Strukturen mit geringer mechanischer und thermischer Stabilität und Hang zu starkem Kristallitwachstum unter Betriebsbedingungen.In order to be able to produce thin and stable self-supporting forms from high-melting, brittle metals by reactive deposition from the gas phase, a modification of the CVD process is expedient. With the usual deposition, columnar structures with low mechanical and thermal stability and a tendency to strong crystallite growth are frequently obtained under operating conditions.

Daher werden zur Herstellung der Trägerschicht, d. h. der tragenden Kathodenbasis, vorzugsweise Abwandlungen des CVD-Verfahrens angewendet, die feinstkristalline Strukturen mit erhöhter mechanisch-thermischer Belastbarkeit produzieren. Das kann auf dreierlei Art und Weise erreicht werden :

  • Eine einfache, aber etwas zeitraubende Möglichkeit besteht darin, daß man das CVD-Schichtwachstum durch wiederholte Substratabkühlung auf Zimmertemperatur immer wieder unterbricht und die Keimbildung durch Heizen neu startet oder eine periodische Variation der Substrattemperatur im Bereich zwischen 300 und 700 °C durchführt. Man erhält eine Abfolge verschiedener Schichten - z. B. aus Wolfram -, deren Eigenschaften gegenüber dem kontinuierlich abgeschiedenen Material bereits deutlich verbessert sind. In einigen Fällen, z. B. bei direkter Widerstandsheizung des Substrats bzw. der Unterlage bei einer « Kaltwand »-Beschichtung, ist es auch möglich, die Zusammensetzung des Reaktionsgemisches periodisch zu variieren, insbesondere den Anteil desjenigen Reaktionspartners, der die stärkste Kühlung des Substrats bewirkt. Im Fall der Wolfram-CVD aus WF6 + H2 ist es z. B. der Wasserstoffanteil des eingeleiteten Gasgemischs, der variiert wird.
For this reason, modifications of the CVD method are preferably used to produce the carrier layer, ie the supporting cathode base, which produce ultra-crystalline structures with increased mechanical-thermal strength. This can be done in three ways:
  • A simple, but somewhat time-consuming possibility is to interrupt the CVD layer growth again and again by repeatedly cooling the substrate to room temperature and to restart the nucleation by heating or to carry out a periodic variation of the substrate temperature in the range between 300 and 700 ° C. You get a sequence of different layers - e.g. B. from tungsten - whose properties are already significantly improved compared to the continuously deposited material. In some cases, e.g. B. with direct resistance heating of the substrate or the Un In the case of a “cold wall” coating, it is also possible to vary the composition of the reaction mixture periodically, in particular the proportion of the reaction partner which brings about the greatest cooling of the substrate. In the case of tungsten CVD from WF 6 + H 2 it is e.g. B. the hydrogen content of the introduced gas mixture, which is varied.

Die zweite Möglichkeit der Strukturstabilisierung besteht in der Abscheidung von hauchdünnen kristallitwachstumshemmenden Zwischenschichten. Als Beispiel soll hier wiederum Wolfram dienen, dessen Abscheidung aus der Gasphase immer wieder durch Drosselung des WF6 + H2-Gasstroms unterbrochen wird. Statt dessen wird alternierend Trägergas mit z. B. einer metallorganischen Thoriumverbindung aus einem Sättiger eingeleitet, so daß z. B. eine Th02-Zwischenschicht abgeschieden wird.The second possibility of structural stabilization is the deposition of wafer-thin crystallite growth-inhibiting intermediate layers. As an example, tungsten is again to be used, the deposition of which from the gas phase is repeatedly interrupted by throttling the WF 6 + H 2 gas stream. Instead, alternating carrier gas with z. B. initiated an organometallic thorium compound from a saturator, so that, for. B. a Th0 2 intermediate layer is deposited.

Einen ähnlichen Effekt erreicht man durch Kohlenstoff-Abscheidung in der Zwischenschicht bei sehr hoher Sättigertemperatur. Die Dicke der Wolfram-Schichten liegt dabei in der Größenordnung 1 µm, die derthorium- bzw, kohlenstoffhaltigen Zwischenschichten deutlich darunter (etwa 0,2 µm).A similar effect can be achieved by carbon deposition in the intermediate layer at a very high saturator temperature. The thickness of the tungsten layers is of the order of 1 µm, the derthorium or carbon-containing intermediate layers significantly less (about 0.2 µm).

Die dritte Methode beruht darauf, daß man das Basismaterial gemeinsam mit einem Dotiermaterial abscheidet, das eine vernachlässigbar geringe Fest-Löslichkeit im Kristallgitter des Basismaterials aufweist. Beispielsweise wird zur Herstellung der Schichten Wolfram mit 2 % Th02 abgeschieden. Bei einer solchen Abscheidung aus der Gasphase (Mehrkomponenten-CVD-Verfahren) entsteht eine äußerst feine und gleichmäßige Verteilung der Beimengung im Schichtmaterial. Dadurch wird einerseits die Biegebruchfestigkeit des Schichtmaterials wesentlich erhöht, im Beispiel des mit 2 % Th02 dotierten Wolframs etwa verdoppelt, zum anderen hemmt die genannte Beimengung das Kristallwachstum im Schichtmaterial bei Betriebstemperaturen und bewirkt dadurch eine Stabilisierung der Kristallstruktur, insbesondere der Korngröße, die vorzugsweise auf Werte von ungefähr 1 µm und darunter eingestellt wird, und der Vorzugsorientierung der Kristalle über längere Betriebszeiten. Die erfindungsge- mäßen Kathoden erreichen durch die genannte Beimengung eine Lebensdauer von 104 Stunden, und zwar bei übljchen Betriebsbedingungen und erhöhten Emissionsraten.The third method is based on the fact that the base material is deposited together with a doping material which has a negligibly low solubility in solid in the crystal lattice of the base material. For example, tungsten is deposited with 2% Th0 2 to produce the layers. Such a separation from the gas phase (multi-component CVD process) results in an extremely fine and uniform distribution of the admixture in the layer material. As a result, the bending strength of the layer material is significantly increased, in the example of the tungsten doped with 2% Th0 2 approximately doubled, on the other hand, the addition mentioned inhibits the crystal growth in the layer material at operating temperatures and thereby causes a stabilization of the crystal structure, in particular the grain size, which preferably Values of approximately 1 µm and below are set, and the preferred orientation of the crystals over longer operating times. He f indungsge- MAESSEN cathodes reach a service life of 10 4 hours through said admixture, namely at übljchen operating conditions and increased emission rates.

Dadurch, daß die Trägerschicht, d. h. die tragende Basisschicht, aus hochschmelzendem Metall durch Fremddotierungen feinstkristallin und kornstabilisiert abgeschieden wird, wird die mechanische Belastbarkeit etwa dreimal größer als die des reinen CVD-Materials. Dadurch, daß die im Basismetall praktisch unlöslichen Dotierungen entweder simultan feindispers oder alternierend in einer hochfrequenten Schichtenfolge per CVD abgeschieden werden, wird ein exzessives Keimwachstum immer wieder unterbrochen. Insbesondere wird durch diese Fremddotierung das Kornwachstum unter normalen Betriebstemperaturen stark gehemmt, so daß die mechanische Stabilität auch über eine längere Lebensdauer garantiert ist.The fact that the carrier layer, i. H. the load-bearing base layer, which is deposited from refractory metal by means of external doping in a highly crystalline and grain-stabilized manner, the mechanical strength is about three times greater than that of the pure CVD material. Because the dopants, which are practically insoluble in the base metal, are either finely dispersed simultaneously or alternately in a high-frequency layer sequence by CVD, excessive germ growth is interrupted again and again. In particular, this foreign doping strongly inhibits grain growth under normal operating temperatures, so that the mechanical stability is also guaranteed over a longer service life.

Die Stabilisierung des Basismaterials wird außer durch die beispielhaft genannte Beimengung von Th02 in Wolfram auch durch andere Substanzen erreicht, sofern sie eine kleine oder vernachlässigbare Fest-Löslichkeit in Wolfram haben (z. B. Scandium, Yttrium) und ihr Schmelzpunkt über 2 000 K liegt. Zu diesen Substanzen gehören insbesondere Zr, Zr02, Ru, U02, SC203 und Y203, die sich darüber hinaus vorteilhaft aus der Gasphase simultan mit dem Schichtmaterial abscheiden lassen.The stabilization of the base material is achieved in addition to the exemplary addition of Th0 2 in tungsten by other substances, provided that they have a small or negligible solid solubility in tungsten (e.g. scandium, yttrium) and their melting point above 2,000 K. lies. These substances include in particular Zr, Zr0 2 , Ru, U0 2 , SC 2 0 3 and Y 2 0 3 , which can moreover advantageously be separated from the gas phase simultaneously with the layer material.

Das gleiche gilt prinzipiell auch für andere hochschmelzende Basismaterialien, bei denen entsprechend eine in diesen unlösliche Materialkomponente alternierend oder simultan in feiner Beimengung mit abgeschieden werden muß.In principle, the same also applies to other high-melting base materials, in which a material component which is insoluble in them must be deposited alternately or simultaneously in fine admixture.

Eine Strukturstabilisierung der Trägerschicht, also der Basis, kann nur durch entsprechend geringe Beimengungen bewirkt werden, die in der Regel nicht mit dem emittierenden Stoff identisch zu sein brauchen. Zur Verlängerung der Lebensdauer und Erhöhung der Emission sind zusätzliche Schichten mit wesentlich höherer Dotierungskonzentration an emittierender Substanz erforderlich.Structural stabilization of the carrier layer, that is to say the base, can only be brought about by correspondingly small additions, which as a rule do not have to be identical to the emitting substance. To extend the lifespan and increase the emission, additional layers with a significantly higher doping concentration of emitting substance are required.

Daher wird auf die strukturstabilisierte Basis eine Vorrats- und Nachlieferungsschicht mit hoher Dotierungskonzentration an emittierendem Stoff aufgebracht. Dieser Nachlieferungsbereich besteht zweckmäßigerweise aus einer hochfrequenten Schichtenfolge, wobei sich Schichten mit emittierendem Stoff mit Schichten aus Basismaterial derart abwechseln, daß diese Schichten noch mechanisch genügend stabil sind und gut auf der CVD-Trägerschicht haften und zugleich eine hohe mittlere Emitterkonzentration im Nachlieferungsbereich von vorzugsweise 10 bis 20 Gew.% aufweisen.A supply and subsequent delivery layer with a high doping concentration of emissive substance is therefore applied to the structure-stabilized base. This subsequent delivery area expediently consists of a high-frequency layer sequence, layers with emitting material alternating with layers of base material in such a way that these layers are still mechanically sufficiently stable and adhere well to the CVD carrier layer and at the same time have a high mean emitter concentration in the subsequent delivery area of preferably 10 to 20% by weight.

Hergestellt wird diese Schichtenfolge erfindungsgemäß durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase mit zeitlicher Variation der Parameter, insbesondere der Durchflußraten der an der Reaktion beteiligten Gase und/oder der Substrattemperatur.This layer sequence is produced according to the invention by reactive deposition from the gas phase with temporal variation of the parameters, in particular the flow rates of the gases involved in the reaction and / or the substrate temperature.

Die zeitliche Variation der CVD-Parameter erfolgt bevorzugt periodisch, insbesondere alternierend zwischen den optimalen Parametern für Abscheidung des emittierenden Stoffes und jenen für CVD des Basismaterials. Üblicherweise genügt eine entsprechende Änderung der jeweiligen Gas-Durchflußmengen ; in einigen Fällen muß jedoch auch die Substrat-Temperatur geeignet abgesenkt und angehoben werden.The variation in time of the CVD parameters is preferably periodic, in particular alternating between the optimal parameters for deposition of the emitting substance and those for CVD of the base material. A corresponding change in the respective gas flow rates is usually sufficient; in some cases, however, the substrate temperature must also be lowered and raised appropriately.

Der elektronenemittierende Stoff wird vorzugsweise aus der Scandiumgruppe (Sc, Y, La, Ac. Lanthaniden, Actiniden) gewählt und in Metall-, Oxid-, Borid- und/oder Carbidform mit dem Basismaterial, vorzugsweise W, Mo, Nb, Ta, Re, aus der Gasphase abgeschieden. Nach der Erfindung dienen dabei besonders folgende Stoffkombinationen als emittierender Stoff + Basismaterial : ThtTh02 + W, ThtTh02 + Nb, ThB4 + Re, Y/Y203 + Ta, Y203 + Nb, oder es werden als emittierende Stoffe Sc203, Y203 oder La203 in Kombination mit Molybdän oder Wolfram als Basismaterial abgeschieden. Günstige Kombinationen sind auch Ge-, Sm- und Eu-Oxid mit Wolfram oder Molybdän. ThB4 wird vorzugsweise durch Pyrolyse von Th(BH4)4, angereichert in z. B. Argon als Trägergas, auf einer Schicht aus Rhenium mit einem darunterliegenden strukturstabilisierten Wolfram-Träger bei Substrattemperaturen größer/gleich 300 °C aufgebracht.The electron-emitting substance is preferably selected from the scandium group (Sc, Y, La, Ac. Lanthanides, actinides) and in metal, oxide, boride and / or carbide form with the base material, preferably W, Mo, Nb, Ta, Re , separated from the gas phase. According to the invention, the following combinations of substances in particular serve as the emissive substance + base material: ThtTh0 2 + W, ThtTh0 2 + Nb, ThB 4 + Re, Y / Y 2 0 3 + Ta, Y 2 0 3 + Nb, or it is called emitting substances Sc 2 0 3 , Y 2 0 3 or La 2 0 3 in combination with molybdenum or tungsten as the base material. Favorable combinations are also Ge, Sm and Eu oxide with tungsten or molybdenum. ThB 4 is preferably enriched by pyrolysis of Th (BH 4 ) 4 , e.g. B. argon as carrier gas, applied to a layer of rhenium with an underlying structure-stabilized tungsten carrier at substrate temperatures greater than / equal to 300 ° C.

Bei einer Abscheidung des emittierenden Stoffes in Oxidform kann eine weitere Verbesserung der Kathodeneigenschaften dadurch erreicht werden, daß zusätzlich eine Aktivatorkomponente, vorzugsweise Bor oder Kohlenstoff, zur Freisetzung des Emitters in atomarer Form, und außerdem eine diffusionsverstärkende Komponente per CVD-Verfahren mit abgeschieden werden. Als für den emittierenden Stoff diffusionsfördernde oder -verstärkende Bestandteile kommen bevorzugt Pt, Os, Ru, Rh, Re, Ir oder Pd in Konzentrationen von 0,1 bis 1 Gew.% zur Anwendung.When the emissive substance is deposited in oxide form, a further improvement in the cathode properties can be achieved by additionally depositing an activator component, preferably boron or carbon, to release the emitter in atomic form, and also a diffusion-enhancing component using the CVD method. Pt, Os, Ru, Rh, Re, Ir or Pd in concentrations of 0.1 to 1% by weight are preferably used as diffusion-promoting or reinforcing constituents for the emitting substance.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kathoden kommen vorzugsweise Unterlagentemperaturen von 200 °C bis 600 °C (sogenanntes Niedrig-Temperatur-CVD-Verfahren) zur Anwendung. Dafür benutzt man insbesondere die folgenden flüchtigen Ausgangsverbindungen zur Abscheidung von Mo, W, Re, Pt-Metallen, Seltenen Erden, Thorium und Aktiniden :

  • 1. Metallhalogenide ; vorzugsweise Fluoride, mit H2 als Reduktionsmittel. Abscheidung der Metalle Mo, W, Re bei Temperaturen von 400 bis 1 400°C, vorzugsweise 500 bis 800 °C, insbesondere 500 bis 600 °C.
  • 2. Metallcarbonyle M(CO)n; ein Teil der CO-Gruppen kann durch H, Halogene, NO, PF3 ersetzt sein. Abscheidung von Mo, W, Re und Pt-Metallen bei Temperaturen von 300 bis 600 °C.
  • 3. Metalltrifluorphosphane M(PF3)n ; Fluor kann ganz oder teilweise durch H, Cl, Br, J, Alkyle und Aryle ersetzt sein, die PF3-Gruppen durch CO, H, Cl, Br, J, CO, NO. Im physikalischen und chemischen Verhalten ähnelt diese Gruppe den Metallcarbonylen. Die Abscheidung von Mo, W, Re und Pt-Metallen ist bei Temperaturen von 200 bis 600 °C möglich.
  • 4. Metallocene M(C5H5)n ; sie gehören zur Gruppe der metallorganischen Sandwich-Verbindungen. Die (C5H5)-Gruppen können teilweise durch H, Halogene, CO, NO, PF3 und PR3 ersetzt sein. Mo, W, Pt-Metalle können durch Pyrolyse abgeschieden werden. Mit H2 als Reaktionskomponenten wird die Reaktionstemperatur wesentlich herabgesetzt.
  • 5. Metall-ß-Diketonate ; Acetylacetonate M(aa)n und die 1,1,1-Trifluoracetylacetonate M(tfa)n und 1,1,1,5,5,5-Hexafluoracetylacetonate M(hfa)n ; aus diesen Verbindungen können Metalle der Platin-Gruppe und Oxide der Lanthaniden einschließlich SC203 und Y203 und Oxide der Actiniden einschließlich Th02 abgeschieden werden. Die Abscheidungstemperaturen liegen bei 400 bis 600 °C bei den Acetylacetonaten und bei 250 °C bei den fluorierten Acetylacetonaten.
  • 6. Metallalkoholate M(OR)n; die Abscheidung der Oxide der Lanthaniden und Aktiniden einschließlich Sc2O3 ; Y203 und Th02 ist bei Temperaturen von 400 bis 600 °C möglich. Es können in manchen Fällen auch Doppeloxide, z. B. MgAl2O4, abgeschieden werden.
Underlay temperatures of 200 ° C. to 600 ° C. (so-called low-temperature CVD process) are preferably used in the production of the cathodes according to the invention. The following volatile starting compounds are used to separate Mo, W, Re, Pt metals, rare earths, thorium and actinides:
  • 1. metal halides; preferably fluorides, with H 2 as a reducing agent. Deposition of the metals Mo, W, Re at temperatures from 400 to 1400 ° C, preferably 500 to 800 ° C, in particular 500 to 600 ° C.
  • 2. metal carbonyls M (CO) n ; some of the CO groups can be replaced by H, halogens, NO, PF 3 . Deposition of Mo, W, Re and Pt metals at temperatures from 300 to 600 ° C.
  • 3. metal trifluorophosphanes M (PF 3 ) n ; Fluorine can be replaced in whole or in part by H, Cl, Br, J, alkyls and aryls, the PF 3 groups by CO, H, Cl, Br, J, CO, NO. This group is similar to metal carbonyls in physical and chemical behavior. The deposition of Mo, W, Re and Pt metals is possible at temperatures from 200 to 600 ° C.
  • 4. Metallocenes M (C 5 H 5 ) n ; they belong to the group of organometallic sandwich compounds. The (C 5 H 5 ) groups can be partially replaced by H, halogens, CO, NO, PF 3 and PR 3 . Mo, W, Pt metals can be deposited by pyrolysis. With H 2 as the reaction components, the reaction temperature is significantly reduced.
  • 5. metal ß-diketonates; Acetylacetonates M (aa) n and the 1,1,1-trifluoroacetylacetonates M (tfa) n and 1,1,1,5,5,5,5-hexafluoroacetylacetonates M (hfa) n ; metals of the platinum group and oxides of lanthanides including S C2 0 3 and Y 2 0 3 and oxides of actinides including Th0 2 can be deposited from these compounds. The deposition temperatures are 400 to 600 ° C for the acetylacetonates and 250 ° C for the fluorinated acetylacetonates.
  • 6. Metal alcoholates M (OR) n ; the deposition of the oxides of lanthanides and actinides including Sc 2 O 3 ; Y 2 0 3 and Th0 2 is possible at temperatures from 400 to 600 ° C. In some cases, double oxides, e.g. B. MgAl 2 O 4 , are deposited.

Vorzugsweise läßt man Wolfram und Thorium bzw. Th02 alternierend oder simultan aus WF6 + H2 und Th-Diketonat, insbesondere Th-Acetylacetonat, vorzugsweise Th-Trifluoracetylacetonat oder Th-Hexafluoracetylacetonat, aber auch Th-Heptafluordimethyloctandion oder Th-Dipivaloylmethan, bei Temperaturen zwischen 400 °C und 650 °C durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase aufwachsen, wobei die metallorganische Th-Ausgangsverbindung sich in Pulverform in einem Sättiger befindet, der auf eine Temperatur nahe unterhalb des jeweiligen Schmelzpunktes geheizt wird und von einem Inertgas, insbesondere Argon, als Trägergas durchströmt wird.Tungsten and thorium or Th0 2 are preferably allowed to alternate or simultaneously from WF 6 + H 2 and Th-diketonate, in particular Th-acetylacetonate, preferably Th-trifluoroacetylacetonate or Th-hexafluoroacetylacetonate, but also Th-heptafluorodimethyloctanedione or Th-dipivaloylmethane, at temperatures grow between 400 ° C and 650 ° C by reactive deposition from the gas phase, the organometallic Th starting compound being in powder form in a saturator which is heated to a temperature close to the respective melting point and by an inert gas, in particular argon, as Carrier gas is flowed through.

Die Schichtstruktur des Nachlieferungsbereichs ist in der Regel so ausgebildet, daß die Schichtdicken der Basismaterialschichten etwa 1 bis 10 µm und die des emittierenden Stoffes etwa 0,1 bis 1 µm betragen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindunsgemäßen Verfahrens wird auf eine strukturstabilisierte dotierte CVD-Trägerschicht von 30 bis 300 µm Dicke, insbesondere 100 µm Dicke, der Nachlieferungsbereich mit emittierendem Stoff in Form einer Schichtenfolge per CVD-Verfahren aufgebracht, bei der sich jeweils eine Schicht aus hochschmelzendem Metall mit geringen Beimengungen an elektronenemittierendem Stoff und gegebenenfalls stabilisierender Dotierung mit einer solchen mit hohen Konzentrationen an elektronenemittierendem Stoff, die etwas dünner ist, abwechselt, wobei die Schichtabstände in der Größenordnung der Korngrößen liegen. Insbesondere beträgt die Einzelschichtdicke 0,5 bis 10 µm bei einer Konzentration des emittierenden Stoffes bis 5 Gew.% und 0,1 bis 2 µm bei einer Konzentration des emittierenden Stoffes von 5 bis 50 Gew.%. Die mittlere Konzentration an emittierendem Stoff liegt vorzugsweise bei 15 bis 20 Gew.%.The layer structure of the subsequent delivery area is generally designed such that the layer thicknesses of the base material layers are approximately 1 to 10 μm and that of the emitting substance is approximately 0.1 to 1 μm. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the subsequent delivery area with emissive substance is applied in the form of a layer sequence by means of a CVD method to a structure-stabilized doped CVD carrier layer of 30 to 300 μm thickness, in particular one layer of high-melting Alternates metal with small additions of electron-emissive material and optionally stabilizing doping with one with high concentrations of electron-emissive material, which is somewhat thinner, the layer spacings being of the order of the grain sizes. In particular, the individual layer thickness is 0.5 to 10 μm at a concentration of the emitting substance of up to 5% by weight and 0.1 to 2 μm at a concentration of the emitting substance of 5 to 50% by weight. The average concentration of emissive substance is preferably 15 to 20% by weight.

Auf den Nachlieferungsbereich wird anschließend eine vorzugsorientierte Deckschicht aufgebracht, die eine erhöhte Emission garantiert. Diese Deckschicht kann aus demselben Material wie die Basis bestehen, oder aus einem weiteren Material, das so gewählt wird, daß die Austrittsarbeit für die Kombination Emittermonoschicht-Deckschicht noch niedriger wird als die aus der Emitter-Basis-Kombination. In der Regel besteht die Deckschicht aus einem Metall hoher Austrittsarbeit, das über ein hohes Dipolmoment zwischen Emitterfilm und Deckschicht die Austrittsarbeit entsprechend erniedrigt. Dieses Dipolmoment zum elektropositivem Emitterfilm ist nicht nur abhängig vom Material, sondern auch von seiner Kristallit-Oberflächenorientierung. Ein Mittel, dieses substraktive Dipolfeld weiter zu verstärken und die Emission dadurch zu erhöhen, ist nun, statt einer untexturierten Oberfläche eine geeignet orientierte polykristalline Oberflächenschicht aufzubringen. Diese Vorzugsorientierung läßt sich praktisch nur durch Abscheidung aus der Gasphase auf eventuell geeignet vorbehandelten Oberflächen erzielen. Im Falle einer Thorium-Monoschicht auf Wolfram ist 111 die geeignete Vorszugsorientierung für Wolfram. Die aufgebrachte Oberflächenschicht muß aber noch weiteren Bedingungen genügen. Eine wichtige zusätzliche Bedingung ist, daß sie sehr feinkristallin sein muß. Das hat folgende Ursache.A preferential cover layer is then applied to the subsequent delivery area, which guarantees increased emissions. This cover layer can consist of the same material as the base, or of a further material which is selected such that the work function for the combination of emitter monolayer cover layer is even lower than that of the emitter-base combination. As a rule, the cover layer consists of a metal with a high work function, which reduces the work function accordingly by means of a high dipole moment between the emitter film and the cover layer. This dipole moment to the electropositive emitter film is not only dependent on the material, but also on its crystallite surface orientation. A with To further strengthen this subtractive dipole field and thereby increase the emission is now to apply a suitably oriented polycrystalline surface layer instead of an untextured surface. This preferred orientation can practically only be achieved by deposition from the gas phase on suitably pretreated surfaces. In the case of a thorium monolayer on tungsten, 111 is the preferred preferred orientation for tungsten. The applied surface layer must also meet other conditions. An important additional condition is that it must be very fine crystalline. The reason is as follows.

Da die meisten gebräuchlichen emittierenden Stoffe nur geringe Löslichkeiten in den hochschmelzenden Materialien, aus denen das tragende Grundgerüst der Kathode (Basis) mit der Deckschicht besteht, haben, findet die Diffusion der vom Inneren an die Kathodenoberfläche nachgelieferten emittierenden Stoffe entlang der Korngrenzen statt. Um also eine hinreichende Nachlieferung an die Oberfläche zum Ausgleich der durch Abdampfen entstehenden Verluste an emittierenden Stoffen und eine hinreichende Oberflächenbedeckung durch dieselben zu gewährleisten, dürfen die Zahl der Korngrenzen nicht zu gering und die Diffusionswege entlang der Obeffläche nicht zu lang sein.Since most of the common emissive substances have only low solubilities in the high-melting materials that make up the supporting framework of the cathode (base) with the cover layer, the diffusion of the emissive substances supplied from the inside to the cathode surface takes place along the grain boundaries. In order to ensure sufficient subsequent delivery to the surface to compensate for the losses of emitting substances caused by evaporation and adequate surface coverage by the same, the number of grain boundaries must not be too small and the diffusion paths along the surface of the surface must not be too long.

Diese Bedingung wird von konventionellen Kathoden bei nicht zu hohen Betriebstemperaturen in der Regel erfüllt. Bei erhöhten Temperaturen, die normalerweise auch höhere Emission bedeuten, nimmt jedoch die Desorption des emittierenden Stoffes im Vergleich zur Oberflächendiffusion so stark zu, daß eine ausreichende Monoschichtbedeckung nicht mehr gewährleistet ist. Der dadurch bedingte Abfall der Emission hängt kritisch von den mittleren Korndurchmessern ab und tritt erst bei umso höheren Temperaturen auf, je kleiner die mittlere Korngröße ist. Bei Th-[W]-Kathoden bedeutet ein mittlerer Wolfram-Korndurchmesser von -- 1 µm eine Ausdehnung des nutzbaren Temperaturbereichs bis auf -- 2 400 K. Solche kleinen stabilen Korngrößer lassen sich praktisch nur per CVD-Verfahren, und da nur durch geeignete Wahl der Parameter, herstellen. Diese Oberflächenstruktur muß natürlich auch der weiteren Forderung genügen, daß sie gegenüber längeren thermischen Belastungen stabil bleibt. Steigt z. B. bei Betrieb der Kathode die Korngröße durch Rekristallisation zu stark an, so bewirkt das schließlich durch Rückgang der monoatomaren Bedeckung einen Abfall des Emissionsstroms und damit eine niedrigere Lebensdauer. Dieselbe Stabilitätsforderung gilt auch für die Textur, d. h. die eingestellte Vorzugsorientierung an der Oberfläche muß erhalten bleiben.This condition is usually met by conventional cathodes at operating temperatures that are not too high. At elevated temperatures, which usually also mean higher emissions, the desorption of the emitting substance increases so much in comparison with surface diffusion that sufficient monolayer coverage is no longer guaranteed. The resulting drop in emissions depends critically on the mean grain diameter and only occurs at higher temperatures, the smaller the mean grain size. With Th- [W] cathodes, an average tungsten grain diameter of - 1 µm means that the usable temperature range can be extended to - 2 400 K. Such small, stable grain sizes can practically only be achieved using a CVD process, and only by using suitable ones Choice of parameters, manufacture. This surface structure must of course also meet the further requirement that it remains stable against longer thermal loads. Increases z. If the grain size increases too much due to recrystallization during operation of the cathode, this finally causes a decrease in the emission current and thus a shorter service life due to the decrease in the monoatomic coverage. The same stability requirement also applies to the texture, i.e. H. the preferred orientation set on the surface must be maintained.

Diese Rekristallisation verhindert man analog der mechanischen Stabilisierung der Trägerschicht durch Zusatz einer im Kristallgitter des Deckschichtmaterials unlöslichen Substanz, die simultan aus der Gasphase mit abgeschieden wird. Im Falle von Wolfram als Deckschicht- oder Basismaterial sind wegen ihrer geringen Fest-Löslichkeit in Wolfram Dotierungen mit Th, Th02, Zr, Zr0 2, U0 2, Y, Sc, Y203, SC203 und Ru geeignet. Geht man von einer Arbeitstemperatur von 2 000 K aus (d. h. der Schmelzpunkt der Dotierung muß höher liegen) und fordert eine einfache Handhabung, so bleiben Th02, Zr02, Y203, Sc203 und Ru als bevorzugte CVD-Dotierungen. Die Dotierung kann insbesondere auch mit dem emittierenden Stoff identisch sein, falls Th, Y oder Sc die Emittermonoschicht bilden.This recrystallization is prevented analogously to the mechanical stabilization of the support layer by adding a substance which is insoluble in the crystal lattice of the cover layer material and which is simultaneously separated from the gas phase. In the case of tungsten as the top layer or base material, doping with Th, Th0 2 , Zr, Zr0 2 , U0 2 , Y, Sc, Y 2 0 3 , SC 2 0 3 and Ru are suitable because of their low solubility in tungsten. If one assumes a working temperature of 2,000 K (ie the melting point of the doping must be higher) and demands easy handling, Th0 2 , Zr0 2 , Y 2 0 3 , Sc 2 0 3 and Ru remain as preferred CVD doping . The doping can in particular also be identical to the emitting substance if Th, Y or Sc form the emitter monolayer.

Die Verhinderung des Kristallitwachstums bedeutet zugleich eine Stabilisierung der Textur, die ohne Dotierung in der überwiegenden Zahl der Fälle bereits in der Aktivierungsphase der Kathode zerstört wird. Die Zerstörung der Textur bei höheren Betriebstemperaturen kommt bei reinen Materialien wahrscheinlich dadurch zustande, daß Minoritätskristallite auf Kosten der vorzugsorientierten Majorität stark wachsen, oder daß Kristallitwachstum von der unorientierten Basis ausgeht.The prevention of crystallite growth also means a stabilization of the texture, which in the majority of cases is destroyed without doping in the activation phase of the cathode. The destruction of the texture at higher operating temperatures probably occurs in pure materials by the fact that minority crystallites grow strongly at the expense of the preference-oriented majority, or that crystallite growth starts from the unoriented base.

Damit können Kathoden mit vorzugsorientierter Deckschicht - was zugleich eine höhere Emission als bei konventionellen Kathoden bedeutet - hergestellt werden, die auch eine entsprechend große Lebensdauer aufweisen.This means that cathodes with a preferred top layer - which also means a higher emission than conventional cathodes - can be produced, which also have a correspondingly long service life.

Die unterschiedlichen Teile bzw. Schichten einer solchen erfindungsgemäß vollständig mit CVD-Verfahren hergestellten Kathode haben also deutlich unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen und müssen daher entsprechend diesen Aufgaben maßgeschneidert sein. In vielen Fällen empfiehlt es sich, zusätzlich erst eine leicht entfernbare lockere Zwischenschicht auf die Unterlage aufzubringen. Die darauf folgende feinstkristalline und dotierte Basisschicht dient der mechanischen Stabilisierung der Kathodenstruktur auch unter thermischer Belastung und ermöglicht es, freitragende substratlose CVD-Strukturen herzustellen. Im Nachlieferungsbereich schließlich kommt es vor allen Dingen auf einen großen Vorrat an emittierendem Stoff an. Die mechanischen Eigenschaften und die Kornstruktur sind in diesem Bereich weniger kritisch, solange nur eine hohe Dotierungskonzentration an emittierendem Stoff - zweckmäßigerweise etwa 10 bis 30 Gew.% - realisiert ist.The different parts or layers of such a cathode, which is produced entirely according to the invention using the CVD method, therefore have to perform distinctly different tasks and must therefore be tailored to these tasks. In many cases it is advisable to apply an easy-to-remove, loose intermediate layer to the surface. The following finely crystalline and doped base layer serves to mechanically stabilize the cathode structure even under thermal stress and enables self-supporting substrate-free CVD structures to be produced. Finally, in the subsequent delivery area, a large stock of emissive material is important. The mechanical properties and the grain structure are less critical in this area, as long as only a high doping concentration of emissive substance - advantageously about 10 to 30% by weight - is realized.

Die vorzugsorientierte Deckschicht sorgt hingegen für eine sehr niedrige Elektronenaustrittsarbeit aus der Oberflächendipolschicht und außerdem vermittels ihrer feinkristallinen Struktur für eine gute Bedeckung mit dem monoatomaren Emitterfilm. Sie ist außerdem durch geringe unlösliche Dotierungen texturstabilisiert.The preferred oriented cover layer, on the other hand, ensures a very low electron work function from the surface dipole layer and, thanks to its fine crystalline structure, also ensures good coverage with the monoatomic emitter film. It is also texture stabilized by low insoluble doping.

Anstelle der Beschichtung der Außenfläche eines Substratkörpers ist auch eine Innenbeschichtung eines geeigneten Hohlkörpers durchführbar. Dabei werden jedoch die Schichten in invertierter Reihenfolge aufgebracht, d. h. man scheidet zunächst die vorzugsorientierte Deckschicht ab, dann die Nachlieferungszone und schließlich die mechanisch stabile tragende Basis, also die Trägerschicht. Der fertige Kathodenkörper wird schließlich noch mit Stromzuführungen zur direkten Heizung versehen.Instead of coating the outer surface of a substrate body, an inner coating of a suitable hollow body can also be carried out. However, the layers are applied in an inverted order, that is to say first the preferred oriented cover layer is separated, then the subsequent delivery zone and finally the mechanically stable load-bearing base, that is to say the carrier layer. Finally, the finished cathode body becomes direct with current leads provided heating.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß großflächige thermionische Kathoden mit hohen Emissionsströmen, stabilem Hochfrequenzverhalten und frei wählbarer geometrischer Form und hoher Lebensdauer verfügbar werden, die für eine automatisierte Großserienproduktion mit niedrigen Herstellungskosten ohne die vielen zeitraubenden Verfahrensschritte wie bei Maschenkathoden geeignet sind. Durch Anwendung des CVD-Verfahrens wird die bei den bekannten hochschmelzenden und sehr harten Kathodenwerkstoffen, beispielsweise Wolfram, aufwendige und schwierige mechanische Bearbeitung vermieden und gleichzeitig eine nahezu beliebige Schichtstruktur herstellbar.The advantages of the invention are that large-area thermionic cathodes with high emission currents, stable high-frequency behavior and freely selectable geometric shape and long service life are available, which are suitable for automated large-scale production with low manufacturing costs without the many time-consuming process steps as with mesh cathodes. By using the CVD process, the complex and difficult mechanical processing of the known high-melting and very hard cathode materials, for example tungsten, is avoided and at the same time an almost arbitrary layer structure can be produced.

Besonders vorteilhaft ist die Herstellung der gesamten Kathode mit allen Materialschichten durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase in einem kontinuierlichen Verfahren.The production of the entire cathode with all material layers by reactive deposition from the gas phase in a continuous process is particularly advantageous.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bringt man die Schichtstruktur derart auf, daß die zuvor genannten drei Schichten a, β und y identisch sind. Damit wird erreicht, daß eine einzige Schicht die Funktionen der Schichten a, β und y übernimmt. Diese einzige Schicht weist eine geeignete Textur und eine hohe Emitter- und Dotierungskonzentration auf ; sie ist wegen der feinverteilten Dotierungen zugleich texturstabilisiert, mikrostrukturstabilisiert und mechanisch stabil bei thermischer Belastung.In a further embodiment of the invention, the layer structure is applied in such a way that the three layers a, β and y mentioned above are identical. This ensures that a single layer takes over the functions of layers a, β and y. This single layer has a suitable texture and a high emitter and doping concentration; due to the finely divided doping, it is also texture stabilized, microstructure stabilized and mechanically stable under thermal stress.

Die erfindungsgemäß hergestellten Kathoden zeichnen sich durch die Kombination von hoher Lebensdauer, hoher Emitterkonzentration und großer mechanischer Stabilität aus.The cathodes produced according to the invention are distinguished by the combination of a long service life, high emitter concentration and great mechanical stability.

Zur Erläuterung der Erfindung sind einige Ausführungsbeispiele in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigen

  • Figur 1 einen Schnitt entlang der Längsachse durch eine Abscheidevorrichtung für eine Kathode,
  • Figur 2 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 mit einer nach Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Kathode senkrecht zur Längsachse,
  • Figur 3a einen Querschnitt durch eine Th + W-CVD-Kathode nach Ausführungsbeispiel 2,
  • Figur 3b das dazugehörige (W2C)Th02-Konzentrationsprofil,
  • Figur 4 die zeitliche Variation von WF6- und Ar-Gasdurchflußraten zur Erzielung der Kathodenstruktur von Abb. 3a,
  • Figur 5 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1 mit einer nach Ausführungsbeispiel 3 hergestellten Kathode senkrecht zur Längsachse,
  • Figur 6 eine fertige, mit einem inneren Leiter und einem Ringkontakt zum direkten Beheizen versehene Kathode nach Ausführungsbeispiel 3,
  • Figur 7 einen Schnitt parallel zur Längsachse durch ein außen beschichtetes Kathodensubstrat nach Beispiel 4 und
  • Figur 8 einen vergrößert wiedergegebenen Bereich aus Fig. 7.
To illustrate the invention, some embodiments are shown in the drawing and are described below. Show it
  • FIG. 1 shows a section along the longitudinal axis through a deposition device for a cathode,
  • 2 shows a section through the arrangement according to FIG. 1 with a cathode produced according to embodiment 1 perpendicular to the longitudinal axis,
  • FIG. 3a shows a cross section through a Th + W CVD cathode according to embodiment 2,
  • FIG. 3b shows the associated (W 2 C) Th0 2 concentration profile,
  • FIG. 4 shows the temporal variation of WF 6 and Ar gas flow rates to achieve the cathode structure of FIG. 3a.
  • 5 shows a section through the device according to FIG. 1 with a cathode produced according to embodiment 3 perpendicular to the longitudinal axis,
  • FIG. 6 shows a finished cathode according to embodiment 3, provided with an inner conductor and a ring contact for direct heating,
  • 7 shows a section parallel to the longitudinal axis through an externally coated cathode substrate according to Example 4 and
  • FIG. 8 shows an enlarged area from FIG. 7.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Im Inneren einer dem Prinzip nach bekannten Vorrichtung zur reaktiven Abscheidung von Substanzen aus der Gasphase (CVD-Reaktor), die aus einem Gasversorgungssystem mit Mengenflußreglern, einer Reaktionskammer und einem Gasentsorgungssystem besteht, befindet sich die in Fig. 1 wiedergegebene Anordnung. Ein als Unterlage dienender Hohlzylinder 1 aus pyrolytischem Graphit mit einem Innendurchmesser von 12 mm, einer Länge von 95 mm und einer Wandstärke von ungefähr 200 4m ist auf seiner ganzen Länge von einer Heizwendel 3 aus Wolframdraht umgeben und an seinen Enden in ebenfalls aus wärmebeständigem Material gefertigten Abdeckplatten 2 gehaltert. Der pyrolytische Graphit der Unterlage 1 ist dabei parallel zur inneren Mantelfläche geschichtet, d. h. die kristallographische c-Achse liegt in Richtung der Flächennormalen der Mantelfläche. Die Heizung des Graphitzylinders kann aber auch durch direkten Stromdurchgang durch den Zylinder erfolgen.The arrangement shown in FIG. 1 is located inside a device, known in principle, for the reactive separation of substances from the gas phase (CVD reactor), which consists of a gas supply system with mass flow controllers, a reaction chamber and a gas disposal system. A hollow cylinder 1 made of pyrolytic graphite, which serves as a base, with an inner diameter of 12 mm, a length of 95 mm and a wall thickness of approximately 200 4 m, is surrounded over its entire length by a heating coil 3 made of tungsten wire and at its ends also made of heat-resistant material Cover plates 2 held. The pyrolytic graphite of the base 1 is layered parallel to the inner surface, i. H. the crystallographic c-axis lies in the direction of the surface normal of the lateral surface. The graphite cylinder can also be heated by direct current passage through the cylinder.

Die Kathode 4 entsteht im CVD-Verfahren durch Aufwachsen auf der inneren Mantelfläche der Unterlage 1 in invertierter Reihenfolge der Schichten der Kathode, d. h., es wird zuerst die spätere Oberflächenschicht der Kathode abgeschieden und zuletzt die spätere innere Trägerschicht der Kathode.The cathode 4 is formed in the CVD process by growing on the inner lateral surface of the base 1 in an inverted order of the layers of the cathode, i. that is, the later surface layer of the cathode is deposited first and finally the later inner support layer of the cathode.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Unterlage 1 auf eine Temperatur von 550 bis 600 °C erhitzt, die Reaktionsgase werden mit einem Druck von etwa 50 mbar eingeleitet.In the present embodiment, the base 1 is heated to a temperature of 550 to 600 ° C, the reaction gases are introduced at a pressure of about 50 mbar.

Fig. 2 zeigt die aufgewachsenen Schichten der Kathode in einem Schnitt quer zur Längsachse des Unterlagen-Hohlzylinders 1. Auf dem Substrat wird zuerst eine bezogen auf die Unterlagenoberfläche in < 1,1,1 >-Richtung vorzugsorientierte, feinkristalline (Korngrößen 1 µm und kleiner) und mit 1 % Th02 zur Stabilisierung des Kristallgefüges dotierte W-Schicht 7 in einer Dicke von 5 µm abgeschieden. Dazu werden als Reaktionsgase WF6 mit einer Durchflußrate von 30 bis 50 cm3/Min, H2 mit einer Durchflußrate von 400 bis 500 CM 3/Min und mit Thorium-Acetylacetonat gesättigtes Ar mit einer Durchflußrate von 100 cm3/Min als Gemisch etwa 3 bis 5 Min lang über die Unterlage geleitet. Der Wasserstoff dient als Reduziergas für die Metallverbindungen. Das Thorium-Acetylacetonat befindet sich in Pulverform in einem Sättigergefäß, das auf einer Temperatur von 160 °C gehalten und von dem als Trägergas dienenden Ar durchspült wird. Die Reaktionsgase werden in einer Mischkammer, die auf eine Temperatur von ungefähr 180 °C aufgeheizt ist, gemischt und durch eine Düse auf die Oberfläche der Unterlagen geleitet.2 shows the grown layers of the cathode in a section transversely to the longitudinal axis of the underlay hollow cylinder 1. First, a finely crystalline (grain size 1 μm and smaller), which is preferred in relation to the underlay surface in the <1,1,1> direction, is placed on the substrate ) and deposited with 1% Th0 2 to stabilize the crystal structure W layer 7 in a thickness of 5 microns. For this purpose, the reaction gases WF 6 with a flow rate of 30 to 50 cm 3 / min, H 2 with a flow rate of 400 to 500 CM 3 / min and Ar saturated with thorium acetylacetonate with a flow rate of 100 cm 3 / min as a mixture Passed over the pad for 3 to 5 minutes. The hydrogen serves as a reducing gas for the metal compounds. The thorium acetylacetonate is in powder form in a saturation vessel, which is kept at a temperature of 160 ° C and is flushed out by the Ar serving as the carrier gas. The reaction gases are mixed in a mixing chamber, which is heated to a temperature of approximately 180 ° C., and passed through a nozzle onto the surface of the substrates.

Die Sättigertemperatur von 160 °C ist genau einzuhalten, da unterhalb + 150°C der Th(A-cAc)4-Dampfdruck für eine Beschichtung zu gering ist und bei + 170 °C eine vorzeitige Zersetzung dieser Verbindung bereits im Sättigergefäß auftritt. Nach Aufwachsen der vorzugsorientierten Außenschicht der Kathode wird die mit elektronenemittierendem Stoff angereicherte Nachlieferungsschicht 6 abgeschieden. Dazu stellt man bei Durchflußraten von etwa 15 cm3/Min für WF6 bzw. 150 cm3/Min für H2 eine Argon-Durchflußrate von etwa 85 cm3/Min ein. Es bildet sich eine W-Schicht mit einer Beimengung von etwa 20 % Th02 - eventuell unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen oxidierenden Gases wie CO2. Nach einer Abscheidedauer von etwa 100 Min erreicht die Schicht eine Dicke von etwa 40 µm. Eine Karburierung wie bei konventionellen thorierten Wolframkathoden ist nicht notwendig, da bereits genügend Kohlenstoff aus Th C20H28O8 mit abgeschieden wird. Eine ebenfalls für den Nachlieferungsbereich praktizierte Lösung besteht darin, alternierend Th(Th02)- und W-Schichten aufwachsen zu lassen, wobei insbesondere die WFs-Durchflußrate zwischen 10 und 60 cm3/Min und die Ar-Rate zwischen 85 und 30 cm3/min wechselt. Die H2-Rate beträgt in der Regel das Zehnfache der WFs-Rate und die Intervalle betragen 1 Min für W- und etwa 5 Min für Th-Schichten, die dann etwa 4 bzw. 1 µm dick sind. Anschließend wird der tragende Kathodenteil 5 mit einer Schichtdicke von etwa 50 bis 100 µm hergestellt. Dazu werden entweder wieder die Anfangsdurchflußraten eingestellt, diesmal bei einer Temperatur von 500 °C, oder es werden die Parameter der Schichtenfolge des Nachlieferungsbereichs in rascher Folge umgeschaltet, wobei die Dauer der W-Intervalle jeweils 20 s und die der Th-Intervalle etwa 1 Min beträgt. Als oberste Schicht kann dann zusätzlich noch eine reine W-Schicht von etwa 10 µm abgeschieden werden.The saturator temperature of 160 ° C must be strictly observed, since below + 150 ° C the Th (A-cAc) 4 vapor pressure is too low for a coating and at + 170 ° C premature decomposition of this compound already occurs in the saturation vessel. After the preferred outer layer of the cathode has grown, the electron-emissive material is enriched Subsequent delivery layer 6 deposited. For this purpose, an argon flow rate of about 85 cm 3 / min is set at flow rates of about 15 cm 3 / min for WF 6 or 150 cm 3 / min for H 2 . A W layer is formed with an admixture of about 20% Th0 2 - possibly with the help of an additional oxidizing gas such as CO 2 . After a deposition time of approximately 100 minutes, the layer reaches a thickness of approximately 40 µm. A carburization as with conventional thoriated tungsten cathodes is not necessary because enough carbon from Th C 20 H 28 O 8 is already deposited. Another solution also practiced for the subsequent delivery area is to grow Th (Th0 2 ) and W layers alternately, the WF s flow rate in particular between 10 and 60 cm 3 / min and the Ar rate between 85 and 30 cm 3 / min changes. The H 2 rate is usually ten times the WF s rate and the intervals are 1 min for W and about 5 min for Th layers, which are then about 4 or 1 µm thick. The supporting cathode part 5 is then produced with a layer thickness of approximately 50 to 100 μm. For this purpose, either the initial flow rates are set again, this time at a temperature of 500 ° C, or the parameters of the layer sequence of the subsequent delivery area are switched over in quick succession, the duration of the W intervals being 20 s each and that of the Th intervals being about 1 min is. A pure W layer of about 10 µm can then be deposited as the top layer.

Bei den schnellen Schaltvorgängen zwischen verschiedenen Parametersätzen wird in der Regel eine Computersteuerung der Gasmengendurchflußregler eingesetzt.A computer control of the gas volume flow controller is generally used for the fast switching processes between different parameter sets.

Insbesondere zur Erzielung gleichmäßig dicker Schichten innerhalb des Graphitröhrchens ist eine hochfrequente Modulation sämtlicher Durchflußraten empfehlenswert.A high-frequency modulation of all flow rates is recommended, in particular, in order to achieve uniformly thick layers within the graphite tube.

Nach Beendigung der Beschichtungsvorgänge werden Unterlage und Kathode langsam auf Zimmertemperatur abgekühlt. Bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Werkstoffe und durch die schlechte Haftung des Wolframs auf pyrolytischem Graphit schrumpft die thorierte Wolframkathode 4 bei der Abkühlung um über 500 °C im Durchmesser um etwa 10 µm stärker als der Unterlagen-Hohlzylinder 1 und löst sich von ihm. Wegen des entstandenen Spalts 10 wird die Wolfram-Thorium-Kathode ohne Mühe aus dem Unterlagenzylinder gezogen. Da die innere Zylinderoberfläche der Unterlage aus pyrolytischem Graphit mit einer sehr glatten, gleichmäßigen Oberfläche besteht, weist die äußere Oberfläche der fertigen Kathode ohne Nachpolieren eine hohe Oberflächengüte auf, die auch nicht durch Unregelmäßigkeiten in den abgeschiedenen Schichten beeinflußt wird.After the coating processes have been completed, the substrate and cathode are slowly cooled to room temperature. Due to the different thermal expansion coefficients of the two materials and the poor adhesion of the tungsten to pyrolytic graphite, the thoriated tungsten cathode 4 shrinks and cools when it is cooled by over 500 ° C in diameter by about 10 µm more than the underlay hollow cylinder 1. Because of the gap 10 formed, the tungsten-thorium cathode is pulled out of the underlay cylinder with ease. Since the inner cylinder surface of the base consists of pyrolytic graphite with a very smooth, uniform surface, the outer surface of the finished cathode has a high surface quality without polishing, which is also not influenced by irregularities in the deposited layers.

Der fertige, rohrförmige Kathodenkörper wird senkrecht zu seiner Längsachse in mehrere kurze Rohrabschnitte geschnitten, z. B. mit einem Laserstrahl. Jeder der Abschnitte bildet dann die Kathode einer Röhre.The finished tubular cathode body is cut perpendicular to its longitudinal axis into several short tube sections, for. B. with a laser beam. Each of the sections then forms the cathode of a tube.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Fig.3a zeigt einen Querschnitt durch die Schichtstruktur einer planaren (ebenen) Kathode, der aber auch mit einem Ausschnitt aus dem Mantel einer zylinderförmigen Kathode identisch sein kann. Die oberste Schicht 7 ist dabei eine 111 >-vorzugsorientierte, polykristalline W-Schicht mit mittleren Korngrößen von etwa 1 bis 2 µm. Sie hat eine Dicke von etwa 10 µm und ist mit etwa 1 % feindispersem Th02 dotiert. Darunter liegt der etwa 50 µm dicke Nachlieferungsbereich 6, der aus einzelnen Schichten 9 von 2 µm 1 %ig thoriertem W besteht, mit Zwischenschichten 8 von 0,2 µm mit etwa 20 bis 40 Mol % Th02 und einer Kohlenstoffanreicherung in derselben Größenordnung. Die hochfrequente Schichtenabfolge dient der Stabilisierung der Kornstruktur und der Konservierung von Korngrößen von 1 bis 2 µm.3a shows a cross section through the layer structure of a planar (planar) cathode, but this can also be identical to a section of the jacket of a cylindrical cathode. The top layer 7 is a 111> preferred oriented, polycrystalline W layer with average grain sizes of about 1 to 2 microns. It has a thickness of about 10 microns and is doped with about 1% finely dispersed Th0 2 . Below this is the approximately 50 µm thick subsequent delivery area 6, which consists of individual layers 9 of 2 µm 1% thoriated W, with intermediate layers 8 of 0.2 µm with approximately 20 to 40 mol% Th0 2 and a carbon enrichment of the same order of magnitude. The high-frequency layer sequence serves to stabilize the grain structure and to preserve grain sizes from 1 to 2 µm.

Der Nachlieferungsbereich 6 bildet zusammen mit dem tragenden Teil 5 die Basis B. Mit Ausnahme der erwähnten Zwischenschichten besteht sie durchweg aus W mit 1 % ThO2. Statt 1 % Th02 wird aber auch 1 % Zr02 oder 1 % Sc2O3 zur mechanischen und strukturellen Stabilisierung gegen thermische Belastung benutzt. Sämtliche Schichten 5 bis 9 werden durch Abscheidung aus der Gasphase auf einer Unterlage aus Mo oder Graphit hergestellt. Die Unterlage wird nach der Beschichtung wieder entfernt. Fig. 3b zeigt in Ergänzung zu Fig. 3a noch einmal das Th02- und C-Konzentrationsprofil über den Kathodenquerschnitt. Fig.4 zeigt die zeitliche Variation der WF6- und Ar-Durchflußraten Ö, 11 bzw. 12, die zur Erzielung der obigen Kathodenstruktur notwendig ist, als Funktion der Zeit nach Beginn der CVD-Abscheidung. Ar ist dabei das Trägergas für Thoriumacetylacetonat Th(C5H702)4, mit dem es sich nach Durchströmung eines Sättigers, der auf eine Temperatur von 160°C aufgeheizt ist, angereichert hat. Die anderen Gase, die den Reaktor durchströmen, sind H2, dessen Durchflußrate etwa 10 mal höher ist als die vom WF6, und N2, das als Spülgas für ein Beobachtungsfenster dient. Die Substrattemperatur wird mit einem Strahlungspyrometer durch das Beobachtungsfenster gemessen und auf einem Wert von etwa 500 °C konstant gehalten. Der mittlere Druck im Reaktor liegt im Bereich von 10 bis 100 mbar, vorzugsweise bei 40 mbar. Der Reaktor selbst befindet sich auf einer Temperatur von etwa 180 °C. Noch besser geeignet für die Th-CVD als Th(C5H7O2)4 ist fluoriertes Thoriumacetylacetonat. Andere spezielle metallorganische Verbindungen mit höherem Dampfdruck, wie z. B. Th-Dipivaloylmethan oder Th-Heptafluordimethyloctandion, sind ebenfalls geeignet. Th02 als Emittermaterial kann ohne wesentliche Änderungen durch Seltenerdmetalle ersetzt werden, vorzugsweise durch Ce02, Sm203, Eu203, Y203, während als Dotierung von W zur mechanisch-thermischen Stabilisierung weiterhin Th02 oder Zr02 oder SC203 benutzt werden.The subsequent delivery area 6 forms the base B together with the load-bearing part 5. With the exception of the intermediate layers mentioned, it consists entirely of W with 1% ThO 2 . Instead of 1% Th0 2 , 1% Zr0 2 or 1% Sc 2 O 3 is also used for mechanical and structural stabilization against thermal stress. All layers 5 to 9 are produced by deposition from the gas phase on a base made of Mo or graphite. The underlay is removed again after the coating. Fig. 3b shows in addition to Fig. 3a again the Th0 2 and C concentration profile over the cathode cross section. FIG. 4 shows the time variation of the WF 6 and Ar flow rates Ö, 11 and 12, respectively, which is necessary to achieve the above cathode structure, as a function of the time after the start of the CVD deposition. Ar is the carrier gas for thorium acetylacetonate Th (C 5 H 7 0 2 ) 4 , with which it has accumulated after flowing through a saturator which is heated to a temperature of 160 ° C. The other gases that flow through the reactor are H 2 , the flow rate of which is about 10 times higher than that of WF 6 , and N 2 , which serves as a purge gas for an observation window. The substrate temperature is measured with a radiation pyrometer through the observation window and kept constant at a value of approximately 500 ° C. The average pressure in the reactor is in the range from 10 to 100 mbar, preferably 40 mbar. The reactor itself is at a temperature of approximately 180 ° C. Fluorinated thorium acetylacetonate is even more suitable for Th-CVD than Th (C 5 H 7 O 2 ) 4 . Other special organometallic compounds with higher vapor pressure, such as. B. Th-dipivaloylmethane or Th-heptafluorodimethyloctanedione are also suitable. Th0 2 as an emitter material can be replaced by rare earth metals without significant changes, preferably by Ce0 2 , Sm 2 0 3 , Eu 2 0 3 , Y 2 0 3 , while doping W for mechanical-thermal stabilization sation Th0 2 or Zr0 2 or S C2 0 3 can still be used.

Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3

In der im Beispiel 1 beschriebenen Apparatur wird, wie in Fig. im Ergebnis dargestellt, bei 500 °C und kaltem Reaktor (Durchflußrate Ö(Ar) = 0), eine etwa 2 µm starke Schicht 15 aus reinem Wolfram als erste Schicht innerhalb von 1 Min auf der Unterlage 1 abgeschieden, alle anderen Verfahrensparameter entsprechen denen für die Schicht 5 vom Beispiel 1, Fig. 2. Dann wird der WFs-Zufluß beendet und die Unterlagentemperatur auf 800 °C eingestellt. Ein Gasgemisch aus ReF6 mit einer Durchflußrate von ungefähr 60 cm3/Min und H2 mit einer Durchflußrate von 600 cm3/Min wird über die Unterlage geleitet und darauf mittels der Reaktion

Figure imgb0001
innerhalb von 3 Min eine 5 µm dicke Re-Schicht 7 abgeschieden, die im Falle ihres späteren Verbleibs in der Regel vorzugsorientiert ist. Die Re-Abscheidung wird durch langsame Verminderung des Gasstromes aus ReF6 und H2 beendet, bis nach 2 Min der Zustrom dieser Gase völlig unterbunden ist. Gleichzeitig mit dieser Verminderung des Gaszustromes wird die Unterlagentemperatur auf 400 °C eingestellt und Th(BH4)4 wird mit Ar als Trägergas zum Substrat geleitet, wobei die Ar-Durchflußrate etwa 90 cm3/Min beträgt. Th(BH4)4 befindet sich in Pulverform in einem auf etwa 190 °C geheizten Sättiger. Die Reaktortemperatur soll bei der Abscheidung 200 bis 210 °C betragen. Durch pyrolytische Zersetzung scheidet sich auf der Re-Schicht 7 innerhalb von etwa 40 Min eine 30 µm starke Schicht 6 aus ThB4 ab. Auf diese läßt man bei einer kontinuierlichen Änderung der Unterlagentemperatur von 400 °C auf 800 °C und Durchflußraten 60 cm3/Min für ReF6, 90 cm3/Min für das Th(BH4)4-Trägergas Ar und 90 bis 600 cm3/Min für H2 in 5 bis 10 Min eine Übergangsschicht 14 aus Re und ThB4 zu einer Stärke von 5 µm aufwachsen. Dann wird der Zufluß von Th(BH4)4-Trägergas beendet und mit den für die Schicht 7 genannten Verfahrensparametern in 6 Min eine 10 µm dicke Schicht 13 aus Re abgeschieden. Den Abschluß bildet eine 100 µm starke Schicht 5 aus mit 1 % Th02 dotiertem Wolfram, die unter Verwendung der im Beispiel 1 für die Schichten 5 aufgeführten Verfahrensparameter in einer Zeit von 25 Min bei einer Subtrattemperatur von 600 °C abgeschieden wird ; diese Schicht 5 bildet die tragende Schicht der Kathode.In the apparatus described in Example 1, as shown in the result in FIG. 1, at about 500 ° C. and with a cold reactor (flow rate Ö (Ar) = 0), an approximately 2 μm thick layer 15 of pure tungsten is used as the first layer within 1 Min deposited on the base 1, all other process parameters correspond to those for layer 5 from example 1, FIG. 2. Then the WF s inflow is stopped and the base temperature is set to 800 ° C. A gas mixture of ReF 6 with a flow rate of approximately 60 cm 3 / min and H 2 with a flow rate of 600 cm 3 / min is passed over the substrate and then by means of the reaction
Figure imgb0001
a 5 µm thick re-layer 7 is deposited within 3 minutes, which is generally preferred if it remains later. The re-deposition is ended by slowly reducing the gas flow from ReF 6 and H 2 until after 2 minutes the inflow of these gases has been completely prevented. Simultaneously with this reduction in the gas inflow, the substrate temperature is set to 400 ° C. and Th (BH 4 ) 4 is fed to the substrate with Ar as the carrier gas, the Ar flow rate being approximately 90 cm 3 / min. Th (BH 4 ) 4 is in powder form in a saturator heated to about 190 ° C. The reactor temperature should be 200 to 210 ° C during the deposition. By pyrolytic decomposition, a 30 μm thick layer 6 of ThB 4 is deposited on the re-layer 7 within about 40 minutes. These are left with a continuous change in the substrate temperature from 400 ° C to 800 ° C and flow rates 60 cm 3 / min for ReF 6 , 90 cm 3 / min for the Th (BH 4 ) 4 carrier gas Ar and 90 to 600 cm 3 / min for H 2 in 5 to 10 minutes, a transition layer 14 of Re and ThB 4 grow to a thickness of 5 μm. Then the inflow of Th (BH 4 ) 4 carrier gas is stopped and a 10 μm thick layer 13 of Re is deposited in 6 minutes using the process parameters mentioned for layer 7. The conclusion is a 100 μm thick layer 5 made of tungsten doped with 1% Th0 2 , which is deposited using the process parameters listed in Example 1 for layers 5 in a time of 25 minutes at a substrate temperature of 600 ° C .; this layer 5 forms the supporting layer of the cathode.

Nach Beendigung der Beschichtungsvorgänge werden Unterlage und Kathode langsam auf Zimmertemperatur abgekühlt, wobei die gesamte Kathode von der Unterlage 1 wegschrumpft und sich ein Spalt 16 bildet, wie im Beispiel 1 beschrieben.After the coating processes have ended, the substrate and cathode are slowly cooled to room temperature, the entire cathode shrinking away from the substrate 1 and a gap 16 forming, as described in Example 1.

Fig. zeigt eine fertige Kathode nach diesem Ausführungsbeispiel. Der in der CVD-Anlage hergestellte, zylindrische Kathodenkörper 4 wird senkrecht zu seiner Längsachse mit einem Laserstrahl in mehrere Abschnitte zerteilt. Am Rand 17 eines dieser Abschnitte 4 wird eine Kreisscheibe 18 gleichen Durchmessers aus Wolfram oder Molybdän durch Punktschweißung befestigt. Diese Kreisscheibe trägt in ihrer Mitte einen ebenfalls aus Wolfram oder Molybdän gebildeten Stift 19, der der Heizstromzuführung dient und der so ausgerichtet wird, daß seine Längsachse mit der Zylinderachse zusammenfällt. Über den der Scheibe 18 abgewandten Rand 20 des Zylindermantels 4 wird der Heizstrom wieder abgeführt. Abschließend wird die Kathode etwa 30 s in einer Lösung von 0,1 I H20 + 10 g Kaliumferricyanid + 10 g Kaliumhydroxid geätzt und dadurch die äußere Schicht 15 aus Wolfram entfernt. Die (vorzugsorientierte) Re-Schicht 7 wird gegebenenfalls ebenfalls entfernt. Im Betrieb der Kathode bildet sich auf der Oberfläche der freiliegenden ThB4-Schicht (bzw. auf der Re-Schicht) durch Diffusion des Th eine im wesentlichen monoatomare, Elektronen emittierende Schicht aus Th.Fig. Shows a finished cathode according to this embodiment. The cylindrical cathode body 4 produced in the CVD system is divided into several sections perpendicular to its longitudinal axis with a laser beam. A circular disk 18 of the same diameter made of tungsten or molybdenum is attached to the edge 17 of one of these sections 4 by spot welding. This circular disk carries in its center a pin 19, also made of tungsten or molybdenum, which is used for supplying the heating current and which is aligned in such a way that its longitudinal axis coincides with the cylinder axis. The heating current is dissipated again via the edge 20 of the cylinder jacket 4 facing away from the disk 18. Finally, the cathode is etched for about 30 s in a solution of 0.1 IH 2 0 + 10 g potassium ferricyanide + 10 g potassium hydroxide and the outer layer 15 made of tungsten is thereby removed. The (preferred-oriented) re-layer 7 is also optionally removed. During operation of the cathode, an essentially monoatomic, electron-emitting layer of Th is formed on the surface of the exposed ThB 4 layer (or on the Re layer) by diffusion of the Th.

Ausführungsbeispiel 4Embodiment 4

Ein weiteres Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren wird an Fig.7 und 8 erläutert. Die Unterlage wird durch einen zur Strömungsrichtung hin abgeschlossenen Hohlzylinder aus Nickel 21 gebildet, der über einen zentralen Stromzuführungsstift und eine Stromabführung über den Zylindermantel geheizt direkt oder indirekt über eine W-Wendel 22 elektrisch beheizt ist und auf dessen Außenfläche der zylinderförmige Kathodenkörper 4 abgeschieden wird. Auf der Unterlage wird als erste Schicht 5 Wolfram abgeschieden, das mit 1 % Th02 dotiert ist und nach dem gleichen Verfahren wie die innerste Schicht 5 des Beispiels 1 hergestellt wird, wobei sich in 20 Min Aufwachsdauer bei 600 °C eine 80 µm dicke Schicht bildet. Dann beginnt man, gleichzeitig ReFs einzuleiten, dessen Durchflußrate im gleichen Maße erhöht wird, wie die des WF6 gesenkt wird, bis nach 2 Min nur noch ReF6 in der gleichen Menge wie vorher das WF6 eingeleitet wird, wobei zugleich die Substrattemperatur von 600 °C auf 800 °C erhöht wird und die Zufuhr von mit Th(C5H7O2)4 gesättigtem Ar-Trägergas unterbunden wird.Another example of the method according to the invention is explained in FIGS. 7 and 8. The base is formed by a hollow cylinder made of nickel 21, which is closed off in the direction of flow and which is heated via a central power supply pin and a current discharge via the cylinder jacket, is heated directly or indirectly via a W coil 22 and on the outer surface of which the cylindrical cathode body 4 is deposited. On the base 5 tungsten is deposited as the first layer, which is doped with 1% Th0 2 and is produced by the same method as the innermost layer 5 of Example 1, with an 80 µm thick layer in 20 minutes at 600 ° C forms. Then one begins to introduce ReF s at the same time, the flow rate of which is increased to the same extent as that of the WF 6 is reduced, until after 2 minutes only ReF 6 in the same amount as before the WF 6 is introduced, the substrate temperature of 600 ° C is increased to 800 ° C and the supply of Th (C 5 H 7 O 2 ) 4 saturated Ar carrier gas is stopped.

In einer Zeitspanne von 6 Min wächst mit dieser Parameter-Einstellung eine 10 µm dicke Schicht 13 aus reinem Re auf. Dann vermindert man die Unterlagentemperatur innerhalb von 2 Min auf 400°C, drosselt gleichzeitig den Zustrom von ReF6 und H2 langsam bis auf Null und erhöht im selben Zeitraum den Zustrom von mit Th(BH4)4 gesättigtem Ar-Trägergas vom Wert Null auf eine Durchflußrate von 90 cm3/Min, wodurch die Abscheidung von ThB4 begonnen wird. Der Zustrom von mit Th(BH4)4 gesättigtem Ar wird 40 Min lang fortgesetzt und damit eine 30 µm dicke Schicht 6 aus ThB4 aufgewachsen. Zum Abschluß der Schichtenfolge wechselt man in einem in zeitlicher Reihenfolge genau umgekehrten Ablauf wie dem.für die Herstellung des Übergangs zwischen der Re-Schicht 13 und der ThB4-Schicht 6 geschilderten Ablauf, noch einmal auf die Abscheidung von reinem Re über und schlägt auf der ThB4-Schicht 6 in 3 Min eine 5 µm dicke Schicht 7 aus Re nieder. Die Unterlage 21 wird dann in der beschriebenen Weise durch selektives Ätzen von der Kathode 4 abgelöst, wobei die zuletzt abgeschiedene Re-Schicht 7 die ThB4-Schicht 6 vor Angriff durch die Ätzlösung schützt. Als Ätzmittel für Nickel wird ein Gemisch von HN03, H20 und H202 im Mischungsverhältnis von 6:3:1 1 Raumteilen oder eine wässerige Lösung von 220 g Ce(NH4)2(NO3)6 und 110 ml HN03 auf 1 I H20 verwendet. Kontaktieren des Kathodenkörpers sowie fakultativ das abschließende Entfernen der Re-Schicht 7 erfolgt dann, wie im Ausführungsbeispiel 2 dargestellt. Bei direkter Heizung des Kathodensubstrats durch eine zentrale Stromzuführung 19 und eine Ableitung 20 wird nur Ni unter dem emittierenden Kathodenmantel weggeätzt, was sich z. B. durch einen Mo-Zuführungsstift und eine Mo-Deckplatte sicherstellen läßt, die bei der Ätzung nicht angegriffen werden. Bei geeigneter Vorzugsorientierung verbleibt die Re-Schicht in der Regel auf der Kathodenoberfläche.In a time span of 6 minutes, a 10 µm thick layer 13 of pure Re grows with this parameter setting. Then the substrate temperature is reduced to 400 ° C. within 2 minutes, at the same time the inflow of ReF 6 and H 2 is slowly reduced to zero and the inflow of Ar carrier gas saturated with Th (BH 4 ) 4 is increased over the same period to a flow rate of 90 cm 3 / min, whereby the deposition of ThB 4 is started. The inflow of Ar saturated with Th (BH 4 ) 4 is continued for 40 minutes, and thus a 30 μm thick layer 6 of ThB 4 is grown. At the end of the layer sequence, one changes in a sequence that is exactly the reverse of the time between the Re layer 13 and the ThB 4 layer 6, again on the deposition of pure Re and deposits a 5 µm thick layer 7 of Re on the ThB 4 layer 6 in 3 minutes. The base 21 is then detached from the cathode 4 in the manner described by selective etching, the last deposited Re layer 7 protecting the ThB 4 layer 6 from attack by the etching solution. A mixture of HN0 3 , H 2 0 and H 2 0 2 in a mixing ratio of 6: 3: 1 1 parts by volume or an aqueous solution of 220 g Ce (NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 and 110 ml is used as the etchant for nickel HN0 3 on 1 IH 2 0 used. Contacting the cathode body and, optionally, the final removal of the re-layer 7 then take place, as shown in exemplary embodiment 2. With direct heating of the cathode substrate by a central power supply 19 and a lead 20, only Ni is etched away under the emitting cathode jacket. B. can be ensured by a Mo feed pin and a Mo cover plate, which are not attacked during the etching. With a suitable preferred orientation, the Re layer usually remains on the cathode surface.

Ausführungsbeispiel 5Embodiment 5

Es wird die in Beispiel 1 beschriebene Vorrichtung verwendet. Abweichend von Beispiel 1 wird eine Kathode hergestellt, bei der die Schicht 7 sich über den gesamten Kathodenkörper erstreckt. Die Unterlage 1 wird auf 650 °C erhitzt ; der Gesamtdruck in der Reaktionskammer beträgt 67 mbar. Eine feinkristalline Wolframschicht mit einer Vorzugsorientierung in der 1,1,1 >-Richtung in bezug auf die Oberfläche der Unterlage, zur Stabilisierung der Mikrostruktur mit 2 Gew.% Th02 dotiert, wird durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase auf die Innenseite eines Zylinders aus pyrolytischem Graphit aufgebracht, bis die Schicht eine Dicke von 150 µm erreicht. Die entsprechenden Durchflußraten der zugeführten Gase betragen 20 cm3/Min für WFs, 150 cm3/Min für H2 und 100 cm3/Min für mit Th-Diketonat gesättigtes Ar, wobei der Sättiger auf einer Temperatur gerade unterhalb des Schmelzpunkts der metallorganischen Th-Verbindung gehalten wird. In diesem Beispiel dient das Dotiermittel Th02 als emittierender Stoff und sichert zugleich die mikrostrukturelle und mechanische Stabilisierung der Kathode.The device described in Example 1 is used. In contrast to Example 1, a cathode is produced in which the layer 7 extends over the entire cathode body. The pad 1 is heated to 650 ° C; the total pressure in the reaction chamber is 67 mbar. A fine-crystalline tungsten layer with a preferred orientation in the 1.1.1 > direction with respect to the surface of the substrate, doped with 2% by weight Th0 2 to stabilize the microstructure, is produced by reactive deposition from the gas phase onto the inside of a cylinder pyrolytic graphite applied until the layer reaches a thickness of 150 microns. The corresponding flow rates of the gases supplied are 20 cm 3 / min for WF s , 150 cm 3 / min for H 2 and 100 cm 3 / min for Ar saturated with Th-diketonate, the saturator being at a temperature just below the melting point of the organometallic Th connection is kept. In this example, the dopant Th0 2 serves as an emissive substance and at the same time ensures the microstructural and mechanical stabilization of the cathode.

Die Erfindung stellt somit eine Kathode zur Verfügung, die bisher nur singuläre Vorteile bekannter Kathodentypen in sich vereinigt, deren Schichtenfolge ganz über die Gasphase in einem einzigen Arbeitsgang mit Variation der Parameter hergestellt wird, die freitragend ausgebildet ist. eine kontinuierliche und große Oberfläche hat (ohne absichtlich geschaffene Löcher, wie Maschenkathoden sie aufweisen) und damit als Unipotentialkathode geeignet ist und bei der'durch die Substratablösung nach der Abscheidung die zumeist schädliche Wechselwirkung mit der Unterlage vermieden wird. Insbesondere wird die freitragende Ausführung durch simultan mit abgeschiedene strukturstabilisierende (unlösliche) Zusätze ermöglicht, welche Zusätze in ähnlicher Form auch eine Texturstabilisierung der vorzugsorientierten Deckschicht bewirken und den Vorteil der hohen Elektronenemission bei geeignet eingestellter Vorzugsorientierung auch für lange Lebens- bzw. Betriebsdauern verfügbar machen.The invention thus provides a cathode which hitherto only combines singular advantages of known types of cathode, the layer sequence of which is produced entirely via the gas phase in a single operation with variation of the parameters and which is designed to be self-supporting. has a continuous and large surface area (without deliberately created holes, such as mesh cathodes) and is therefore suitable as a unipotential cathode and in which the mostly deleterious interaction with the substrate is avoided by the substrate detachment after the deposition. In particular, the cantilever design is made possible by simultaneously with deposited structure-stabilizing (insoluble) additives, which additives in a similar form also stabilize the texture of the preferred oriented top layer and make the advantage of high electron emission with a suitably adjusted preferred orientation available even for long lifetimes or operating times.

Zur hohen Emission und langen Lebensdauer tragen insbesondere auch die hohe Dotierungskonzentration mit emittierendem Stoff im Nachlieferungs- und Vorratsbereich bei, welche sich mit pulvermetallurgischen Methoden für beliebige Substratformen bisher nicht realisieren ließ, sowie die feinstkristalline Struktur der Deckschicht mit mittleren Korndurchmessern ≤ 1 wm, welche eine gute Nachlieferung des emittierendem Stoffes durch Korngrenzendiffusion zur Oberfläche, eine gute monoatomare Oberflächenbedeckung auch noch bei höheren Temperaturen und geringe Desorptionsraten garantiert.The high emission and long lifespan are also due in particular to the high doping concentration with emissive substance in the subsequent delivery and storage area, which has not previously been possible with powder metallurgy methods for any substrate shape, as well as the finely crystalline structure of the top layer with average grain diameters ≤ 1 wm, which is a good subsequent delivery of the emissive substance through grain boundary diffusion to the surface, good monoatomic surface coverage even at higher temperatures and low desorption rates guaranteed.

Claims (32)

1. A method of manufacturing a thermionic cathode having a polycrystalline coating layer of a high-melting metal which is deposited on underlying layers, characterized in that
a) the following layer structure is provided on a substrate, formed in accordance with the desired cathode geometry, by transport via the gaseous phase, possibly accompanied by reducing reactions during or after deposition of the layers ;
α) a supporting layer of high-melting metal as a base material and at least one dopant for the mechanical structural stabilization,
13) a layer or a series of layers which during operation of the cathode act as dispensing and supply region, consisting of a high-melting metal as a base material and a supply of electron-emissive material, and
y) the polycrystalline coating layer of a high--melting metal as a base material and at least one dopant for the stabilization of the texture and structure,
b) the substrate is removed, and
c) the supporting layer is provided with connections for the heating.
2. A method of manufacturing a thermionic cathode having a preferentially oriented polycrystalline coating layer of a high-melting metal which is deposited on underlying layers, the preferred orientation being adjusted in such manner that the work function from the emitter-monolayer, which during operation of the cathode is maintained on the coating layer, is minimum, characterized in that
a) the following layer structure is provided on a substrate, formed in accordance with the desired cathode geometry, by transport via the gaseous phase, possibly accompanied by reducing reactions during or after deposition of the layers ;
α) a supporting layer of high-melting metal as a base material and at least one dopant for the mechanical structural stabilization,
13) a layer or a series of layers which during operation of the cathode act as dispensing and supply region, consisting of a high-melting metal as a base material and a supply of electron-emissive material, and
y) the preferentially oriented polycrystalline coating layer of a high-melting metal as a base material and at least one dopant for the stabilization of the texture and structure, the preferred orientation being adjusted by the choice of the deposition parameters,
b) the substrate is removed, and
c) the supporting layer is provided with connections for the heating.
3. A method as claimed in Claim 1 or 2, characterized in that the layers are provided by reactive deposition, for example, CVD methods, pyrolysis, cathode sputtering, vacuum condensation or plasma sputtering.
4. A method as claimed in Claim 1 or 2, characterized in that W, Mo, Ta, Nb, Re and/or C is used as a base material, the composition of the base material in the individual layers being identical or different.
5. A method as claimed in Claim 1 or 2, characterized in that the gases taking part in the deposition reaction are activated by generating a plasma for chemical conversion and associated deposition of cathode material.
6. A method as claimed in Claim 1 or 2, characterized in that a body of a light and accurately formable material is used as a substrate, which material has a poor bonding to the material deposited thereon or which can readily be detached from the positive.
7. A method as claimed in Claim 1 or 2, characterized in that the substrate is removed by selective etching, mechanically, by evaporation upon heating in a vacuum or in a suitable gas atmosphere, by burning off, or a combination of the said methods.
8. A method as claimed in Claims 6 and 7, characterized in that a body of graphite, especially pyrolytic graphite, or glassy carbon, is used as a substrate which is removed by mechanical treatment, burning off and/or mechanical-chemical micropolishing.
9. A method as claimed in Claims 6 and 7, characterized in that a body of cooper, nickel, iron, molybdenum or an alloy with a major portion of said metals, is used as a substrate which is removed by selective etching or first for the greater part mechanically and in the remaining residues by evaporation upon heating in a vacuum or in a suitable gas atmosphere.
10. A method as claimed in Claim 6, characterized in that a body of electrographite which is coated with a layer of pyrolytic graphite is used as a substrate.
11. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that the manufacture of the supporting layer the CVD layer growth is interrupted repeatedly by repeated substrate cooling to room temperature and restarting the nucleation by heating it up again, or a periodic variation of the substrate temperature is carried out in the range between 300 and 700 °C.
12. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5 characterized by the deposition of extremely thin, crystallite growth-inhibiting intermediate layers in the manufacture of the supporting layer.
13. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5 characterized in that in the manufacture of the supporting layer the base material is deposited together with a dopant which has a small or negligible solid solubility in the crystal lattice of the base material.
14. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5 characterized in that tungsten is deposited as a base material and Th02, Zr, Zr02, U02, Y203, Sc203, Ru, Y and/or Sc in a concentration of approximately 0.5 to 2% by weight, especially approximately 1 % by weight, are deposited simultaneously or alternatively with tungsten as structure-stabilizing dopings by CVD method.
15. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that in manufacturing the dispensing and supply region a high concentration of electron-emissive material from the scandium group (Sc, Y, La, Ac, lanthanides, actinides) is selected and is deposited in a metallic oxide, boride and/or carbide from alternately or simultaneously with the high-melting metal.
16. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that the following material combinations of electron-emissive material and high-melting metal are selected and deposited by CVD method : ThiTh02 + W, ThiTh02 + Nb, ThB4 + Re, YIY203 + Ta, Y203 + Nb, Y203 + W or Mo, SC203 + W or Mo, La203 + W or Mo.
17. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that as electron-emissive materials lanthanide oxides, preferably Ce02, Sm203 and EU203 are deposited in combination with W or Mo as a base material or as coating material.
18. A method as claimed in Claim 16, characterized in that ThB4 is deposited by pyrolysis of Th(BH4)4 which is enriched in argon used as a carrier gas, upon a layer of rhenium with an underlying structure-stabilized tungsten supporting layer at substate temperatures higher than or equal to 300 °C.
19. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4, 5 or 15, characterized in that the electron-emissive material is deposited in the oxide form together with an activator component, preferably boron or carbon, and with a diffusion intensifying component, preferably Pt, Ir, Os, Ru, Rh or Pd, in a concentration from 0.1 to 1 % by weight.
20. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that the reactive deposition and pyrolysis, respectively, is carried out at temperatures of the substrate from 200 °C to 600 °C. preferably 400 to 550 °C, in which as starting compounds for the electron-emissive material corresponding metallorganic compounds are used which are volatile already at these temperatures and the desired layer structure is obtained by repeated variation of the gas composition and/or the remaining deposition parameters.
21. A method as claimed in Claim 16, characterized in that tungsten and thorium or Th02, respectively, is grown alternately or simultaneously from WF6 + H2 and Th-diketonate, especially Th-acetylacetonate, preferably Th-trif- luoroacetylacetonate or Th- hexaf- luoroacetylacetonate, but also Th-heptaf- luorodimethyloctanedione or Th-dipivaloyl- methane, at temperatures between 400 °C and 650 °C by reactive deposition from the gaseous phase, in which the metallorganic Th starting compound is present in powder from in a saturating device which is heated to a temperature closely below the relevant melting point and through which an inert gas, especially argon, flows as a carrier gas.
22. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that the dispensing region with emissive material in the form of a series of layers is provided by CVD method on a structure-stabilized, doped CVD carrier layer of 30 to 300 µm thickness, especially 100 µm thickness, in which each time a layer of high melting metal with small admixtures of electron-emissive material and optionally stabilizing dopings alternate with such a layer having high concentrations of electron-emissive material which is slightly thinner, and the layer distances are in the order of the grain sizes, the individual layer thickness being especially 0.5 to 10 µm at a concentration of the emissive material up to 5 % by weight and especially 0.1 to 2 µm at a concentration of the emissive material from 5 to 50% by weight, the average concentration of emissive material being preferably 15 to 20 % by weight.
23. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4 or 5. characterized in that a polycrystalline preferentially oriented coating layer is provided, the crystalline preferential orientation being adjusted by the parameters of the CVD deposition method, especially the flow rates of the gases taking part in the reaction and/or the substrate temperature in such manner that the electron emission current density from the substantially monoatomic film of the electron-emissive material on the coating layer at a given temperature becomes maximum and the work function becomes minimum, respectively, and the coating layer is texture-stabilized with respect to longer temperature loads by simultaneously deposited dopings not soluble therein.
24. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4, or 23, characterized in that substantially W, Re, Os or Nb is provided as a coating layer, in which, in the case of tungsten with thorium as a monoatomic layer on the surface the < 111 > orientation of tungsten is adjusted as preferential orientation, and as texture-stabilizing components ThO2, Zr02, Y203, SC203 and/or ruthenium are also deposited simultaneously in a concentration from 1 to 2 %.
25. A method as claimed in Claim 1, 2, 3, 4, 5, 23 or 24, characterized in that the coating layer has a thickness from 2 to 20 µm and the substrate temperature is adjusted so that the average grain diameter is ≤ 1 µm.
26. A method as claimed in Claim 16, characterized in that emissive material and structure- stabilizing doping of the carrier material and coating layer material, respectively, are identical.
27. Modified form of the method as claimed in Claim 1 or 2 or 3 to 26, characterized in that the substrate is formed as a hollow body, preferably as a tube, especially of graphite, and the reactive deposition from the gaseous phase is carried out on the inside of the hollow body, the coating process occuring in the reversed time-sequence and, the preferred oriented coating layer being deposited first and the carrier layer being deposited last.
28. A method as claimed in Claim 27, characterized in that the hollow body is of pyrolytic graphite and the cathode material has a linear coefficient of thermal expansion which is significantly larger than that of pyrolytic graphite (in the direction of coating) so that upon cooling to room temperature the cathode shrinks considerably more than the substrate of pyrolytic graphite, the upper layer is separated and the cathode can be drawn out of the hollow body.
29. A method as claimed in Claim 1 or 2 or 3 to 28, characterized in that the entire cathode with all material layers is manufactured in one continuous process by reactive deposition from the gaseous phase.
30. A method as claimed in Claim 1 or 2 or 3 to 29, characterized in that the layer structure is provided so that the three layers α, β and y are identical.
31. A thermionic cathode having a polycrystalline coating layer of high-melting metal which is deposited on underlying layers, manufactured by the method as claimed in one or more of Claims 1 or 3 to 30, characterized in that the cathode comprises the following layers :
a) a supporting layer (5) of high-melting metal as a base material and at least one dopant for the mechanical structural stabilization,
b) a layer (6) or series of layers (8, 9) acting during operation of the cathode as dispensing regions and consisting of a high-melting metal as a base material and a supply of electron-emissive material, and
c) the polycrystalline coating layer (7) of a high-melting metal as a base material and at least one dopant for the texture- and structure stabilization.
32. A thermionic cathode having a preferentially oriented polycrystalline coating layer of a high-melting metal which is deposited on underlying layers, the preferred orientation being adjusted in such manner that the work function of the emitter-monolayer, which during operation of the cathode is maintained on said coating layer, is minimum, manufactured by the method as claimed in one or more of Claims 2 to 30, characterized in that the cathode comprises the following layers.
a) a supporting layer (5) of high-melting metal as a base material and at least one dopant for the mechanical structural stabilization,
b) a layer (6) or series of layers (8, 9) acting during operation of the cathode as dispensing regions and consisting of a high-melting metal as a base material and a supply of electron-emissive material, and
c) the preferentially oriented polycrystalline coating layer (7) of a high-melting metal as a base material and at least one dopant for the texture-and structure stabilization.
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