EP0087826B1 - Thermionische Kathode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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EP0087826B1
EP0087826B1 EP83200139A EP83200139A EP0087826B1 EP 0087826 B1 EP0087826 B1 EP 0087826B1 EP 83200139 A EP83200139 A EP 83200139A EP 83200139 A EP83200139 A EP 83200139A EP 0087826 B1 EP0087826 B1 EP 0087826B1
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EP
European Patent Office
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cathode
layers
emitter
emitter material
base material
Prior art date
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EP83200139A
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English (en)
French (fr)
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EP0087826A2 (de
EP0087826A3 (en
Inventor
Georg Dr. Gärtner
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Koninklijke Philips NV
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/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details 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
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/13—Solid thermionic cathodes
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    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/13—Solid thermionic cathodes
    • H01J1/20—Cathodes heated indirectly by an electric current; Cathodes heated by electron or ion bombardment
    • H01J1/28—Dispenser-type cathodes, e.g. L-cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus 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
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/04—Manufacture 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 been known for a long time (DE-A-1 439 890) and have been investigated in detail at an early stage, but because of their wide commercial distribution due to their good vacuum behavior, their quite high emission and their favorable properties when used in UHF and Microwave tubes require a further improvement, especially in terms of emissions, due to increased requirements.
  • such thermionic monolayer cathodes consist of a base matrix made of refractory metal, into which emitter material is embedded or in the form of a compound that diffuses to the surface of the cathode at the operating temperature in the form of atoms, for example as a result of grain boundary diffusion, volume diffusion or through pores, and there forms or supplements a surface monolayer.
  • 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 of this monolayer, i.e. is covered 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- [W] 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 naturally result in better coverage with the same diffusion length.
  • 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.
  • 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- [W] and analog monolayer cathodes and also to emit the fine crystallinity of the base material and a suitable 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 in that the macroscopic cathode surface extends obliquely to the main surfaces of at least that part of the layers located near 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 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 of up to 0.01 1 1m, 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, the strongly emitting treads of the steps (hereinafter also called step-out 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: - 5 1 ⁇ m. 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 of base material or another material which, in combination with the emitter monolayer, brings about a significant 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.
  • a method for alternating deposition of base material and electron-emitting substance has been proposed in EP-A2-0 081 270; 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.
  • PCVD plasma-activated CVD method
  • the chemical reaction can also be excited or induced by high-frequency excitation by photons or by electron impact.
  • Th-W Applied to the preferred material combination Th-W, this means that a layer sequence of pure tungsten or doped with a stabilizer is alternately deposited with Th0 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 in a preferred-oriented manner by setting the CVD parameters accordingly.
  • 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.
  • 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.
  • the slanted emitter material intermediate layers with their lower mechanical stability are in the latter process combination a cause for the emergence of the step structure or for the inhibition of the base material recrystallization on the emitter material intermediate layer.
  • 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 without any strong desorption at grain boundaries.
  • 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 ° - can be greatly reduced to the macro surface.
  • the production method according to the invention is supplemented by a simultaneous deposition of additional dopants.
  • 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.
  • an average tungsten grain diameter of i 1 ⁇ m means an extension of the usable temperature range to ;;:; 2400 K.
  • Such small grain sizes can practically only be produced using the CVD process, and therefore only through a suitable choice of parameters.
  • 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 shorter service life due to the decrease in the monoatomic coverage.
  • the same stability requirement also applies to the texture, ie the preferred orientation set on the surface must be maintained.
  • 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.
  • doping with Th, Th0 2 , Zr, Zr0 2 , U0 2 , Y, Sc, Y 2 0 3 , S C2 0 3 and Ru are suitable.
  • Th0 2 , Zr0 2 , Y 2 0 3 , S C2 0 3 Ru remain as preferred CVD doping.
  • the doping in particular may also be identical to the emitting substance if Th, Y or Sc form the emitter monolayer.
  • a further processing step can optionally be inserted after grinding, namely the assembly of individual cut facets to form a cathode body of the desired surface geometry, e.g. using an inlay technique.
  • Another possibility which is described in more detail in the exemplary embodiments, is the use of notched substrates (cf. FIG. 4).
  • a polycrystalline cover layer or a preferentially oriented polycrystalline cover layer is applied to the surface produced by angled grinding by means of a 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, lr, 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.
  • 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.
  • 1 denotes base layers made of grain-stabilized, ie doped, tungsten. These layers are 1 to 2 1 1m thick.
  • 2 denotes Th monolayers on W ⁇ 111>.
  • 3 denotes intermediate layers made of Th0 2 from 0.1 to 0.5 11 m thick. 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.
  • 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 via a 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.
  • 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.
  • 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 0 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.
  • 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 WFg enrichment towards the end of the Th separation, especially in the case of Th Trifluoroacetylacetonat achieved as a starting compound.
  • boronization of the edge zone is also advantageous.
  • doping of W can optionally be dispensed with, since grain stabilization is already caused by the intermediate layers.
  • doping the CVD-W with a substance that is hardly soluble or insoluble in W such as 1% by weight of Th0 2 , Zr0 2 , Y 2 0 3 , S C2 0 3 or Ru, is 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.
  • the CVD sample is cast or clamped in layers and ground flat at an angle of 45 ° to the growth direction or cut to size using a laser.
  • the remaining sides of the sample are then also ground and provided with an approximately 50 to 150 ⁇ m thick Re or W coating 6 by CVD deposition (FIG. 2).
  • the resulting sample is spotted on a hairpin 7 for heating.
  • the exposed, uncovered, ground cathode surface is again micropolished to a few tenths of a meter and then carefully etched with a structural etchant suitable for W, 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 0 2 .
  • the cathode structure described in this exemplary embodiment and its method of manufacture applies 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.
  • 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 it is possible to use substrates of smaller thickness because of the associated reduction in the rib depth, which is advantageous for the cathode heating.
  • the opposite effect such as in the case of cylindrical substrates, use an elliptical cross section and produce an inhomogeneous distribution of the emerging electrons as a result of the very different step widths, which means e.g. four maxima arise in the electron exit density.
  • Ribbed substrates are also advantageously used for the production of cathodes with any surface geometry, e.g. 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 you use e.g. a macroscopically "flat" substrate as in Fig. 4 with sawtooth-shaped notch, 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, i.e.
  • 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 ⁇ m and about 10 to 20 layer sequences are applied.
  • the W layers are again deposited in a ⁇ 111> preferred manner and doped with a structure-stabilizing component.
  • the surface is ground smooth in accordance with the selected substrate geometry, and the surface is provided with micro-stages according to one of the methods specified, the tread surfaces 2 of which in turn correspond to the outlet stages of the intermediate layers 3 of emitter material.
  • the levels are generated, for example, by structure etching.
  • the substrate 8 consists, for example, of molybdenum, in which the notches 9 are produced by mechanical processing.
  • 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.
  • 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 upward by about 200 ° and the emission maximum also only occurs at a higher cathode temperature (about 2100 K). Stage 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, the consumption of emitter material is lower at the usual operating temperatures, and the service life is consequently extended with the same supply of emitter material.
  • 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 ⁇ 2000 K.
  • 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.
  • Th- [W] cathodes this is the ⁇ 111> orientation of W.
  • the outlet stages are oriented in the normal direction to the layering ⁇ 111>; 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 FIG.
  • 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.
  • 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 approximately 1% by weight, which are practically insoluble in W, for example Th0 2 , Zr0 2 , Y 2 0 3 , 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.
  • 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 from base material, e.g. ⁇ 111> W for a Th- [W] cathode, or coated with another refractory material with low work function from the emitter monolayer-top layer combination.
  • the thickness of this cover layer is in the range of approximately 2 to 20 ⁇ m, preferably 5 to 10 ⁇ m.
  • 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 °.
  • 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.
  • MK cathodes metal capillary cathodes
  • the emission is increased by the ⁇ 111> -textured and texture-stabilized cover layer compared to known Th- [W] cathodes.

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.
  • 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 (DE-A-1 439 890) 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.
  • In der Regel bestehen derartige thermionische Monoschichtkathoden 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.
  • 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.
  • 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-[W]-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 Monoschichtkathoden mit Nachlieferung des Emittermaterials über Korngrenzendiffusion von der Korngröße ab. Da sich die Emitteratome auf der Oberfläche per Oberflächendiffusion ausbreiten, wobei die Quellen für die Emitteratome die Korngrenzen sind, führen kleinere Kristallite bei gleicher Diffusionslänge natürlich zu einer besseren Bedeckung.
  • 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 vD von Wolfram und Messungen der Oberflächendiffusionskonstanten Do für Thorium auf polykristallinem Wolfram läßt sich die Diffusionslänge angeben als i/D6. CO/YD' 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. 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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-[W]- 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathode und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Eine bevorzugte erfindungsgemäße Kathodenstruktur sieht folgendermaßen aus: Die Kathode besteht aus einer Schichtenfolge von schräg zuremittierenden Kathodenoberfläche angeordneten Schichten, die abwechselnd vor allem aus hochschmelzendem Basismaterial und aus Emittermaterial bestehen. Die Dicke dieser Schichten liegt dabei im Bereich s enige um bis 0,01 11m, wobei die Emittermaterialschichten deutlich dünner sind als die Basismaterialschichten. 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.
  • Die Oberfläche hat eine stufige Struktur, wobei die stark emittierenden Trittflächen der Stufen (nachfolgend auch Austaufstufen 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 :- 5 1 µm. 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.
  • 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 ElektronenAustrittsarbeit bewirkt, überzogen. Die Begrenzung der Schrägschichtung zur Deckschicht hin ist in der Regel glatt, ohne ausgeprägte Stufen. Die Deckschicht ist feinkristallin.
  • 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.
  • Ein Verfahren zur alternierenden Abscheidung von Basismaterial und elektronenemittierender Substanz ist in der EP-A2-0 081 270 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.
  • 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).
  • 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 mechanisch-chemisches Mikropolieren, oder durch Zurechtschneiden mit Hilfe eines Laserstrahls.
  • 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.
  • 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.
  • 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 i 1 µm 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. Diesellbe Stabilitätsforderung gilt auch für die Textur, d.h. die eingestellte Vorzugsorientierung an der Oberfläche muß erhalten bleiben.
  • 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, Y203, 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, Zr02, Y203, SC203 Ru als bevorzugte CVD-Dotierungen. Die Dotierung besondere auch mit der emittierenden Substanz identisch sein, falls Th, Y oder Sc die Emittermonoschicht bilden.
  • 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 lntarsientechnik. Eine andere Möglichkeit, die bei den Ausführungsbeispielen näher beschrieben wird, besteht in der Verwendung von gekerbten Substraten (vgl. 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, lr, 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.
  • 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 GesamtQuerschnitt,
    • 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.
  • In Fig. 1 bezeichnet 1 Basisschichten aus kornstabilisiertem, d.h. dotiertem Wolfram. Diese Schichten sind 1 bis 2 11m dick. 2 bezeichnet Th-Monoschichten auf W < 111 >. 3 bezeichnet Zwischenschichten aus Th02 von 0,1 bis 0,5 11m 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.
  • 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(C5H702)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.
  • 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 WFg-Anreicherung gegen Ende der Th-Abscheidung vor allem bei Th-Trifluoracetylacetonat als Ausgangsverbindung erzielt. Alternativ zur Carburierung ist auch eine Borierung der Randzone vorteilhaft.
  • 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 2ym Abstand ist eine Dotierung des CVD-W mit einer in W kaum löslichen bzw. unlöslichen Substanz wie etwa 1 Gew.% Th02, 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 150µm 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 11m 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 H202.
  • 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 Atzen mit einer 14 CH3COOH: 4HCl 04: 1 H20-Lösung (Temperatur 10° C) für Stromdauern (i ä 0,1 A/cm2) = 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Basismaterialschichten, 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 angedeutet.
  • 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 Emittermaterial geringer, die Lebensdauer wird folglich bei gleichem Vorrat an Emittermaterial verlängert.
  • 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 ≦ 2000 K wünschenswert ist.
  • 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. Th02, Zr02, Y203, 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.
  • 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 Emittermonoschicht-Deckschicht-Kombination, überzogen. Die Dicke dieser Deckschicht liegt im Bereich von etwa 2 bis 20 um, vorzugsweise bei 5 bis 10 µm. Die mittleren Korngrößen bzw. Korndurchmesser werden über Wahl der CVD-Parameter (niedrige Temperatur = 500° C und Dotierungen wie oben) auf Werte ≦ 1 µm 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° .
  • 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.

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.
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.
3. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Folge von schräggestellten Schichten (1, 3) eine polykristalline Deckschicht die gegebenenfalls vorzugsorientiert ist, angeordnet ist.
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.
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.
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.
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.
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 µm, vorzugsweise 1 bis 2 um, und die Zwischenschichten (3) aus Emittermaterial eine Dicke von 0,1 bis 0,5 µm, insbesondere 0,2 µm, aufweisen, wobei die gegebenenfalls vorhandene kohlenstoff- und/oder borhaltige Randzone eine Dicke von 0,2 11m hat.
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.
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.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Variation der Parameter der reaktiven Abscheidung im wesentlichen periodisch erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß Wolfram-Schichten, die gegebenenfalls zur Strukturstabilisierung mit bis zu 2 Gew.% Th02, Zr02, Y203, SC203 und/oder Ru dotiert sind, durch Einstellung der CVD-Parameter < 111 > -vorzugsorientiert abgeschieden werden.
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.
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.
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.
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 µm 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.
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