EP0560436A1 - Kathode mit einem Festkörperelement - Google Patents

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EP0560436A1
EP0560436A1 EP93200613A EP93200613A EP0560436A1 EP 0560436 A1 EP0560436 A1 EP 0560436A1 EP 93200613 A EP93200613 A EP 93200613A EP 93200613 A EP93200613 A EP 93200613A EP 0560436 A1 EP0560436 A1 EP 0560436A1
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EP
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metallic
range
oxidic
components
cathode according
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Georg Dr. Gärtner
Hans Dr. Lydtin
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Koninklijke Philips NV
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Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H01J1/14—Solid thermionic cathodes characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a cathode with a solid element, which contains metallic components and oxidic components.
  • Replenishment cathodes consist of a porous metal matrix with more than 70% metal volume, which ensures good electrical conductivity, as well as an oxide component such as Alkaline earth oxides BaO or CaO or 4BaO.CaO.Al2O3, which is located in the pores of the metal matrix or in a storage area.
  • an oxide component such as Alkaline earth oxides BaO or CaO or 4BaO.CaO.Al2O3, which is located in the pores of the metal matrix or in a storage area.
  • atomic films consisting of the metal (s) (Ba) and atomic oxygen (O) contained in the oxide form on the metal cathode surface (W) and ensure a low work function.
  • Known cathodes of this type are the I cathode (cf. EP-A 0333 369) and the scandate cathode (cf. EP-A 0442 163). Such cathodes have the features mentioned above.
  • Oxide cathodes consist of a relatively thick porous oxide layer made of alkaline earth oxides (for example BaO.SrO) and other oxide dopants (for example Sc2O3, Eu2O3) on a metal support such as nickel. They allow significantly lower operating temperatures of approx. 730 to 850 ° C with emission current densities of 10 to 50A / cm2, but only in the ⁇ sec range. Due to the 50A / cm2, but only in the ⁇ sec range. Due to the low electrical conductivity of the oxide components, the permanent load capacity is limited to 1-3 A / cm2.
  • alkaline earth oxides for example BaO.SrO
  • other oxide dopants for example Sc2O3, Eu2O3
  • the invention has for its object to design a solid element of the type mentioned in such a way that high emission current densities result in a long service life even at low operating temperatures.
  • the solution is achieved in that the structure of the components and the volume ratio v m of the metallic components relative to the total volume of the solid element are chosen such that the specific resistance ⁇ is a value in the range ⁇ O ⁇ 10 ⁇ 4> ⁇ > ⁇ m ⁇ 102 has, where ⁇ O or ⁇ m are the specific resistances of the pure oxidic components or the pure metallic components determined at 20 ° C.
  • the specific electrical resistance ⁇ of a solid-state element according to the invention has a value in the range of the so-called percolation threshold.
  • Cathodes with solid-state elements according to the invention can therefore be referred to as percolation cathodes.
  • the metallic conductivity changes to the oxide conductivity.
  • the specific resistance ⁇ lies between ⁇ O 10 ⁇ 4 and ⁇ m 102, preferably in the range between 103 ⁇ cm and 10 ⁇ 3 ⁇ cm.
  • the specific electrical resistance ⁇ (measured at room temperature) of a solid composed of BaO and W particles of average size 30 nm is represented on a logarithmic scale as a function of the percentage metal volume fraction v m .
  • a metallic conductance behavior is determined in the range v ma ⁇ v m ⁇ V mb of the percolation threshold.
  • the relative volume composition of a solid-state element according to the invention is selected, with volume fractions in the hatched area being particularly favorable for cathodes. For this shaded area, the additional condition is that d4log ⁇ / d V m 4 is positive.
  • the steepness of the characteristic curve P depends to a large extent on the structure of the solid element according to the invention, namely on the size of the metallic and / or oxidic particles and on the homogeneity of their distribution.
  • An advantageous embodiment is characterized in that the oxidic volume fraction is larger than the metallic one.
  • Particles in the sense of the present invention are particles which are formed separately (laser ablation, sputtering of a target) and to a solid element, or grains, which were formed on a substrate by chemical precipitation from the vapor phase (CVD). Furthermore, separately formed further particles can be mixed in between CVD grains (cf. EP-A 0442 163), so that, for example, BaO particles supplied to the substrate via a gas stream are embedded in a tungsten matrix formed on the substrate by CVD.
  • Solid-state elements according to the invention consist of fine and homogeneously mixed structures of individual chemically different types of solid-state elements, a spatial network of metallic particles being nested in a spatial network of oxidic components or vice versa and possibly including tunnel current paths. Furthermore, both the oxidic and the metallic constituents can also be present as particles or grains.
  • Particularly high emission current densities are achieved in that the metallic constituents or the oxidic constituents in the form of particles in the other constituent are distributed so homogeneously that volume ranges of size (20 d ⁇ ) 3 the number of particles differs by less than + -20% from the corresponding volume fraction in the entire solid element, whereby d ⁇ is the average diameter of the particles. Large local agglomerations of particles should be avoided.
  • the solid-state element according to the invention is preferably characterized in that the metallic particles are arranged in such a way that - possibly via tunnel sections - tracks with metallic conductivity through the oxidic braid exist.
  • Heavy-duty cathodes were also obtained in that the average diameter d ⁇ the particle is selected to be smaller than 800 nm, preferably in the range from 0.5 to 100 nm and in particular in the range from 1 to 20 nm.
  • solid-state elements according to the invention can be produced particularly reliably with the desired percolation properties.
  • the solid properties for example electrical resistance
  • the solid properties are sufficiently isotropic when the particles are thoroughly mixed.
  • the specific electrical resistance ⁇ is set in the range from 10 2 to 10 12 ⁇ cm and that the mean diameter d ⁇ the particle is selected in the range from 0.5 to 4 nm.
  • the desired data can be advantageously achieved while at the same time being economically viable in that the diameters d ⁇ the particles are monomodal and have a half-width of ⁇ 50% and the mean d ⁇ have.
  • both the metallic and the oxidic constituents are in the form of particles, the mean diameter d ⁇ 1 the particles of a component less than about 100 nm and the average diameter d ⁇ 2 the body of the particles of the other component is less than 10 times the value d ⁇ 1 are selected, and that the particles of both components are distributed so homogeneously that in a volume range of size (20 d ⁇ 2) 3 the number of particles of each component deviate by less than ⁇ 20% from the corresponding volume fraction in the entire solid element.
  • Percolation cathodes constructed with solid-state elements according to the invention can be subjected to higher loads than oxide cathodes, lower operating temperatures being required than with subsequent delivery cathodes.
  • Solid-state elements according to the invention require only relatively low operating temperatures in the range from 730 to 850 ° C. Since neither a high-temperature impregnation step at temperatures of more than 1500 ° C. nor a longer activation at temperatures of about 1100 ° C. are necessary, the structure of a solid-state element structured according to the invention remains largely stable, even when components are used whose solid solubility in one another is not negligible is.
  • a solid-state element according to the invention can be heated by direct current passage.
  • Such a solution is advantageously characterized in that the proportions and / or the particle sizes of the oxidic (negative temperature coefficient) and / or metallic (positive temperature coefficient) components are selected such that the specific resistance in the range from room temperature to operating temperature is less than 5 %, preferably 1%, changes.
  • This has the advantage that when the solid-state element is heated directly, the heating current and voltage do not have to be readjusted, or only slightly, when heating up to a certain operating temperature.
  • Solid-state elements according to the invention can be produced in any known manner. For example, suitable processes are described in EP-A 0442 163 or in EP-A 0333 369.
  • a solid-state element according to the invention are not only achieved with a compact and 100% leakproof construction.
  • a porosity of up to about 20% is even advantageous because it facilitates the subsequent delivery of the emitting film components to the surface.
  • the electrical conductivity is nevertheless only insignificantly determined by electron gas conduction, but almost exclusively by the percolation structure.
  • the percolation cathode indicated in cross section in FIG. 1 consists of a tungsten heating coil 1, a molybdenum heating cap 2, a metal base 3 made of tungsten or nickel and a solid element 4 structured according to the invention, the specific electrical resistance ⁇ of which in the area of the percolation threshold on the characteristic branch P.
  • Figure 2 lies.
  • a volume element of the solid element 4 is shown greatly enlarged in cross section in FIG.
  • the metallic particles 5 consist of tungsten (28 vol.%).
  • the oxide particles 6 (closely hatched) consist of scandium oxide Sc2O3 (2 vol.%), while the oxidic particles 7 (not hatched) consist of barium oxide / strontium oxide (BaO / SrO) with a share of 60 vol.% Of the total volume.
  • pulse emission current densities of more than 160A / cm2 and permanent loads of 20A / cm2 were measured.
  • the specified values for permanent load capacity apply for a service life of more than 104 hours.
  • Similar good values were achieved with a modified pore-free structure according to FIG. 4, in which otherwise the same proportions for the constituents W, Sc2O3 or BaO / SrO were provided as for the structure according to FIG. 3.
  • W and Sc2O3 are particles 8 or 9 with an average diameter of 10 nm embedded in a solid matrix 10 of BaO / SrO.

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  • Solid Thermionic Cathode (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathode mit einem Festkörperelement (4), welches metallische Bestandteile sowie oxidische Bestandteile enthält. Auch bei niedrigen Betriebstemperaturen werden dadurch hohe Emissionsstromdichten bei hoher Lebensdauer erreicht, daß die Struktur der Bestandteile und das Volumenverhältnis vm der metallischen Bestandteile relativ zum Gesamtvolumen des Festkörperelements derart gewählt sind, daß der spezifische Widerstand ρ einen Wert im Bereich ρO·10<-><4>>ρ>ρm·10² hat, wobei ρO bzw. ρm die bei 20°C bestimmten spezifischen Widerstände der reinen oxidischen Bestandteile bzw. der reinen metallischen Bestandteile sind. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathode mit einem Festkörperelement, welches metallische Bestandteile sowie oxidische Bestandteile enthält.
  • Nachlieferungskathoden bestehen aus einer porösen Metallmatrix mit mehr als 70% Metall-Volumenanteil, wodurch eine gute elektrische Leitfähigkeit erhalten wird, sowie eine Oxidkomponente wie z.B. Erdalkalioxide BaO oder CaO oder 4BaO.CaO.Al₂O₃, die sich in den Poren der Metallmatrix oder in einem Vorratsbereich befindet. Bei Betrieb einer solchen Kathode bei 900 bis 1000°C bilden sich atomare Filme, bestehend aus dem im Oxid enthaltenden Metall/en (Ba) und atomarem Sauerstoff (O) auf der Metall-Kathodenoberfläche (W) aus und sorgen für eine niedrige Austrittsarbeit. Bekannte Kathoden dieser Art sind die I-Kathode (vgl. EP-A 0333 369) und die Scandat-Kathode (vgl. EP-A 0442 163). Derartige Kathoden weisen die eingangs genannten Merkmale auf.
  • Bei Betriebstemperaturen zwischen 900°C und 1000°C werden Sättigungsstromdichten zwischen 10 und 150A/cm² erreicht. Solche Kathoden erfordern relativ hohe Heiztemperaturen, die zu Lebensdauerbegrenzung infolge Zerstörung der W-Heizwendel fuhren.
  • Oxidkathoden (vgl. EP-A 0395 157) bestehen aus einer relativ dicken porösen Oxidschicht aus Erdalkalioxiden (beispielsweise BaO.SrO) und weiteren Oxiddotierungen (beispielsweise Sc₂O₃, Eu₂O₃) auf einem Metallträger wie Nickel. Sie erlauben deutlich niedrigere Betriebstemperaturen von ca. 730 bis 850°C mit Emissionsstromdichten von 10 bis 50A/cm², allerdings nur im µsec-Bereich. Auf Grund der 50A/cm², allerdings nur im µsec-Bereich. Auf Grund der geringen elektrischen Leitfähigkeit der Oxidkomponenten ist die Dauerbelastbarkeit auf 1-3 A/cm² begrenzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Festkörperelement der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß sich auch bei niedrigen Betriebstemperaturen hohe Emissionsstromdichten bei hoher Lebensdauer ergeben.
  • Die Lösung gelingt dadurch, daß die Struktur der Bestandteile und das Volumenverhältnis vm der metallischen Bestandteile relativ zum Gesamtvolumen des Festkörperelements derart gewählt sind, daß der spezifische Widerstand ρ einen Wert im Bereich ρ O ·10⁻⁴>ρ>ρ m ·10²
    Figure imgb0001
     hat, wobei ρO bzw. ρm die bei 20°C bestimmten spezifischen Widerstände der reinen oxidischen Bestandteile bzw. der reinen metallischen Bestandteile sind.
  • Der Begriff "Perkolation" wird im Zusammenhang mit dem Verhalten granularer Metalle in "Adv. Physics 24 (1975), Seite 424 ff, verwendet.
  • Der spezifische elektrische Widerstand ρ eines erfindungsgemäßen Festkörperelements hat einen Wert im Bereich der sogenannten Perkolationsschwelle. Kathoden mit erfindungsgemäßen Festkörperelementen können deshalb als Perkolationskathoden bezeichnet werden.
  • Im Bereich der Perkolationsschwelle einer aus metallischen und oxidischen feinen Partikeln gebildeten Materialzusammensetzung wechselt die metallische zur oxidischen Leitfähigkeit. In Abhängigkeit vom prozentualen Volumenanteil des Metalls (vm) des Festkörperelements ändert sich der spezifische Widerstand ρ im Bereich zwischen vm = 0 bis vm = 1 mit einem typisch S-förmigen Verlauf, wobei der Bereich der Perkolationsschwelle durch den steilen Kennlinienbereich bei mittleren Werten von vm definiert ist. Dieser Bereich kann auch durch d²logρ/dV m ²=0
    Figure imgb0002
     und d³logρ/dVm³<0 mathematisch eingegrenzt werden. In diesem Bereich liegt der spezifische Widerstand ρ zwischen ρO10⁻⁴ und ρm10², vorzugsweise im Bereich zwischen 10³ Ωcm und 10⁻³ Ωcm. Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäß vorzusehenden Bereichs wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist der spezifische elektrische Widerstand ρ (gemessen bei Raumtemperatur) eines aus BaO- und W-Partikeln der mittleren Größe 30 nm zusammengesetzten Festkörpers in logarithmischem Maßstab in Abhängigkeit des prozentualen Metallvolumenanteils vm dargestellt. Im Bereich vm = 0 ergibt sich der hohe spezifische Widerstand ρo eines BaO-Festkörpers, im Bereich vm = 100% der spezifische Widerstand ρm von Wolfram. Im Bereich 0<vm<vma wird ein oxidisches, im Bereich vmb<vm 100% ein metallisches Leitwertverhalten festgestellt. Ein Mischverhalten ergibt sich im Bereich vma<vm<Vmb der Perkolationsschwelle. Im steilen Kennlinienbereich p zwischen den Grenzwerten vma und vmb ist die relative Volumenzusammensetzung eines erfindungsgemäßen Festkörperelements gewählt, wobei Volumenanteile im schraffierten Bereich für Kathoden besonders günstig sind. Für diesen schraffierten Bereich gilt in etwa als zusätzliche Bedingung, daß d⁴logρ/d Vm⁴ positiv ist. Die Grenzwerte vma und vmb können den Bereich von vm = 20% bis vm = 80% einschließen. Die Steilheit der Kennlinie P hängt in starkem Maße von der Struktur des erfindungsgemäßen Festkörperelements ab, nämlich von der Größe der metallischen und/oder oxidischen Partikel sowie von der Homogenität ihrer Verteilung. Eine vorteilhafte Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, daß der oxidische Volumenanteil größer als der metallische ist. Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Teilchen, die separat gebildet (Laserablation, Sputtern von einem Target) und zu einem Festkörperelement verbunden wurden, oder auch Körner, die auf einem Substrat durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase (CVD) gebildet wurden. Ferner können zwischen CVD-Körnern auch separat gebildete weitere Teilchen eingemischt werden (vgl. EP-A 0442 163), so daß beispielsweise dem Substrat über einen Gasstrom zugeführte BaO-Partikel in eine per CVD auf dem Substrat gebildete Wolfram-Matrix eingelagert werden.
  • Erfindungsgemäße Festkörperelemente bestehen aus feinen und homogen gemischten Strukturen individueller chemisch verschiedenartiger Festkörperelemente, wobei ein räumliches Netzwerk metallischer Partikel in ein räumliches Netzwerk oxidischer Bestandteile oder umgekehrt verschachtelt ist und gegebenenfalls Tunnelstromstrecken mit einbezogen werden. Weiterhin können auch sowohl die oxidischen als auch die metallischen Bestandteile als Partikel bzw. Körner vorliegen.
  • Besonders hohe Emissionsstromdichten werden dadurch erreicht, daß die metallischen Bestandteile oder die oxidischen Bestandteile in Form von Partikeln im jeweils anderen Bestandteil derart homogen verteilt sind, daß sich in Volumenbereichen der Größe (20 d ¯
    Figure imgb0003
    )³ die Anzahl der Partikel um weniger als +-20% von dem entsprechenden Volumenanteil im gesamten Festkörperelement unterscheidet, wobei d ¯
    Figure imgb0004
     der mittlere Durchmesser der Partikel ist. Große lokale Agglomarationen von Partikeln sind dabei zu vermeiden.
  • Das erfindungsgemäße Festkörperelement ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Partikel so angeordnet sind, daß - gegebenenfalls über Tunnelstrecken - Bahnen mit metallischer Leitfähigkeit durch das oxidische Geflecht bestehen.
  • Hochbelastbare Kathoden wurden auch dadurch erhalten, daß der mittlere Durchmesser d ¯
    Figure imgb0005
     der Partikel kleiner als 800 nm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 100 nm und insbesondere im Bereich von 1 bis 20 nm gewählt ist.
  • Bei kleinen Partikelabmessungen lassen sich erfindungsgemäße Festkörperelemente besonders zuverlässig mit den gewünschten Perkolationseigenschaften herstellen. Die Festkörpereigenschaften (beispielsweise elektrischer Widerstand) sind bei inniger Durchmischung der Partikel ausreichend isotrop.
  • Bei einer Dimensionierung außerhalb des in Figur 2 schraffierten Bereichs ist es vorteilhaft, daß der spezifische elektrische Widerstand ρ im Bereich von 10² bis 10¹² Ωcm eingestellt ist und daß der mittlere Durchmesser d ¯
    Figure imgb0006
     der Partikel im Bereich von 0,5 bis 4 nm gewählt ist.
  • Die gewünschten Daten können bei gleichzeitig wirtschaftlicher Herstellungsmöglichkeit vorteilhaft dadurch erreicht werden, daß die Durchmesser d ¯
    Figure imgb0007
     der Partikel monomodal verteilt sind und eine Halbwertsbreite von ≦ 50% und den Mittelwert d ¯
    Figure imgb0008
     besitzen.
  • Gemäß einer bevorzugten Lösung ist vorgesehen, daß sowohl die metallischen als auch die oxidischen Bestandteile in Form von Partikeln vorliegen, wobei der mittlere Durchmesser d ¯
    Figure imgb0009
    ₁ der Partikel des einen Bestandteils kleiner als etwa 100 nm und die mittleren Durchmesser d ¯
    Figure imgb0010
    ₂ der Körper der Partikel des anderen Bestandteils kleiner als das 10-fache des Wertes d ¯
    Figure imgb0011
    ₁ gewählt sind, und daS die Partikel beider Bestandteile derart homogen verteilt sind, daß in einem Volumenbereich der Größe (20 d ¯
    Figure imgb0012
    ₂)³ die Anzahlen der Partikel eines jeden Bestandteiles um weniger als ± 20% vom entsprechenden Volumenanteil im gesamten Festkörperelement abweichen.
  • Dann liegt ein insgesamt granularer Festkörper vor, welcher insbesondere dann, wenn die Durchmesser sämtlicher Partikel im Bereich von 0,5 bis 100 nm liegen, besonders isotrope Festkörpereigenschaften aufweist, dessen Eigenschaften auch bei einer Serienfertigung mit geringer Streubreite eingehalten werden können.
  • Mit erfindungsgemäßen Festkörperelementen aufgebaute Perkolationskathoden sind höher belastbar als Oxidkathoden, wobei niedrigere Betriebstemperaturen als bei Nachlieferungskathoden benötigt werden.
  • Folgende Materialkombinationen sind besonders geeignet:
    Oxidischer Anteil Metallischer Anteil
    Ba0 Ca0 Al₂O₃ Sc₂O₃ W
    BaO SrO W, Ni, Mg
    Ba0 Sr0 Sc₂O₃ W Ni
    ThO₂ W* Re
    La₂O₃ Mo* Pt
    *: Eine Beimischung von W₂C bzw. Mo₂ zu W bzw. Mo kann vorteilhaft sein.
  • Erfindungsgemäße Festkörperelemente erfordern nur relativ niedrige Betriebstemperaturen im Bereich von 730 bis 850°C. Da weder ein Hochtemperatur-Imprägnierschritt bei Temperaturen von mehr als 1500°C noch eine längere Aktivierung bei Temperaturen von etwa 1100°C notwendig sind, bleibt die Struktur eines erfindungsgemäß strukturierten Festkörperelements weitgehend stabil, auch wenn Komponenten verwendet werden, deren feste Löslichkeit ineinander nicht vernachlässigbar ist.
  • Ein erfindungsgemäßes Festkörperelement kann durch direkten Stromdurchgang beheizt werden. Eine solche Lösung ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile und/oder die Partikelgrößen der oxidischen (negativer Temperaturkoeffizient) und/oder metallischen (positiver Temperaturkoeffizient) Bestandteile derart gewählt sind, daß sich der spezifische Widerstand im Bereich von Raumtemperatur bis Betriebstemperatur um weniger als 5%, vorzugsweise 1%, ändert. Das hat den Vorteil, daß bei direkter Heizung des Festkörperelements Heizstrom und - Spannung beim Aufheizen auf eine bestimmte Betriebstemperatur nicht oder nur unwesentlich nachgeregelt werden müssen.
  • Festkörperelemente gemäß der Erfindung sind in beliebiger bekannter Weise herstellbar. Beispielsweise geeignete Verfahren sind in EP-A 0442 163 oder in EP-A 0333 369 beschrieben.
  • Die vorteilhaften Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Festkörperelements werden nicht nur bei kompaktem und 100% dichtem Aufbau erreicht. Eine Porosität bis etwa 20% ist sogar vorteilhaft, weil dadurch die Nachlieferung der emittierenden Filmkomponenten zur Oberfläche erleichtert wird. Die elektrische Leitfähigkeit ist dennoch nur unwesentlich durch Elektronengas-Leitung, sondern nahezu ausschließlich durch die Perkolationsstruktur bestimmt.
  • Die Erfindung wird anhand der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    • Figur 1
    zeigt den Prinzipaufbau einer Kathode mit einem erfindungsgemäßen Festkörperelement
    Figur 2
    zeigt den spezifischen Widerstand ρ in Abhängigkeit des prozentualen Volumenanteils vm metallischer Bestandteile einer nanostrukturierten, aus metallischen und oxidischen Bestandteilen bestehenden Festkörpers.
    Figur 3
    zeigt den Strukturaufbau eines Volumenelements des Festkörperelements nach Figur 1.
    Figur 4
    zeigt einen alternativen Strukturaufbau für ein Festkörperelement nach Fig. 1.
  • Die in Figur 1 im Querschnitt angedeutete Perkolationskathode besteht aus einer Wolfram-Heizwendel 1, einer Molybdän-Heizkappe 2, einer Metallbasis 3 aus Wolfram oder Nickel und einem erfindungsgemäß strukturierten Festkörperelement 4, dessen spezifischer elektrischer Widerstand ρ im Bereich der Perkolationsschwelle auf dem Kennlinienast P nach Figur 2 liegt.
  • Ein Volumenelement des Festkörperelements 4 ist in Figur 3 im Querschnitt stark vergrößert dargestellt. Man erkennt einen relativ kompakten Aufbau aus miteinander verbundenen Partikeln bei niedrigem porenanteil von etwa 10 Vol%. Die metallischen Partikel 5 (schraffiert) bestehen aus Wolfram (28 Vol.%). Die oxidischen Partikel 6 (eng schraffiert) bestehen aus Scandiumoxid Sc₂O₃ (2 Vol.%), während die oxidischen Partikel 7 (nicht schraffiert) aus Bariumoxid/Strontiumoxid (BaO/SrO) bestehen mit einem Anteil von 60 Vol.% am Gesamtvolumen. Der mittlere Durchmesser der Partikel 5,6 und 7 beträgt d ¯
    Figure imgb0013
     = 3 nm.
  • Bei einer Betriebstemperatur von 730° C, einem Umgebungsdruck von 10⁻⁸ Torr wurde eine Pulsemission (5 µsec) von 25 A/cm² erreicht. Als Dauerbelastung waren 10A/cm² im raumladungsbeschränkten Bereich möglich, also trotz niedriger Betriebstemperatur 4- fach höhere Werte als bei Oxidkathoden.
  • Bei einer Betriebstemperatur von 880°C wurden Puls-Emissionsstromdichten von mehr als 160A/cm² und Dauerlasten von 20A/cm² gemessen. Die angegebenen Werte für Dauerbelastbarkeit gelten für Lebensdauer von mehr als 10⁴ Stunden. Ähnlich gute Werte wurden mit einer abgewandelten porenfreien Struktur nach Fig. 4 erzielt, bei welcher ansonsten die gleichen Anteile für die Bestandteile W, Sc²O₃ oder BaO/SrO vorgesehen wurden wie bei der Struktur nach Fig. 3. Allerdings sind hier W und Sc₂O₃ als Partikel 8 bzw. 9 mit einem mittleren Durchmesser von 10 nm in einer Festkörpermatrix 10 von BaO/SrO eingebettet.

Claims (10)

  1. Kathode mit einem Festkörperelement (4), welches metallische Bestandteile sowie oxidische Bestandteile enthält,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Bestandteile und das Volumenverhältnis vm der metallischen Bestandteile relativ zum Gesamtvolumen des Festkörperelements derart gewählt sind, daß der spezifische Widerstand ρ einen Wert im Bereich ρ O ·1O⁻⁴>ρ>ρ m ·10²
    Figure imgb0014
     hat, wobei ρO bzw. ρm die bei 20°C bestimmten spezifischen Widerstände der reinen oxidischen Bestandteile bzw. der reinen metallischen Bestandteile sind.
  2. Kathode nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand zwischen 10³ Ω cm und 10⁻³ Ω cm beträgt.
  3. Kathode nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Metallanteil vm im Bereich von 20 bis 80 Vol.% liegt.
  4. Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Volumenanteil kleiner als der oxidische ist, und vorzugsweise im Bereich von 33-50% liegt.
  5. Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Partikel so angeordnet sind, daß - gegebenenfalls über Tunnelstrecken - Bahnen mit metallischer Leitfähigkeit durch das oxidische Geflecht bestehen.
  6. Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Durchmesser d ¯
    Figure imgb0015
     der Partikel (5 bis 9) kleiner als 800 nm, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 100 nm und insbesondere im Bereich von 1 bis 20 nm gewählt ist.
  7. Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch welche ein Heizstrom durch das Festkörperelement leitbar ist.
  8. Kathode nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile und/oder die Partikelgrößen der oxidischen und/oder metallischen Bestandteile derart gewählt sind, daß sich der spezifische elektrische Widerstand ρ im Bereich von der Raumtemperatur bis Betriebstemperatur um weniger als 5%, vorzugsweise um weniger als 1% ändert.
  9. Kathode nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß jeder metallische Bestandteil mindestens einen Repräsentant der Gruppe W, Ni, Mg, Re, Mo, Pt enthält.
  10. Kathode nach Anspruch 1 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß jeder oxidische Bestandteil mindestens einen Repräsentant der Gruppe BaO, CaO, Al₂O, Sc₂O₃, ThO, La₂O₃ enthält.
EP93200613A 1992-03-07 1993-03-04 Kathode mit einem Festkörperelement Expired - Lifetime EP0560436B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4207220A DE4207220A1 (de) 1992-03-07 1992-03-07 Festkoerperelement fuer eine thermionische kathode
DE4207220 1992-03-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0560436A1 true EP0560436A1 (de) 1993-09-15
EP0560436B1 EP0560436B1 (de) 1995-07-26

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ID=6453449

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