EP0087826A2 - Thermionic cathode and manufacturing method - Google Patents

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EP0087826A2
EP0087826A2 EP83200139A EP83200139A EP0087826A2 EP 0087826 A2 EP0087826 A2 EP 0087826A2 EP 83200139 A EP83200139 A EP 83200139A EP 83200139 A EP83200139 A EP 83200139A EP 0087826 A2 EP0087826 A2 EP 0087826A2
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EP
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cathode
layers
emitter
emitter material
deposition
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Georg Dr. Gärtner
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Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
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Publication of EP0087826A3 publication Critical patent/EP0087826A3/en
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    • 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
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    • HELECTRICITY
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a thermionic cathode with a cathode body, which consists of a high-melting base material and a supply of emitter material, and with an electron-emitting monolayer on the surface of the cathode body, the monolayer being supplemented from the supply of emitter material during operation of the cathode.
  • the invention further relates to a method for producing such a thermionic cathode.
  • cathodes are also referred to as delivery cathodes or monolayer cathodes.
  • Thermionic monolayer cathodes with thorium as the emitter material, i.e. as an electron-emitting substance, on tungsten as a high-melting base material, i.e. as a base matrix, have long been known (US Pat. No. 1,244,216) and have been investigated in detail early on, but because of their wide commercial distribution due to their good vacuum behavior, their fairly high emission and their favorable properties when used in UHF and microwave tubes a further improvement, especially in terms of emissions, is necessary due to increased requirements.
  • such thermionic monolayer consist cathode of a base matrix of refractory metal, a compound is incorporated into the emitter material elemantar or in the form, the olumendiffusion at the operating temperature in the form of atoms, for example as a result grain boundary diffusion, V or pores on the surface of the cathode diffuses and there is a surface monolayer forms or complements.
  • the formation of a monolayer ie an approximately monoatomic layer of emitter atoms on the surface, is supported by the increasing desorption with a greater degree of coverage.
  • Th- [W] cathodes Th is released from Th0 2 thermally or preferably by reaction with W 2 C and diffuses along the grain boundaries to the tungsten surface.
  • the dipole field between the monolayer and the underlying atoms of the base material brings about an additional reduction in the emitter work function for thermionic electrons, so that monolayer cathodes have a higher electron emission than cathodes made of pure emitter material.
  • the work function for pure Th at about 3.5 eV, while for a Th monolayer on tungsten it is only 2.8 eV.
  • the cathode will only function properly if the entire emitting surface is actually covered by this monolayer, ie by a monoatomic film. This condition becomes critical at higher temperatures at which sufficient coverage and thus emission are no longer guaranteed due to strong desorption of the emitter atoms.
  • Th-Fwj cathodes such a drop in emissions occurs at around 2200 K. The emission finally drops to that of pure tungsten.
  • the temperature at which the drop in emissions occurs depends, in particular in the case of monolayer cathodes, with subsequent delivery of the emitter material via grain boundary diffusion on the grain size. Since the emitter atoms spread on the surface by surface diffusion, the sources for the emitter atoms being the Grain boundaries, smaller crystallites with the same diffusion length naturally lead to better coverage.
  • the invention has the object of specifying a suitable cathode structure and of creating a method for producing this structure, with which it is possible to avoid the edge effect in Th-ON1 and analog monolayer cathodes and also to emit the fine crystallinity of the base material and a suitable one Texture, as well as by ensuring the thermal stability of the texture, and to keep it stable over time.
  • the cathode body consists of a sequence of layers of base material and intermediate layers with a high concentration of emitter material, and that the macroscopic Cathode surface extends obliquely to the main surfaces of at least that part of the layers which is in the vicinity of the macroscopic cathode surface.
  • the layer sequence is preferably produced by alternating deposition of the high-melting base material and the electron-emitting substance from the gas phase, and then the macroscopic emitting surface is produced by an angle grinding.
  • a preferred cathode structure looks as follows:
  • the cathode consists of a layer sequence of layers arranged obliquely to the emitting cathode surface, which alternately consist primarily of high-melting base material and of emitter material.
  • the thickness of these layers is in the range 'g a few / ⁇ m to 0.01 / ⁇ m, the emitter material layers being significantly thinner than the base material layers.
  • the electron-emitting substance which is preferably an element of the scandium group, in particular thorium, or one of its compounds, is characterized in that it essentially reaches the surface by grain boundary diffusion through the high-melting base material, in particular tungsten, and spreads there by surface diffusion.
  • W, Mo, Ta, Nb, Re and / or C are also used as base materials, the composition of the base material being the same or different in the individual layers of the layer sequence.
  • the surface has a stepped structure, with the strongly emitting treads of the steps (hereinafter also referred to as outlet steps) forming the continuation of the layers of emitter material.
  • the emitter atoms diffuse directly to the outlet stages without edge inhomogeneities and form a monolayer there.
  • the base material layers have a suitable preferred orientation with respect to the layer normal, for Th [W] cathodes this is, for example, the ⁇ 111> orientation for the W base material.
  • the cathode material is finely crystalline with grain sizes -9 1 / um. It is also favorable if the grain diameters are somewhat larger than the step widths.
  • the temporal stability of the texture is achieved by doping the base material with components which are only slightly or not soluble at all. Further doping in the edge zone of the emitter material layers serve to better release the emitter atoms if the emitter material is in the form of a compound.
  • the surface of the inclined layer structure is covered with a polycrystalline, optionally preferred-oriented layer made of base material or another material which, in combination with the emitter monolayer, brings about a sharp reduction in the electron work function.
  • the boundary of the sloping layer towards the top layer is usually smooth, without pronounced steps.
  • the top layer is finely crystalline.
  • the cathode according to the invention is preferably produced in three processing steps.
  • a layer sequence is first produced by alternating deposition of the high-melting base material and the electron-emitting substance from the gas phase.
  • the layer sequence is preferably produced by reactive deposition with temporal variation of the parameters, in particular the flow rates of the gases involved in the reaction and / or the substrate temperature.
  • the temporal variation of the parameters of the reactive deposition takes place essentially periodically (alternating CVD method).
  • the layers are ground at an angle after the deposition, preferably at an angle of 20 to 70 °, in particular 45 °.
  • the bevel cut according to the invention takes place e.g. by mechanical processing, such as grinding or milling, and / or mechanical-chemical micropolishing, or by cutting to size with the aid of a laser beam.
  • the inclined emitter material intermediate layers with their lower mechanical stability are the cause of the formation of the step structure or of the inhibition of the base material recrystallization on the intermediate emitter material layer in the latter process combination.
  • the steps are designed so that their treads are in the extension of the layers with a high concentration of emitter material, while the step grooves are perpendicular to it.
  • the emitter material can diffuse directly from the layers of high emitter material concentration to the surface of the outlet stages - and this without strong desorption at grain boundaries.
  • Ar is also used as the carrier gas for thorium acetylacetonate or fluorinated Th-acetylacetonate and WF 6 Th0 2 or Th0 2 + W 2 C for about 1 minute.
  • Th (C 5 H 7 O 2 ) 4 is in powder form in a saturator flowed through by Ar at about 85 cm 3 / min, which is heated to a temperature of about 160 ° C. or close to the melting point of the Th compound. The reaction temperature is about 20 ° higher.
  • Another advantage is that the effective emitting surface is increased by the step structure; with a cut below 45 ° the magnification factor is approximately 1.4, which is desirable for Th [W] cathodes at temperatures S 2000 K.

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Abstract

Die Kathode weist eine Schichtstruktur auf, wobei die einzelnen Schichten, die im wesentlichen abwechselnd aus Emittermaterial (3) und Basismaterial (1) bestehen, schräg zur makroskopischen emittierenden Kathodenoberfläche angeordnet sind. Die Oberfläche weist in einer bevorzugten Ausführungsform mikroskopisch eine stufige Struktur auf, wobei die Auslaufstufen (2) die Fortsetzung der Emittermaterialschichten (3) bilden. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Oberfläche nicht stufig, sondern wird durch eine polykristalline oder eine vorzugsorientierte polykristalline Deckschicht, die auf der Folge von schräggestellten Schichten angeordnet ist, gebildet. Die Schichtenfolge wird durch alternierende Abscheidung aus der Gasphase, verbunden mit anschließendem Schrägschliff der Schichten, hergestellt. Die polykristalline Deckschicht wird wiederum durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Die stufige Oberfläche wird z.B. durch selektives Strukturätzen nach dem Schrägschliff erzeugt.The cathode has a layer structure, the individual layers, which essentially consist alternately of emitter material (3) and base material (1), being arranged obliquely to the macroscopic emitting cathode surface. In a preferred embodiment, the surface has a microscopic step structure, the outlet steps (2) forming the continuation of the emitter material layers (3). In a further embodiment, the surface is not stepped, but is formed by a polycrystalline or a preferentially oriented polycrystalline cover layer which is arranged on the sequence of inclined layers. The layer sequence is produced by alternating deposition from the gas phase, combined with subsequent bevel grinding of the layers. The polycrystalline cover layer is in turn applied by deposition from the gas phase. The step surface is e.g. generated by selective structure etching after bevel grinding.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermionische Kathode mit einem Kathodenkörper, der aus einem hochschmelzenden Basismaterial und einem Vorrat an Emittermaterial besteht, und mit einer elektronenemittierenden Monoschicht auf der Oberfläche des Kathodenkörpers, wobei die Monoschicht während des Betriebs der Kathode aus dem Vorrat an Emittermaterial ergänzt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen thermionischen Kathode. Im folgenden werden derartige Kathoden auch als Nachlieferungskathoden oder Monoschichtkathoden bezeichnet.The invention relates to a thermionic cathode with a cathode body, which consists of a high-melting base material and a supply of emitter material, and with an electron-emitting monolayer on the surface of the cathode body, the monolayer being supplemented from the supply of emitter material during operation of the cathode. The invention further relates to a method for producing such a thermionic cathode. In the following, such cathodes are also referred to as delivery cathodes or monolayer cathodes.

Thermionische Monoschichtkathoden mit Thorium als Emittermaterial, d.h. als elektronenemittierende Substanz, auf Wolfram als hochschmelzendes Basismaterial, d.h. als Basismatrix, sind zwar schon lange bekannt (US-PS 12 44 216) und schon früh eingehend untersucht worden, jedoch ist wegen ihrer weiten kommerziellen Verbreitung aufgrund ihres guten Vakuumverhaltens, ihrer recht hohen Emission und ihrer günstigen Eigenschaften bei Verwendung in UHF- und Mikrowellenröhren eine weitere Verbesserung vor allem der Emission wegen gestiegener Anforderungen notwendig.Thermionic monolayer cathodes with thorium as the emitter material, i.e. as an electron-emitting substance, on tungsten as a high-melting base material, i.e. as a base matrix, have long been known (US Pat. No. 1,244,216) and have been investigated in detail early on, but because of their wide commercial distribution due to their good vacuum behavior, their fairly high emission and their favorable properties when used in UHF and microwave tubes a further improvement, especially in terms of emissions, is necessary due to increased requirements.

In der Regel bestehen derartige thermionische Monoschicht- kathoden aus einer Basismatrix aus hochschmelzendem Metall, in die Emittermaterial elemantar oder in Form einer Verbindung eingelagert ist, das bei der Betriebstemperatur in Form von Atomen z.B. infolge Korngrenzendiffusion, Volumendiffusion oder durch Poren an die Oberfläche der Kathode diffundiert und dort eine Oberflächen-Monoschicht bildet oder ergänzt. Die Ausbildung einer Monoschicht, d.h. einer ungefähr monoatomaren Schicht von Emitteratomen auf der Oberfläche, wird durch die bei größerem Bedeckungsgrad stark zunehmende Desorption unterstützt. Speziell bei thorierten Wolframkathoden (Th-[W]-Kathoden) wird Th aus Th02 thermisch bzw. bevorzugt durch Reaktion mit W2C freigesetzt und diffundiert entlang der Korngrenzen an die Wolframoberfläche.In general, such thermionic monolayer consist cathode of a base matrix of refractory metal, a compound is incorporated into the emitter material elemantar or in the form, the olumendiffusion at the operating temperature in the form of atoms, for example as a result grain boundary diffusion, V or pores on the surface of the cathode diffuses and there is a surface monolayer forms or complements. The formation of a monolayer, ie an approximately monoatomic layer of emitter atoms on the surface, is supported by the increasing desorption with a greater degree of coverage. Especially with thoriated tungsten cathodes (Th- [W] cathodes) Th is released from Th0 2 thermally or preferably by reaction with W 2 C and diffuses along the grain boundaries to the tungsten surface.

Bei geeigneter Wahl von Emitter- und Basismaterial bewirkt das Dipolfeld zwischen der Monoschicht und den darunterliegenden Atomen des Basismaterials eine zusätzliche Erniedrigung der Emitter-Austrittsarbeit für thermionische Elektronen, so daß Monoschichtkathoden eine höhere Elektronenemission als Kathoden aus reinem Emittermaterial aufweisen. So liegt z.B. die Austrittsarbeit für reines Th bei etwa 3,5 eV, während sie für eine Th-Monoschicht auf Wolfram nur 2,8 eV beträgt.With a suitable choice of emitter and base material, the dipole field between the monolayer and the underlying atoms of the base material brings about an additional reduction in the emitter work function for thermionic electrons, so that monolayer cathodes have a higher electron emission than cathodes made of pure emitter material. For example, the work function for pure Th at about 3.5 eV, while for a Th monolayer on tungsten it is only 2.8 eV.

Ein einwandfreies Funktionieren der Kathode ist jedoch nur dann gegeben, wenn tatsächlich die gesamte emittierende Oberfläche von dieser Monoschicht, d.h. von einem monoatomaren Film, bedeckt ist. Kritisch wird diese Bedingung bei höheren Temperaturen, bei denen infolge starker Desorption der Emitteratome eine ausreichende Bedeckung und damit Emission nicht mehr gewährleistet ist. Bei Th-Fwj-Kathoden tritt ein solcher Emissionseinbruch bei etwa 2200 K auf. Die Emission fällt schließlich ab auf die von reinem Wolfram. Die Temperatur, bei der der Emissionseinbruch auftritt, hängt insbesondere bei Monoschicht- kathoden mit Nachlieferung des Emittermaterials über Korngrenzendiffusion von der Korngröße ab. Da sich die Emitteratome auf der Oberfläche per Cberflächendiffusion ausbreiten, wobei die Quellen für die Emitteratome die Korngrenzen sind, führen kleinere Kristallite bei gleicher Diffusionslänge natürlich zu einer besseren Bedeckung.However, the cathode will only function properly if the entire emitting surface is actually covered by this monolayer, ie by a monoatomic film. This condition becomes critical at higher temperatures at which sufficient coverage and thus emission are no longer guaranteed due to strong desorption of the emitter atoms. With Th-Fwj cathodes, such a drop in emissions occurs at around 2200 K. The emission finally drops to that of pure tungsten. The temperature at which the drop in emissions occurs depends, in particular in the case of monolayer cathodes, with subsequent delivery of the emitter material via grain boundary diffusion on the grain size. Since the emitter atoms spread on the surface by surface diffusion, the sources for the emitter atoms being the Grain boundaries, smaller crystallites with the same diffusion length naturally lead to better coverage.

Entscheidend für eine angestrebte Verbesserung der Kathodenemission ist nun jedoch, daß es in diesem Zusammenhang ein seit Jahrzehnten ungelöstes Problem gibt, was Emission und Thorium-Diffusionslänge anbelangt. Aus Messungen der Thorium-Desorptionsraten Y D von Wolfram und Messungen der Oberflächendiffusionskonstanten Dd für Thorium auf polykristallinem Wolfram läßt sich die Diffusionslänge angeben als √Do.coD, wobei co = 1 die relative Thorium-Konzentration am Rand der Quelle ist. Diese theoretisch geforderte Diffusionslänge ist jedoch um Größenordnungen größer als jene, die sich aus den mittleren Korngrößen und der Temperatur des Emissionseinbruchs berechnen läßt.It is crucial for the desired improvement of the cathode emission, however, that there has been a problem that has not been solved for decades regarding emission and thorium diffusion length. From measurements of the thorium desorption rates Y D of tungsten and measurements of the surface diffusion constant D d for thorium on polycrystalline tungsten, the diffusion length can be given as √D o .c o / ν D , where c o = 1 is the relative thorium concentration at the edge of the Source is. This theoretically required diffusion length is, however, orders of magnitude larger than that which can be calculated from the mean grain sizes and the temperature of the drop in emissions.

I. Langmuir gab eine mögliche plausible Erklärung dieses Phänomens mit Hilfe des sogenannten "Kanteneffekts" (Journal of The Franklin Institute 217 (1934) 543-569). Danach tritt an den Kanten der einzelnen Wolfram-Kristallite, d.h. an den Thorium-Austrittsstellen, eine erhöhte Thorium-Desorption auf, z.B. bedingt durch stark inhomogene Felder. Das bedeutet natürlich einen erhöhten Ausbreitungswiderstand und eine Verkürzung der tatsächlichen Diffusionslänge. Ziel einer Kathodenverbesserung muß es also sein, den Kanteneffekt durch eine geeignete Strukturgebung der Kathode auszuschalten.I. Langmuir gave a possible plausible explanation of this phenomenon with the help of the so-called "edge effect" (Journal of The Franklin Institute 217 (1934) 543-569). Thereafter, at the edges of the individual tungsten crystallites, i.e. increased thorium desorption at the thorium exit sites, e.g. due to strongly inhomogeneous fields. This of course means an increased resistance to spreading and a shortening of the actual diffusion length. The goal of a cathode improvement must therefore be to eliminate the edge effect by means of a suitable structuring of the cathode.

Neben dem Kanteneffekt gibt es jedoch noch eine weitere zu eliminierende Limitation der Kathodenemission: Das substraktive Dipolfeld zwischen der Emittermonoschicht und dem Basismaterial ist stark abhängig von der Kristallitorientierung der Basis. Bei den üblichen polykristallinen nicht texturierten Kathoden, wie z.B. bei allen konventionellen pulvermetallurgisch hergestellten Monoschichtkathoden, führt das zu einer lokal stark variierenden Elektronenemission, wobei die niedrigste Austrittsarbeit nur bei einigen wenigen zufälligerweise günstig orientierten Kristalliten erreicht wird. Man erhält sogenannte "fleckige Emitter".In addition to the edge effect, there is another limitation of the cathode emission to be eliminated: The subtractive dipole field between the emitter monolayer and the base material is strongly dependent on the orientation of the base. With the usual polycrystalline non-textured cathodes, such as with all conventional powder metallurgy Monolayer cathodes, this leads to a locally strongly varying electron emission, the lowest work function being achieved only with a few randomly favorably oriented crystallites. So-called "spotty emitters" are obtained.

Aus der DE-OS 14 39 890 ist ein Verfahren bekannt, konventionelle Monoschichtkathoden mit einer polykristallinen vorzugsorientierten Schicht z.B. aus dem Basismaterial zu überziehen, wobei diejenige Vorzugsorientierung der Deckschicht erzeugt wird, die die stärkste Erniedrigung der Austrittsarbeit bewirkt. Man erhält so eine in guter Näherung homogen emittierende Kathode mit erhöhter Emissionsstromdichte, da alle Flächen in einem ähnlichen Ausmaß zur Emission beitragen. Bei Th-[W]-Kathoden z.B. ist <111> die günstigste W-Orientierung. Allerdings bleibt die hohe Elektronenemission solcher geeignet vorzugsorientierter Kathoden zeitlich nicht stabil; die Textur wird zum Teil schon bei der Aktivierung zerstört.From DE-OS 14 39 890 a method is known, conventional monolayer cathodes with a polycrystalline preferential layer e.g. to be coated from the base material, producing the preferred orientation of the cover layer which causes the greatest reduction in the work function. In this way, a cathode which is homogeneously emitting with an increased emission current density is obtained to a good approximation, since all surfaces contribute to the emission to a similar extent. With Th- [W] cathodes e.g. <111> is the cheapest W orientation. However, the high electron emission of such suitably preferred cathodes does not remain stable over time; the texture is partially destroyed when activated.

Die Erfindung hat demgegenüber die Aufgabe, eine geeignete Kathodenstruktur anzugeben und ein Verfahren zur Herstellung dieser Struktur zu schaffen, womit es gelingt, den Kanteneffekt bei Th-ON1- und analogen Monoschicht-Kathoden zu vermeiden und die Emission außerdem durch Feinkristallinität des Basismaterials und eine geeignete Textur, sowie durch Sicherstellung der thermischen Stabilität der Textur, zu erhöhen und zeitlich stabil zu halten.In contrast, the invention has the object of specifying a suitable cathode structure and of creating a method for producing this structure, with which it is possible to avoid the edge effect in Th-ON1 and analog monolayer cathodes and also to emit the fine crystallinity of the base material and a suitable one Texture, as well as by ensuring the thermal stability of the texture, and to keep it stable over time.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Kathode der eingangs genannten Art der Kathodenkörper aus einer Folge von Schichten aus Basismaterial und Zwischenschichten mit einer hohen Konzentration an Emittermaterial besteht, und daß sich die makroskopische Kathodenoberfläche schräg zu den Hauptflächen zumindest desjenigen Teils der Schichten erstreckt, der sich in der Nähe der makroskopischen Kathodenoberfläche befindet.This object is achieved in that, in the case of a cathode of the type mentioned at the outset, the cathode body consists of a sequence of layers of base material and intermediate layers with a high concentration of emitter material, and that the macroscopic Cathode surface extends obliquely to the main surfaces of at least that part of the layers which is in the vicinity of the macroscopic cathode surface.

Die Schichtenfolge wird nach der Erfindung vorzugsweise durch alternierende Abscheidung des hochschmelzenden Basismaterials und der elektronenemittierenden Substanz aus der Gasphase hergestellt und anschließend wird die makroskopische emittierende Oberfläche durch einen Schrägschliff hergestellt.According to the invention, the layer sequence is preferably produced by alternating deposition of the high-melting base material and the electron-emitting substance from the gas phase, and then the macroscopic emitting surface is produced by an angle grinding.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous refinements of the cathode according to the invention and advantageous developments of the method according to the invention are described in the subclaims.

Eine bevorzugte erfindungsgemäße Kathodenstruktur sieht folgendermaßen aus: Die Kathode besteht aus einer Schichtenfolge von schräg zur emittierenden Kathodenoberfläche angeordneten Schichten, die abwechselnd vor allem aus hochschmelzendem Basismaterial und aus Emittermaterial bestehen. Die Dicke dieser Schichten liegt dabei im Bereich 'g einige /um bis 0,01 /um, wobei die Emittermaterialschichten deutlich dünner sind als die Basismaterial- schichten. Die elektronenemittierende Substanz, die vorzugsweise ein Element der Scandiumgruppe, insbesondere Thorium, oder eine seiner Verbindungen ist, zeichnet sich dadurch aus, daß sie im wesentlichen durch Korngrenzendiffusion durch das hochschmelzende Basismaterial, insbesondere Wolfram, an die Oberfläche gelangt und sich dort durch Oberflächendiffusion ausbreitet. Als Basismaterialien werden außer W auch Mo, Ta, Nb, Re und/oder C verwendet, wobei die Zusammensetzung des Basismaterials in den einzelnen Schichten der Schichtenfolge gleich oder verschieden ist.A preferred cathode structure according to the invention looks as follows: The cathode consists of a layer sequence of layers arranged obliquely to the emitting cathode surface, which alternately consist primarily of high-melting base material and of emitter material. The thickness of these layers is in the range 'g a few / µm to 0.01 / µm, the emitter material layers being significantly thinner than the base material layers. The electron-emitting substance, which is preferably an element of the scandium group, in particular thorium, or one of its compounds, is characterized in that it essentially reaches the surface by grain boundary diffusion through the high-melting base material, in particular tungsten, and spreads there by surface diffusion. In addition to W, Mo, Ta, Nb, Re and / or C are also used as base materials, the composition of the base material being the same or different in the individual layers of the layer sequence.

Die Oberfläche hat eine stufige Struktur, wobei die stark emittierenden Trittflächen der Stufen (nachfolgend auch Auslaufstufen genannt) die Fortsetzung der Emittermaterialschichten bilden. Die Emitteratome diffundieren direkt ohne Kanteninhomogenitäten auf die Auslaufstufen und bilden dort eine Monoschicht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Basismaterialschichten eine geeignete Vorzugsorientierung in bezug auf die Schichtnormale auf, bei Th-[W]-Kathoden ist das z.B. die <111> -Orientierung für das W-Basismaterial. Das Kathodenmaterial ist feinkristallin mit Korngrößen -9 1 /um. Günstig ist es auch, wenn die Korndurchmesser etwas größer als die Stufenbreiten sind. Die zeitliche Stabilität der Textur wird durch Dotierungen des Basismaterials mit darin nur wenig oder gar nicht löslichen Komponenten erreicht. Weitere Dotierungen in der Randzone der Emittermaterialschichten dienen zur besseren Freisetzung der Emitteratome, falls das Emittermaterial in Form einer Verbindung vorliegt.The surface has a stepped structure, with the strongly emitting treads of the steps (hereinafter also referred to as outlet steps) forming the continuation of the layers of emitter material. The emitter atoms diffuse directly to the outlet stages without edge inhomogeneities and form a monolayer there. In a preferred embodiment of the invention, the base material layers have a suitable preferred orientation with respect to the layer normal, for Th [W] cathodes this is, for example, the <111> orientation for the W base material. The cathode material is finely crystalline with grain sizes -9 1 / um. It is also favorable if the grain diameters are somewhat larger than the step widths. The temporal stability of the texture is achieved by doping the base material with components which are only slightly or not soluble at all. Further doping in the edge zone of the emitter material layers serve to better release the emitter atoms if the emitter material is in the form of a compound.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche der schräggestellten Schichtstruktur mit einer polykristallinen, gegebenenfalls vorzugsorientierten Schicht aus Basismaterial oder einem anderen Material, das in Kombination mit der Emittermonoschicht eine starke Erniedrigung der Elektronen-Austrittsarbeit bewirkt, überzogen. Die Begrenzung der Schrägschichtung zur Deckschicht hin ist in der Regel glatt, ohne ausgeprägte Stufen. Die Deckschicht ist feinkristallin.In a further embodiment of the invention, the surface of the inclined layer structure is covered with a polycrystalline, optionally preferred-oriented layer made of base material or another material which, in combination with the emitter monolayer, brings about a sharp reduction in the electron work function. The boundary of the sloping layer towards the top layer is usually smooth, without pronounced steps. The top layer is finely crystalline.

Die erfindungsgemäße Kathode wird vorzugsweise in drei Bearbeitungsschritten hergestellt. Im ersten Schritt wird zunächst durch alternierende Abscheidung des hochschmelzenden Basismaterials und der elektronenemittierenden Substanz aus der Gasphase eine Schichtenfolge hergestellt.The cathode according to the invention is preferably produced in three processing steps. In the first step, a layer sequence is first produced by alternating deposition of the high-melting base material and the electron-emitting substance from the gas phase.

Ein Verfahren zur alternierenden Abscheidung von Basismaterial und elektronenemittierender Substanz ist in der Patentanmeldung P 31 48 441.7 vorgeschlagen worden; dieses Verfahren und seine Ausgestaltungen (auch für simultane Abscheidung) sind auch beim erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar. Die Aufbringung der Schichten erfolgt dabei durch reaktive Abscheidung wie z.B. CVD-Verfahren, Pyrolyse, Kathodenzerstäuben, Vakuumkondensation oder Plasmazerstäubung. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens werden die an der Abscheidungsreaktion beteiligten Gase durch Erzeugung eines Plasmas zur chemischen Umsetzung und damit verbundenen Abscheidung von Kathodenmaterial veranlaßt (sogenanntes plasmaaktiviertes CVD-Verfahren = PCVD). Statt durch Hochfrequenzanregung kann die chemische Reaktion auch durch Photonen oder durch Elektronenstoß angeregt bzw. induziert werden. Angewendet auf die bevorzugte Materialkombination Th-W heißt das, daß zunächst auf einem geeigneten Substrat eine Schichtenfolge von reinem oder mit einem Stabilisator dotiertem Wolfram abwechselnd mit Th02-Schichten reaktiv aus der Gasphase abgeschieden wird. Verwendet man dabei metallorganische Ausgangsverbindungen, so wird bei der Th-CVD zugleich auch eine Karburierung des mit abgeschiedenen Basismaterials erreicht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird Wolfram durch entsprechende Einstellung der CVD-Parameter <111> -vorzugsorientiert abgeschieden.A method for alternating deposition of base material and electron-emitting substance has been proposed in patent application P 31 48 441.7; this method and its configurations (also for simultaneous deposition) can also be used in the method according to the invention. The layers are applied by reactive deposition such as CVD processes, pyrolysis, cathode sputtering, vacuum condensation or plasma sputtering. In a particularly advantageous embodiment of the proposed method, the gases involved in the deposition reaction are caused by generating a plasma for chemical conversion and the associated deposition of cathode material (so-called plasma-activated CVD method = PCVD). Instead of high-frequency excitation, the chemical reaction can also be excited or induced by photons or by electron impact. Applied to the preferred material combination T hW, this means that a layer sequence of pure or tungsten doped with a stabilizer is alternately deposited with ThO 2 layers from the gas phase on a suitable substrate. If organometallic starting compounds are used, the Th-CVD also carburizes the base material deposited with it. In a preferred embodiment, tungsten is deposited by setting the CVD parameters <111> in a preferred manner.

Die Schichtenfolge wird vorzugsweise durch reaktive Abscheidung mit zeitlicher Variation der Parameter, insbesondere der Durchflußraten der an der Reaktion beteiligten Gase und/oder der Substrattemperatur, hergestellt. Nach einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die zeitliche Variation der Parameter der reaktiven Abscheidung im wesentlichen periodisch (alternierendes CVD-Verfahren).The layer sequence is preferably produced by reactive deposition with temporal variation of the parameters, in particular the flow rates of the gases involved in the reaction and / or the substrate temperature. According to a special embodiment of the method according to the invention, the temporal variation of the parameters of the reactive deposition takes place essentially periodically (alternating CVD method).

Im zweiten Bearbeitungsschritt werden die Schichten nach der Abscheidung schräg angeschliffen, bevorzugt unter einem Winkel von 20 bis 70°, insbesondere 45°. Der erfindungsgemäße Schrägschliff erfolgt z.B. durch mechanische Bearbeitung, wie Schleifen oder Fräsen, und/oder mechanischchemisches Mikropolieren, oder durch Zurechtschneiden mit Hilfe eines Laserstrahls.In the second processing step, the layers are ground at an angle after the deposition, preferably at an angle of 20 to 70 °, in particular 45 °. The bevel cut according to the invention takes place e.g. by mechanical processing, such as grinding or milling, and / or mechanical-chemical micropolishing, or by cutting to size with the aid of a laser beam.

Im dritten Bearbeitungsschritt wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch Ätzen eine stufige Struktur der Oberfläche hergestellt. Ein geeignetes Ätzmittel für die Kombination Th-W ist z.B. eine 3 gew.%ige Lösung von H202. Die stufige Mikrostruktur der Oberfläche kann aber auch mittels anderer Verfahren erzeugt werden. Dazu zählt z.B. die lokale Verdampfung von Basismaterial mittels eines intensiven Laserstrahls oder Elektronenstrahls, die entsprechend der Austrittskanten der Emitterschichten über die Schliff-Fläche geführt werden. Daneben gibt es aber auch die Möglichkeit, die Oberfläche durch mechanische Bearbeitung wie z.B. Feinschmirgeln aufzurauhen und anschließend eine Wärmebehandlung zur Rekristallisation vor allem von Oberflächenkristalliten durchzuführen. Die schräggestellten Emittermaterial-Zwischenschichten mit ihrer geringeren mechanischen Stabilität sind bei der letztgenannten Verfahrenskombination Mitursache für das Entstehen der stufigen Struktur bzw. für die Hemmung der Basismaterial-Rekristallisation an der Emittermaterialzwischenschicht. Die Stufen werden derart ausgebildet, daß ihre Trittflächen in der Verlängerung der Schichten mit hoher Konzentration an Emittermaterial liegen, während die Stufenkehlen senkrecht dazu liegen. Dadurch kann das Emittermaterial direkt von den Schichten hoher Emittermaterialkonzentration zur Oberfläche der Auslaufstufen diffundieren - und zwar ohne starke Desorption an Korngrenzen.In the third processing step, in a preferred embodiment of the invention, a step-like structure of the surface is produced by etching. A suitable etchant for the combination Th-W is, for example, a 3% by weight solution of H 2 0 2 . The step-like microstructure of the surface can also be created using other methods. This includes, for example, the local evaporation of base material using an intense laser beam or electron beam, which is guided over the ground surface in accordance with the trailing edges of the emitter layers. In addition, there is also the possibility of roughening the surface by mechanical processing such as fine sanding and then carrying out a heat treatment for recrystallization, especially of surface crystallites. The inclined emitter material intermediate layers with their lower mechanical stability are the cause of the formation of the step structure or of the inhibition of the base material recrystallization on the intermediate emitter material layer in the latter process combination. The steps are designed so that their treads are in the extension of the layers with a high concentration of emitter material, while the step grooves are perpendicular to it. As a result, the emitter material can diffuse directly from the layers of high emitter material concentration to the surface of the outlet stages - and this without strong desorption at grain boundaries.

Durch eine entsprechend eingestellte Vorzugsorientierung der Basisschichten wird außerdem erreicht, daß die niedrigste Austrittsarbeit aus der Emitter-Monoschicht-Basiskombination überall auf den Auslaufstufen realisiert ist. In den Stufenkehlen sind die Kristallite natürlich weiterhin zufällig orientiert. Ihr Anteil an der Gesamtfläche kann jedoch durch einen flacheren Neigungswinkel der Schichten als 45° - z.B. 25° - zur Makrooberfläche stark verringert werden.An appropriately set preferred orientation of the base layers also ensures that the lowest work function from the emitter-monolayer base combination is achieved everywhere on the outlet stages. The crystallites in the step throats are of course still randomly oriented. However, their share of the total area can be determined by a shallower angle of inclination of the layers than 45 ° - e.g. 25 ° - to be greatly reduced to the macro surface.

Zur Stabilisierung der hergestellten Mikrostruktur und Feinstkristallinität des Kathodenmaterials der erfindungsgemäßen Monoschichtkathoden mit Korngrenzennachlieferung wird das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren durch eine Simultanabscheidung von zusätzlichen Dotierungen ergänzt. Demonstriert wird das wiederum am typischen Beispiel der Th-[W]-Kathoden. Erhöht man die Temperatur von Th-[W]C-Kathoden über die normale Arbeitstemperatur von 2000 bis 2100 K hinaus, so tritt wegen zunehmender Th-Desorption aus der Monoschicht, d.h. abnehmender Th-Bedeckung, ein starker Rückgang der Emission auf, insbesondere ab 2200 K, so daß sich also eine Emissionssteigerung durch Temperaturerhöhung nicht mehr realisieren läßt. Dieser 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 /um eine Ausdehnung des nutzbaren Temperaturbereichs bis auf 2400 K. Solche kleinen Korngrößen lassen sich praktisch nur per CVD-Verfahren, und da nur durch geeignete Wahl der Parameter, herstellen. Diese Feinstkristallinität muß natürlich auch gegenüber längeren thermischen Belastungen stabil bleiben. Steigt z.B. bei Betrieb der Kathode die Korngrröße durch Rekristallisation zu stark an, so bewirkt das schließlich durch Rückgang der monoatomaren Bedeckung wiederum 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.In order to stabilize the microstructure and the finest crystallinity of the cathode material of the monolayer cathodes according to the invention with subsequent grain boundary addition, the production method according to the invention is supplemented by a simultaneous deposition of additional dopants. This is again demonstrated using the typical example of the Th [W] cathodes. If the temperature of Th- [W] C cathodes is increased above the normal working temperature of 2000 to 2100 K, then due to increasing Th-desorption from the monolayer, ie decreasing Th-coverage, a significant decrease in the emission occurs, in particular from 2200 K, so that an increase in emissions by increasing the temperature can no longer be realized. This 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 / um means that the usable temperature range can be extended to 2400 K. Such small grain sizes can practically only be achieved using a CVD process, and because only through a suitable choice of parameters, produce. Of course, this very fine crystallinity must also remain stable with regard to longer thermal loads. If, for example, 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 decrease in the monoatomic coverage lower lifespan. The same stability requirement also applies to the texture, ie the preferred orientation set on the surface must be maintained.

Diese Rekristallisation verhindert man analog zur mechanischen Stabilisierung einer Trägerschicht durch Zusatz einer im Kristallgitter des Deckschichtmaterials unlöslichen Substanz, die simultan aus der Gasphase mit abgeschieden wird, und zugleich auch eine Stabilisierung der Textur bewirkt. Im Falle von Wolfram als Deckschicht- oder Basismaterial sind wegen ihrer geringen festen Löslichkeit in Wolfram Dotierungen mit Th, Th02, Zr, Zr02, U02' Y, Sc, Y2O3, Sc203 und Ru geeignet. Bei einer Arbeitstemperatur von 2000 K, was bedingt, daß der Schmelzpunkt der Dotierung höher liegen muß, und wenn eine einfache Handhabung gefordert wird, bleiben Th02, ZrO2, Y2O3, Sc203 und Ru als bevorzugte CVD-Dotierungen. Die Dotierung kann insbesondere auch mit der emittierenden Substanz identisch sein, falls Th, Y oder Sc die Emittermonoschicht bilden.This recrystallization is prevented analogously to the mechanical stabilization of a carrier 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, and at the same time also stabilizes the texture. In the case of tungsten as a cover layer or base material, doping with Th, Th0 2 , Zr, Zr0 2 , U0 2 ' Y, Sc, Y 2 O 3 , Sc 2 0 3 and Ru are suitable because of their low solid solubility in tungsten. At a working temperature of 2000 K, which means that the melting point of the doping must be higher, and if simple handling is required, Th0 2 , ZrO 2 , Y 2 O 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.

Bei Herstellung einer erfindungsgemäßen Monoschichtkathode mit beliebiger Oberflächenform kann gegebenenfalls ein weiterer Bearbeitungsschritt nach dem Schleifen eingeschoben werden, nämlich das Zusammensetzen einzelner zurechtgeschliffener Facetten zu einem Kathodenkörper der gewünschten Oberflächengeometrie, z.B. vermittels einer Intarsientechnik. Eine andere Möglichkeit, die bei den Ausführungsbeispielen näher beschrieben wird, besteht in der Verwendung von gekerbten Substraten (vgl. Fig. 4).When producing a monolayer cathode according to the invention with any surface shape, a further processing step can be inserted after grinding, namely the assembly of individual cut facets to form a cathode body of the desired surface geometry, e.g. by means of an inlay technique. Another possibility, which is described in more detail in the exemplary embodiments, is the use of notched substrates (cf. FIG. 4).

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die durch Schrägschliff hergestellte Fläche über eine Abscheidung aus der Gasphase eine polykristalline Deckschicht oder eine vorzugsorientierte polykristalline Deckschicht aufgebracht. Eine der wenigen Möglichkeiten, eine vorzugsorientierte polykristalline Deckschicht herzustellen, ist wiederum die chemische Abscheidung aus der Gasphase, wobei es zweckmäßig ist, bestimmte Kombinationen der Abscheideparameter, vor allem von Substrat-Temperatur und Durchflußraten des Gasgemischs, einzuhalten. Die Deckschicht besteht aus einem reinen, hochschmelzenden Metall, wie W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, Ir, Os, Pt, Rh, Ru, Zr, oder aus C und soll eine Vorzugsorientierung aufweisen. Das Material und seine Textur werden so gewählt, daß die Austrittsarbeit aus der 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. Voraussetzung für eine gute Oberflächenbedeckung sind wiederum entweder Feinkristallinität der Deckschicht des Emittermaterials oder das Vorhandensein ausreichender Volumendiffusion in der Deckschicht.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, a polycrystalline cover layer or a layer is deposited on the surface produced by bevel grinding by means of a deposition from the gas phase preferred oriented polycrystalline top layer applied. One of the few possibilities for producing a preferentially oriented polycrystalline cover layer is again chemical deposition from the gas phase, it being expedient to adhere to certain combinations of the deposition parameters, especially the substrate temperature and flow rates of the gas mixture. The cover layer consists of a pure, high-melting metal, such as W, Mo, Ta, Nb, Re, Hf, Ir, Os, Pt, Rh, Ru, Zr, or of C and should have a preferred orientation. The material and its texture are chosen so that the work function from the combination of the emitter monolayer and the top layer is even lower than that from the combination of the emitter and the base. 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. A prerequisite for good surface coverage is either fine crystallinity of the cover layer of the emitter material or the presence of sufficient volume diffusion in the cover layer.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen

  • Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Kathode im Ausschnitt,
  • Fig. 2 die Kathode nach Fig. 1 im Gesamt-Querschnitt,
  • Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zylinderförmige Kathode mit stufiger Außenmantelfläche,
  • Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Kathode mit einem ebenen Substrat mit sägezahnförmiger Kerbung und
  • Fig. 5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Sättigungsemissionsstromdichte von der Kathodentemperatur.
Some embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail below. Show it
  • 1 shows a cross section through a cathode in detail,
  • 2 shows the cathode of FIG. 1 in total cross section,
  • 3 shows a cross section through a cylindrical cathode with a stepped outer surface,
  • Fig. 4 shows a cross section through a cathode with a flat substrate with sawtooth notch and
  • 5 shows a graphical representation of the dependence of the saturation emission current density on the cathode temperature.

In Fig. 1 bezeichnet 1 Basisschichten aus kornstabilisiertem, d.h. dotiertem Wolfram. Diese Schichten sind 1 bis 2 /um dick. 2 bezeichnet Th-Monoschichten auf W <111> . 3 bezeichnet Zwischenschichten aus Th02 von 0,1 bis 0,5 /um Dicke. In der Randzone der Zwischenschicht befindet sich eine W2C-Anreicherung, die zur Freisetzung von Th aus Th02 dient. Die Zwischenschicht 3 kann aber auch aus Th02 und W2C (als Gemisch) bestehen. 4 gibt die Abscheidungsrichtung an.In FIG. 1, 1 denotes base layers made of grain-stabilized, ie doped, tungsten. These layers are 1 to 2 / um thick. 2 denotes Th monolayers on W <111>. 3 denotes intermediate layers of Th0 2 from 0.1 to 0.5 / um thickness. There is a W 2 C enrichment in the edge zone of the intermediate layer, which serves to release Th from Th0 2 . The intermediate layer 3 can also consist of Th0 2 and W 2 C (as a mixture). 4 indicates the direction of deposition.

Die gesamte Kathode ist in der Regel eine ebene Kathode, die direkt oder indirekt geheizt wird. Die Schichtenfolge selbst wird durch eine hochfrequente alternierende Abscheidung von gegebenenfalls dotiertem W und Th02 erzielt. Die hochfrequente Schichtenfolge wird über eine Computersteuerung des Prozesses, insbesondere des Mengenflusses der einzelnen gasförmigen Komponenten, erzielt. Die Substrattemperatur beträgt etwa 500°C, der Druck im Reaktor 10 bis 100 mbar, vorzugsweise 40 mbar. Bei der W-CVD beträgt die WF6-Durchflußrate etwa 30 cm3/min bei einer etwa 10fachen H2-Durchflußrate. Die Intervalldauer beträgt bis zu einigen Minuten, insbesondere 1 Minute. In den Intervallen dazwischen wird über Ar als Trägergas für Thoriumacetylacetonat oder fluoriertes Th-Acetylacetonat und WF6 Th02 bzw. Th02 + W2C ebenfalls etwa 1 Minute lang abgeschieden. Th(C5H7O2)4 befindet sich in Pulverform in einem von Ar mit etwa 85 cm3/min durchströmten Sättiger, der auf eine Temperatur von etwa 160°C bzw. nahe dem Schmelzpunkt der Th-Verbindung aufgeheizt ist. Die Reaktionstemperatur ist etwa 20° höher.The entire cathode is usually a flat cathode, which is heated directly or indirectly. The layer sequence itself is achieved by a high-frequency alternating deposition of optionally doped W and Th0 2 . The high-frequency layer sequence is achieved by computer control of the process, in particular the flow of the individual gaseous components. The substrate temperature is about 500 ° C, the pressure in the reactor 10 to 100 mbar, preferably 40 mbar. In the W-CVD, the WF 6 flow rate is approximately 30 cm 3 / min at an approximately 10 times H 2 flow rate. The interval is up to a few minutes, especially 1 minute. In the intervals between, Ar is also used as the carrier gas for thorium acetylacetonate or fluorinated Th-acetylacetonate and WF 6 Th0 2 or Th0 2 + W 2 C for about 1 minute. Th (C 5 H 7 O 2 ) 4 is in powder form in a saturator flowed through by Ar at about 85 cm 3 / min, which is heated to a temperature of about 160 ° C. or close to the melting point of the Th compound. The reaction temperature is about 20 ° higher.

Eine zusätzliche W2C-Anreicherung am Rand von 3 wird entweder durch kurzzeitiges (etwa 8 s) Miteinleiten eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases bei Beginn des neuen W-CVD-Intervalls oder durch stärkere WF6-Anreicherung gegen Ende der Th-Abscheidung vor allem bei Th-Trifluoracetylacetonat als Ausgangsverbindung erzielt. Alternativ zur Carburierung ist auch eine Borierung der Randzone vorteilhaft.An additional W 2 C enrichment at the edge of 3 is either by briefly (about 8 s) introducing a hydrocarbon-containing gas at the beginning of the new W-CVD interval or by stronger WF 6 enrichment towards the end of the Th deposition, especially for Th -Trifluoroacetylacetonat achieved as a starting compound. As an alternative to carburization, boronization of the edge zone is also advantageous.

Bei sehr hochfrequenter Abscheidung von W und Th kann gegebenenfalls auf eine Dotierung von W verzichtet werden, da eine Kornstabilisierung bereits durch die Zwischenschichten bedingt wird. Bei Schichtenfolgen mit mehr als 2/um Abstand ist eine Dotierung des CVD-W mit einer in W kaum löslichen bzw. unlöslichen Substanz wie etwa 1 Gew.% ThO2, Zr02, Y203, Sc203 oder Ru vorteilhaft. Die Durchflußrate von WF6 ist so hoch eingestellt, daß sie bei der jeweiligen Substrattemperatur gerade noch zu einer Abscheidung von W in <111> -Richtung führt. Nach Abscheidung von etwa 1000 bis 2000 Schichtenfolgen wird die CVD-Probe eingegossen oder eingespannt und unter einem Winkel von 45° zur Aufwachsrichtung plan angeschliffen oder mittels eines Lasers zurechtgeschnitten. Anschließend werden auch die übrigen Seiten der Probe angeschliffen und durch CVD-Abscheidung mit einem etwa 50 bis 150 /um dicken Re-oder W-überzug 6 versehen (Fig. 2). Danach wird die so entstandene Probe auf einem Haarnadelpin 7 zur Heizung aufgepunktet. Die zur Emission vorgesehene unbedeckte angeschliffene Kathodenoberfläche wird erneut auf einige Zehntel /um mikropoliert und anschließend mit einem für W geeigneten Strukturätzmittel vorsichtig geätzt, so daß sich die gewünschte stufenförmige Oberflächenstruktur ergibt. Ein geeignetes Strukturätzmittel für W ist z.B. eine 3 gew.%ige Lösung von H2O2.In the case of very high-frequency deposition of W and Th, doping of W can optionally be dispensed with, since grain stabilization is already caused by the intermediate layers. In layer sequences with more than 2 / um distance doping of the CVD-W with a hardly soluble in W or insoluble substance, such as 1 wt.% ThO 2, Zr0 2, Y 2 0 3, Sc 2 0 3 or Ru advantageous . The flow rate of WF 6 is set so high that it just leads to a deposition of W in the <111> direction at the respective substrate temperature. After deposition of approximately 1000 to 2000 layer sequences, the CV D sample is poured or clamped and ground flat at an angle of 45 ° to the growth direction or cut to size using a laser. Subsequently, the other sides of the sample to be abraded and by CVD deposition with an about 50 to 150 / um thick Re or W-coating 6 is provided (Fig. 2). Then the resulting sample is spotted on a hairpin 7 for heating. The device provided for emission uncovered sharpened cathode surface is etched again to a few tenths / um micro-polished and then with a suitable W for Strukturätzmittel carefully so that the desired step-like surface structure is obtained. A suitable structure etchant for W is, for example, a 3% by weight solution of H 2 O 2 .

Führt man nach der CVD-Abscheidung eine teilweise Umsetzung der Th-Verbindung bzw. von Th02 zu metallischem Thorium durch, so wird vor dem W-Strukturätzen noch ein elektrochemisches Ätzen mit einer 14 CH3COOH: 4HC104: 'H2 0- Lösung (Temperatur 10°C) für Stromdauern (i ≦ 0,1 A/cm ) 1 1 s durchgeführt, was direkt auf die Zwischenschichten wirkt. Auch bei einer Wolframkarbidanreicherung in der Zwischenschicht kann zunächst mit bekannten, auf WC bzw. W2C wirkenden Ätzmitteln (z.B. elektrochemisch mit 2 g NaOH, 2 g Na-Wolframat und 100 ml Wasser) eine Vorätzung zur Stufenstrukturierung stattfinden.If a partial conversion of the Th compound or of Th0 2 to metallic thorium is carried out after the CVD deposition, an electrochemical etching with a 14 CH 3 COOH: 4HC10 4 : 'H 2 0- Solution (temperature 10 ° C) for current periods (i ≦ 0.1 A / cm) carried out 1 1 s, which acts directly on the intermediate layers. Even in the case of a tungsten carbide enrichment in the intermediate layer, pre-etching for step structuring can first take place using known etching agents which act on WC or W 2 C (for example electrochemically with 2 g NaOH, 2 g Na tungsten and 100 ml water).

Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Kathodenstruktur und deren Herstellungsweise gilt jedoch nicht nur für die Emitter-Basis-Kombination Th-W, sondern für jede Kombination eines Emitters mit einem hochschmelzenden Metall bei einer Monoschichtkathode, bei der die Emitternachlieferung im wesentlichen über Korngrenzendiffusion erfolgt. Solche Emittermaterialien sind z.B. auch in der Scandiumgruppe zu finden: Für die Kombination Y-W und Sc-W stellt obige Kathodenstruktur ebenfalls eine bevorzugte Struktur dar. Zur Abscheidung von Y- bzw. Sc-Oxid können ebenfalls die entsprechenden Acetylacetonate benutzt werden.However, the cathode structure described in this exemplary embodiment and its method of manufacture apply not only to the Th-W emitter-base combination, but also to any combination of an emitter with a high-melting metal in a monolayer cathode in which the emitter is essentially supplied via grain boundary diffusion. Such emitter materials are e.g. can also be found in the scandium group: the above cathode structure is also a preferred structure for the combination Y-W and Sc-W. The corresponding acetylacetonates can also be used for the deposition of Y or Sc oxide.

Im Gegensatz zur Herstellung der planaren Kathode von Fig. 2 wird die Herstellung einer zylinderförmigen Kathode mit stufiger Außenmantelfläche deutlich schwieriger. Dieses Problem läßt sich entweder durch Zusammensetzen des Zylindermantels aus einigen (leicht gekrümmten) Stücken z.B. über Punktschweißen oder eine andere Mosaik- bzw. Intarsientechnik lösen, die für Kathoden beliebiger Oberflächenform ebenfalls angewendet werden kann. Für zylinderförmige Kathoden bietet sich außerdem an, ein elliptisches Substrat oder ein Substrat 8 mit zahnradförmigem Querschnitt (= längsgerippter Zylindermantel) wie in Fig. 3 zu beschichten und anschließend rundzuschleifen und dann die Stufenstrukturierung durchzuführen. Ein längsgeripptes Zylindersubstrat 8 liefert bei hoher Anzahl an Rippen 9 eine recht gleichmäßige Elektronenemissionsdichteverteilung über den Mantelumfang. Durch die Erhöhung der Rippenzahl bezogen auf den Umfang kann man wegen der damit verbundenen Verringerung der Rippentiefe Substrate geringerer Dicke benutzen, was für die Kathodenheizung von Vorteil ist. Man kann aber für spezielle Anwendungen, z.B. für Magnetronkathoden, den gegenteiligen Effekt wie z.B. bei Zylindersubstraten elliptischen Querschnitts ausnutzen und eine inhomogene Verteilung der austretenden Elektronen infolge der stark unterschiedlichen Stufenbreite erzeugen, wodurch z.B. vier Maxima in der Elektronenaustrittsdichte entstehen. Zur Herstellung von Kathoden mit beliebiger Oberflächengeometrie werden vorteilhaft ebenfalls gerippte Substrate benutzt, z.B. ebene Substrate mit Rippung oder Substrate mit beliebig gekrümmter Oberfläche mit Rippung. Bei ebenen Kathoden erspart man sich dabei insbesondere das facettenartige Zusammensetzen größerer Flächen, wozu man normalerweise eine Mosaik- bzw. Intarsientechnik verwenden würde. Benutzt man z.B. ein makroskopisch "ebenes" Substrat wie in Fig. 4 mit sägezahnförmiger Kerbung, so gilt als Randbedingung für ein paralleles Aufwachsen auf die schräggestellten Kerbflächen, daß die reaktive Abscheidung aus der Gasphase im sogenannten durch die Oberflächenreaktionskinetik geregelten Bereich erfolgt, d.h. die Nachlieferung der gasförmigen Ausgangsverbindungen zur Oberfläche darf noch nicht durch die Gasphasendiffusion beschränkt sein, die Abscheidetemperaturen müssen also unter Berücksichtigung eines Wendepunktes in der Wachstumscharakteristik im unteren Temperaturbereich gewählt werden. Die Kerbungstiefen liegen dabei im Bereich von 10 bis 20 /um und es werden etwa 10 bis 20 Schichtenfolgen aufgebracht. Bei einer Th-[W]-Kathode werden die W-Schichten wieder <111> -vorzugsorientiert und mit einer strukturstabilisierenden Komponente dotiert abgeschieden.In contrast to the production of the planar cathode of FIG. 2, the production of a cylindrical cathode with a stepped outer surface area becomes significantly more difficult. This problem can be solved either by assembling the cylinder jacket from a few (slightly curved) pieces, for example using spot welding, or by another mosaic or inlay technique that can also be used for cathodes of any surface shape. For cylindrical cathodes it is also advisable to use an elliptical substrate or a substrate 8 with a gear-shaped cross section (= longitudinally ribbed cylinder jacket) as in FIG. 3 coat and then grind and then carry out the step structuring. With a large number of ribs 9, a longitudinally ribbed cylinder substrate 8 provides a fairly uniform electron emission density distribution over the circumference of the jacket. By increasing the number of ribs in relation to the circumference, substrates of smaller thickness can be used because of the associated reduction in the rib depth, which is advantageous for the cathode heating. However, for special applications, for example for magnetron cathodes, the opposite effect can be exploited, such as with cylindrical substrates with an elliptical cross-section, and an inhomogeneous distribution of the emerging electrons due to the widely differing step widths, which, for example, results in four maxima in the electron exit density. Ribbed substrates are also advantageously used to produce cathodes with any surface geometry, for example flat substrates with ribbing or substrates with any curved surface with ribbing. In the case of flat cathodes, this saves in particular the facetted assembly of larger areas, for which one would normally use a mosaic or inlay technique. If, for example, a macroscopically "flat" substrate as in FIG. 4 with sawtooth-shaped notch is used, the boundary condition for parallel growth on the inclined notch surfaces is that the reactive deposition from the gas phase takes place in the area regulated by the surface reaction kinetics, ie the subsequent delivery The gaseous starting compounds to the surface must not yet be limited by the gas phase diffusion, the deposition temperatures must therefore be selected taking into account a turning point in the growth characteristics in the lower temperature range. The notch depths are in the range from 10 to 20 / um and about 10 to 20 layer sequences are applied. With a Th [W] cathode, the W layers again <111> -preferred and deposited with a structure-stabilizing component.

Nach der CVD-Beschichtung wird die Oberfläche entsprechend der gewählten Substratgeometrie glattgeschliffen, und die Oberfläche wird nach einem der angegebenen Verfahren mit Mikrostufen versehen, wobei deren Trittflächen 2 wiederum den Auslaufstufen der Emittermaterial-Zwischenschichten 3 entsprechen. Die Stufen werden z.B. durch Strukturätzen erzeugt. Das Substrat 8 besteht z.B. aus Molybdän, in dem die Kerben 9 durch mechanische Bearbeitung hergestellt werden. In Fig. 4 bezeichnet 1 wiederum die Basismaterial- schichten, 3 die Emittermaterial-Zwischenschichten, 2 die mit der monoatomaren Emitterschicht bedeckten Auslaufstufen und 4 die Abscheiderichtungen bei der CVD-Abscheidung. Der abgetragene Teil der CVD-Schichten ist gestrichelt ange-deutet.After the CVD coating, the surface is ground smooth in accordance with the selected substrate geometry, and the surface is provided with micro-steps according to one of the methods specified, the tread surfaces 2 of which in turn correspond to the outlet steps of the intermediate layers 3 of emitter material. The levels are e.g. generated by structure etching. The substrate 8 is e.g. made of molybdenum, in which the notches 9 are produced by mechanical processing. In FIG. 4, 1 again designates the base material layers, 3 the emitter material intermediate layers, 2 the outlet stages covered with the monoatomic emitter layer and 4 the deposition directions in the CVD deposition. The removed part of the CVD layers is indicated by dashed lines.

Die entscheidenden Vorteile von erfindungsgemäßen Kathoden mit stufiger Oberfläche sind folgende: Der wichtigste Vorteil beruht auf der Unterdrückung des Kanteneffektes. Die Emitteratome diffundieren ohne starke Desorption an den Korngrenzen in der Nähe der Oberfläche ungehindert über die Auslaufstufen und bilden dort eine Monoschicht. Für Th-[W]-Kathoden nach der Erfindung verschiebt sich wegen der viel geringeren Kantendesorption die kritische Temperatur um etwa 200° nach oben und auch das Emissionsmaximum tritt erst bei höherer Kathodentemperatur (etwa 2100 K) auf. Erfindungsgemäße stufige Kathoden eröffnen also die MögLichkeit, durch eine Temperaturerhöhung auch eine höhere Emissionsstromdichte zu erreichen, als sie bei den konventionellen Th-[W]-Kathoden üblich ist. Andererseits wird; bei den üblichen Betriebstemperaturen der Verbrauch an Emitztermaterial geringer, die Lebensdauer wird folglich bei gleichem Vorrat an Emittermaterial verlängert.The decisive advantages of cathodes according to the invention with a stepped surface are as follows: The most important advantage is based on the suppression of the edge effect. Without strong desorption, the emitter atoms diffuse freely at the grain boundaries near the surface through the outlet stages and form a monolayer there. For Th- [W] cathodes according to the invention, because of the much lower edge desorption, the critical temperature shifts upwards by about 200 ° and the emission maximum also only occurs at a higher cathode temperature (about 2100 K). Step cathodes according to the invention thus open up the possibility of also achieving a higher emission current density by increasing the temperature than is customary in the conventional Th [W] cathodes. On the other hand, at the usual operating temperatures the consumption of emitter material is lower, the service life is consequently extended with the same supply of emitter material.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die effektive emittierende Oberfläche durch die stufige Struktur vergrößert wird; bei einem Schliff unter 45° liegt der Vergrößerungsfaktor ungefähr bei 1,4, was bei Th-[W]-Kathoden bei Temperaturen S 2000 K wünschenswert ist.Another advantage is that the effective emitting surface is increased by the step structure; with a cut below 45 ° the magnification factor is approximately 1.4, which is desirable for Th [W] cathodes at temperatures S 2000 K.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung beruht auf der Abscheidung der Basismaterialschichten mit derjenigen Vorzugsorientierung, für die die Austrittsarbeit einer Emittermonoschicht auf dieser kristallitorientierten Basis minimal wird. Bei Th-[W]-Kathoden ist dies die <111> -Orientierung von W. Damit sind die Auslaufstufen selbst in Normalenrichtung zur Schichtung <111>-orientiert ; die Seitenflächen der Stufen sind statistisch orientiert und tragen entsprechend wenig zur Gesamtemission bei. Daher ist es zweckmäßig, den vorzugsorientierten Flächenanteil der Auslaufstufen durch einen flacheren Schliffwinkel, z.B. von 30°, entsprechend zu erhöhen, was wiederum eine Steigerung der Gesamtemissionskurve 11 (Fig. 5) bedeutet. In Fig. 5 ist der ungefähre Verlauf der Emissionsstromdichte is(T) einer erfindungsgemäßen stufigen Th-[W]-Kathode in Abhängigkeit von der Kathodentemperatur T graphisch dargestellt. Im Vergleich dazu zeigt Kurve 10 is(T) für eine konventionelle thorierte W-Drahtkathode. Eine Stabilisierung der Textur der W-Schichten wird durch in W praktisch unlösliche Zusätze von etwa 1 Gew.% z.B. Th021 ZrO2, Y2031 Sc203 und/oder Ru erreicht. Diese Dotierung bewirkt außerdem eine Hemmung des Kornwachstums, das wegen der Zwischenschichten ohnehin bevorzugt nur seitlich in den Basismaterial-Schichten eine Rolle spielt. Die Diffusion des Emittermaterials zur Oberfläche erfolgt längs der Zwischenschichten 3 und wird durch laterales Kristallitwachstum der Basisschichten nicht behindert.Another important advantage of the invention is based on the deposition of the base material layers with that preferred orientation for which the work function of an emitter monolayer on this crystalline-oriented basis is minimal. For Th- [W] cathodes, this is the <111> -orientation of W. Thus, the outlet stages are <111> -oriented even in the normal direction for stratification; the side surfaces of the steps are statistically oriented and therefore make little contribution to the overall emission. It is therefore expedient to correspondingly increase the preferred area proportion of the run-off stages by means of a flatter ground angle, for example of 30 °, which in turn means an increase in the overall emission curve 11 (FIG. 5). FIG. 5 shows the approximate course of the emission current density i s (T) of a stepped Th [W] cathode according to the invention as a function of the cathode temperature T. In comparison, curve 10 i s (t) are presented for a conventional thoriated W wire cathode. The texture of the W layers is stabilized by additions of about 1% by weight, which are practically insoluble in W, for example Th0 21 ZrO 2 , Y 2 0 31 Sc 2 0 3 and / or Ru. This doping also causes an inhibition of grain growth, which because of the intermediate layers anyway only plays a role laterally in the base material layers. The diffusion of the emitter material to the surface takes place along the intermediate layers 3 and is not hindered by lateral crystallite growth of the base layers.

Diese ungestörte Nachlieferung des Emittermaterials zur Oberfläche wird in der folgenden weiteren Ausführungsform der Erfindung ausgenutzt: Die Folge von schräggestellten Schichten, die in diesem Fall keine Vorzugsorientierung aufzuweisen braucht, wird nach dem Schliff durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase mit einer polykristallinen, vorzugsweise vorzugsorientierten polykristallinen Deckschicht aus Basismaterial, z.B. <111) W für eine Th-[W]-Kathode, oder mit einem anderen hochschmelzenden Material mit niedriger Austrittsarbeit aus der Emitter- monoschicht-Deckschicht-Kombination, überzogen. Die Dicke dieser Deckschicht liegt im Bereich von etwa 2 bis 20 /um, vorzugsweise bei 5 bis 10 /um. Die mittleren Korngrößen bzw. Korndurchmesser werden über Wahl der CVD-Parameter (niedrige Temperatur ≦ 500°C und Dotierungen wie oben) auf Werte ≦ 1 /um eingestellt. Bei Verwendung einer Intarsientechnik für beliebige Oberflächenformen erfolgt der CVD-Überzug nach Zusammensetzung der Einzelstücke zur gewünschten Oberflächenform. Der Bereich günstiger Schliffwinkel liegt bei dieser Ausführungsform der Erfindung zwischen 20° und 90°.This undisturbed subsequent delivery of the emitter material for Surface is used in the following further embodiment of the invention: the sequence of inclined layers, which in this case need not have a preferred orientation, is after grinding by reactive deposition from the gas phase with a polycrystalline, preferably preferentially oriented polycrystalline cover layer made of base material, for example <111 ) W for a Th [W] cathode, or with another high-melting material with a low work function from the emitter-monolayer-top layer combination. The thickness of this cover layer is in the range of about 2 to 20 / µm, preferably 5 to 10 / µm. The average grain sizes or grain diameters are set to values ≦ 1 / um by choosing the CVD parameters (low temperature ≦ 500 ° C and doping as above). When using an inlay technique for any surface shape, the CVD coating takes place according to the composition of the individual pieces to the desired surface shape. The range of favorable grinding angles in this embodiment of the invention is between 20 ° and 90 °.

Der wichtigste Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der durch Kornwachstum ungestörten Nachlieferung des Emittermaterials zur Oberfläche, verbunden mit einem hohen Vorrat und geringerer Desorption als z.B. bei MK-Kathoden (Metallkapillarkathoden), was insgesamt eine Erhöhung der Lebensdauer im Vergleich zu üblichen Th-[W]-Kathoden bedeutet. Zugleich wird die Emission durch die <111>-texturierte und texturstabilisierte Deckschicht gegenüber bekannten Th-[W]-Kathoden erhöht.The most important advantage of this embodiment lies in the subsequent delivery of the emitter material to the surface undisturbed by grain growth, combined with a high stock and less desorption than e.g. with MK cathodes (metal capillary cathodes), which means an overall increase in the service life in comparison to conventional Th [W] cathodes. At the same time, the emission is increased by the <111> -textured and texture-stabilized cover layer compared to known Th- [W] cathodes.

Claims (16)

1. Thermionische Kathode mit einem Kathodenkörper, der aus einem hochschmelzenden Basismaterial und einem Vorrat an Emittermaterial besteht, und mit einer elektronenemittierenden Monoschicht auf der Oberfläche des Kathodenkörpers, wobei die Monoschicht während des Betriebs der Kathode aus dem Vorrat an Emittermaterial ergänzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenkörper aus einer Folge von Schichten (1) aus Basismaterial und Zwischenschichten (3) mit einer hohen Konzentration an Emittermaterial besteht, und daß sich die makroskopische Kathodenoberfläche schräg zu den Hauptflächen zumindest desjenigen Teils der Schichten (1, 3) erstreckt, der sich in der Nähe der makroskopischen Kathodenoberfläche befindet.1. Thermionic cathode with a cathode body, which consists of a high-melting base material and a supply of emitter material, and with an electron-emitting monolayer on the surface of the cathode body, the monolayer being supplemented from the supply of emitter material during operation of the cathode, characterized in that that the cathode body consists of a sequence of layers (1) of base material and intermediate layers (3) with a high concentration of emitter material, and that the macroscopic cathode surface extends obliquely to the main surfaces of at least that part of the layers (1, 3) that extends located near the macroscopic cathode surface. 2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenoberfläche eine stufige Struktur aufweist, wobei die Trittflächen (2) der Stufen eine Fortsetzung der Zwischenschichten (3) aus dem Emittermaterial bilden.2. Cathode according to claim 1, characterized in that the cathode surface has a step structure, the tread surfaces (2) of the steps forming a continuation of the intermediate layers (3) made of the emitter material. 3. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Folge von schräggestellten Schichten (1, 3) eine polykristalline Deckschicht (4), die gegebenenfalls vorzugsorientiert ist, angeordnet ist.3. Cathode according to claim 1, characterized in that on the surface of the sequence of inclined layers (1, 3) a polycrystalline cover layer (4), which is optionally preferred, is arranged. 4. Kathode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittermaterial ein Element der Scandiumgruppe, insbesondere Thorium, oder eine derer Verbindungen, und das Basismaterial Wolfram ist.4. Cathode according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the emitter material is an element of the scandium group, in particular thorium, or one of its compounds, and the base material is tungsten. 5. Kathode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge (1, 3) aus abwechselnden Ablagerungen von hohen und niedrigen Konzentrationen des Emittermaterials besteht.5. Cathode according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the layer sequence (1, 3) consists of alternating deposits of high and low concentrations of the emitter material. 6. Kathode nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die makroskopische Kathodenoberfläche unter einem Winkel zwischen 10° und 70°, insbesondere 45°, zur Hauptfläche der Schichten (1,3) angeordnet ist.6. Cathode according to one of several of claims 1 to 5, characterized in that the macroscopic cathode surface is arranged at an angle between 10 ° and 70 °, in particular 45 °, to the main surface of the layers (1,3). 7. Kathode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Randzone der Zwischenschichten (3) oder in den Zwischenschichten (3) selbst sich zusätzlich Kohlenstoff und/oder Bor in einer Konzentration in der Größenordnung der Emittermaterialkonzentration befindet.7. Cathode according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that in an edge zone of the intermediate layers (3) or in the intermediate layers (3) itself there is additionally carbon and / or boron in a concentration in the order of magnitude of the emitter material concentration. 8. Kathode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1) des Basismaterials eine Dicke von 0,5 bis 20 /um, vorzugsweise 1 bis 2 /um, und die Zwischenschichten (3) aus Emittermaterial eine Dicke von 0,1 bis 0,5 /um, insbesondere 0,2 /um, aufweisen, wobei die gegebenenfalls vorhandene kohlenstoff- und/oder borhaltige Randzone eine Dicke von 0,2 /um hat.8. Cathode according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the layers (1) of the base material have a thickness of 0.5 to 20 / um, preferably 1 to 2 / um, and the intermediate layers (3) made of emitter material have a thickness of 0.1 to 0.5 / µm, in particular 0.2 / µm, the optionally present carbon and / or boron-containing edge zone having a thickness of 0.2 / µm. 9. Verfahren zur Herstellung der thermionischen Kathode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge durch alternierende Abscheidung des hochschmelzenden Basismaterials und des Emittermaterials aus der Gasphase hergestellt wird und anschließend die makroskopische Oberfläche durch einen Schrägschliff hergestellt wird.9. A method for producing the thermionic cathode according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the layer sequence is produced by alternating deposition of the high-melting base material and the emitter material from the gas phase and then the macroscopic surface is produced by an angle grinding. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge durch reaktive Abscheidung mit zeitlicher Variation der Parameter, insbesondere der Durchflußraten der an der Reaktion beteiligten Gase und/oder der Substrattemperatur, hergestellt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that the layer sequence is produced by reactive deposition with temporal variation of the parameters, in particular the flow rates of the gases involved in the reaction and / or the substrate temperature. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Variation der Parameter der reaktiven Abscheidung im wesentlichen periodisch erfolgt.11. The method according to claim 10, characterized in that the temporal variation of the parameters of the reactive deposition takes place essentially periodically. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß Wolfram-Schichten, die gegebenenfalls zur Strukturstabilisierung mit bis zu 2 Gew.% Th02, Zr02, Y2O3, SC203 und/oder Ru dotiert sind, durch Einstellung der CVD-Parameter <111> -vorzugsorientiert abgeschieden werden.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that tungsten layers, which are optionally doped for structural stabilization with up to 2 wt.% Th0 2 , Zr0 2 , Y 2 O 3 , SC203 and / or Ru, by adjusting the CVD parameters <111> are preferentially deposited. 13. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 und/oder 12 zur Herstellung einer thermionischen Kathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stufige Mikrostruktur der Oberfläche durch a) Ätzen bzw. Strukturätzen und/oder b) lokale Materialverdampfung mittels eines Elektronenstrahls und/oder c) lokale Materialverdampfung mittels eines Laserstrahls und/oder d) mechanische Bearbeitung der Oberfläche und/oder e) eine Wärmebehandlung
erzeugt wird.
13. The method according to claim 9, 10, 11 and / or 12 for producing a thermionic cathode according to claim 2, characterized in that the stepped microstructure of the surface a) etching or structure etching and / or b) local evaporation of material by means of an electron beam and / or c) local material evaporation by means of a laser beam and / or d) mechanical processing of the surface and / or e) a heat treatment
is produced.
14. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 und/oder 12 zur Herstellung einer thermionischen Kathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die durch Schrägschliff hergestellte Fläche über eine Abscheidung aus der Gasphase eine polykristalline Deckschicht, die gegebenenfalls vorzugsorientiert ist, aufgebracht wird.14. The method according to claim 9, 10, 11 and / or 12 for the production of a thermionic cathode according to claim 3, characterized in that a polycrystalline cover layer, which is optionally preferred, is applied to the surface produced by bevel grinding via a deposition from the gas phase . 15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein geripptes und/oder gerilltes bzw. ein in der Oberfläche im Querschnitt sägezahnförmig gekerbtes Substrat beliebiger Geometrie, insbesondere ebener oder zylinderförmiger Geometrie, oder ein Substrat mit einer räumlich irgendwie gekrümmten Oberfläche für die reaktive Abscheidung der Schichten aus der Gasphase benutzt wird, wobei die Beschichtung solange fortgesetzt wird, bis eine Dicke erreicht ist, die zumindest gleich der Kerbentiefe ist, und anschließend die beschichtete Oberfläche im wesentlichen bis zu den Substratkerbungskanten derart glattgeschliffen wird, daß die entstandene Schichtenfolge jeweils schräg zur neuen Oberfläche angeordnet ist, wobei die Schichtungsrichtung innerhalb der Kerben immer wieder um 90° versetzt ist, und anschließend die stufige Mikrostruktur erzeugt wird.15. The method according to one or more of claims 9 to 13, characterized in that a ribbed and / or grooved or a sawtooth-shaped substrate in cross-section in the surface of any geometry, in particular flat or cylindrical geometry, or a substrate with a spatial somehow curved surface is used for the reactive deposition of the layers from the gas phase, the coating is continued until a thickness is reached which is at least equal to the notch depth, and then the coated surface is substantially smoothed down to the substrate notch edges such that the resulting layer sequence is arranged at an angle to the new surface, the layering direction within the notches being offset by 90 ° again and again, and then the step-like microstructure being produced. 16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur die Oberfläche durch Schrägschliff der CVD-Schichten präpariert wird, sondern auch die Seiten der CVD-Probe derart angeschliffen werden, daß eine pillenförmige Kathode mit makroskopisch ebener Oberfläche und schräggestellten Schichten entsteht, die auf den nichtemittierenden Seiten per CVD mit einem W-, Re- oder Mo-überzug von etwa 20 bis 200/um versehen wird und anschließend auf einem dünnen, temperaturfesten haarnadelförmig gekrümmten Draht aufgepunktet wird, der zur direkten Kathodenheizung dient, oder die für eine indirekte Heizung als Kappe eines Zylindermantels mit im Innern befindlicher Wolfram-Glühwendel vorgesehen ist, wobei die Herstellung der stufigen Oberfläche durch Mikropolieren und Strukturätzen erst nach Anbringen der Heizzuführungen erfolgt.16. The method according to one or more of claims 9 to 14, characterized in that not only the surface is prepared by angled grinding of the CVD layers, but also the sides of the CVD sample are ground in such a way that a pill-shaped cathode with a macroscopically flat surface and inclined layers is formed, the / um is applied to the non-emissive sides by CVD with a W, re or Mo-coating of about 20 to 200 provided, and then on a thin, temperature resistant hairpin-shaped bent wire is aufgepunktet, which serves for the direct cathode heating , or which is provided for indirect heating as a cap of a cylinder jacket with a tungsten filament inside, the step surface being produced by micropolishing and structural etching only after the heating leads have been attached.
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