NL8403032A

NL8403032A - Werkwijze voor het vervaardigen van een scandaatnaleveringskathode, naleveringskathode vervaardigd met deze werkwijze.

Info

Publication number: NL8403032A
Application number: NL8403032A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1984-10-05
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1986-05-01
Also published as: JPS6191821A; US4594220A; CA1265329A; ES8700797A1; EP0179513B1; ES547509A0; DE3567316D1; JPH0558207B2; EP0179513A1

Description

«Λ -r ;/ .................................................' .

ΡΗΝ 11.170 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

"Werkwijze voor het vervaardigen van een scandaatnaleveringskathode, naleveringskathode vervaardigd.net deze werkwijze".

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een scandaatnalever ingskathode net een matrix waarvan tenminste de toplaag aan het oppervlak in hoofdzaak uit wolfraam (W) en scandiumoxyde (Sc^O^) bestaat, en met in of onder deze matrix emitter-5 materiaal.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een scandaat-naleveringskathode vervaardigd met deze werkwijze.

De uitvinding heeft bovendien betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een poeder uit wolfraamkorrels die tenminste ge-10 deeltelijk bedekt zijn met scandiumhydride (SCH2).

Dadelijke kathodes warden toegepast als elektronenbron in beeldbuizen kamerabuizen, oscilloscoopbuizen, klystrons, zendbuizen enz.

Dergelijke naleveringskathodes hebben als eigenschap, dat er 15 een functionele scheiding is tussen enerzijds het elektronenemitterend oppervlak en anderzijds een voorraad van -het emittermateriaal, dat dient om een voldoende lage uittreepotentiaal van dit emitterend oppervlak te bewerkstelligen. Een van de types naleveringskathodes is de L-kathode. De emissie van een L-kathode vindt plaats vanuit het 20 oppervlak van een poreuze matrix van bijvoorbeeld wolfraam, waarvan de uittreepotentiaal door geadsorbeerd barium (Ba) en zuurstof (0) is verlaagd. Onder deze matrix heeft de L-kathode een voorraadkamer, waarin een mengsel van walfraampoeder en emittermateriaal, bijvoorbeeld bariumrcalciumraluininaat, aanwezig is. Het adsorbaat aan het oppervlak 25 wordt door middel van reacties van dit mengsel in stand gehouden.

Een tweede type naleveringskathode is de geïmpregneerde kathode, die ontstaat door het impregneren met emittermateriaal van een geperst en gesinterd poreus wolfraam lichaam, m dit geval wordt het benodige adsorbaat verkregen door middel van reactie van het emittermateriaal met 30 het wolfraam van de matrix.

Een werkwijze van de in de eerste alinea beschreven soort is bekend uit de ter inzage gelegde Nederlandse octrooiaanvrage 8201371 (5HN 10.308), die als hierin opgenomen kan worden beschouwd. De voordelen $¢¢303¾ k___ - PHN 11.170 2 Ί -¾ van de volgens deze bekende werkwijze vervaardigde naleveringskathodes zijn een goede levensduur en een redelijk tot matig herstel na een ionenbambardement.

De uitvinding beoogt dan ook. een werkwijze aan te geven voor 5 het vervaardigen van een scandaatnaleveringskathode waarvan het herstel na ionenbombardement beter verloopt. Ook is het doel van de uitvinding een kathode aan te geven waarin het scandium homogener in het wolfraam verdeeld is dan bij scandiumoxydekorrels bevattende kathodes.

De uitvinding beoogt bovendien een werkwijze aan te geven 10 voor het vervaardigen van een poeder bestaande uit wolfraamkorrels die tenminste gedeeltelijk bedekt zijn met scaBdiumhydride, welk poeder gebruikt wordt bij de werkwijze voor het vervaardigen van een scandaatnaleveringskathode .

Een werkwijze van de in de. eerste alinea beschreven soort 15 wordt volgens de uitvinding gekenmerkt doordat deze de volgende stappen bevat: a) het persen van een poreuze prop uit wolfraampoeder b) het verhitten van deze prop in een niet-reactieve atmosfeer en in contact met scandium tot boven de smelttemperatuur van scandium 20 c) bet afkoelen van de prop in een waterstof (H^) atmosfeer d) het verpulveren van de prop tot brokstukken e) het verhitten tot ongeveer 800°C en het gedurende enkele tot enkele tientallen minuten stoken bij deze temperatuur van deze brokstukken in een waterstofatmosfeer en het. langzaam afkoelen in deze water- 2g stofatmosfeer f) het vermalen van de brokstukken tot scandiumhydride-wolfraam poeder (ScH2/W) g) het persen van een matrix of van een toplaag pp een matrix uit zuiver wolfraam uit dit ScH2/W poeder of uit een mengsel van dit 30 poeder met wolfraampoeder h) het sinteren en afkoelen van deze matrix i) het in de kathode brengen van emittermateriaal.

Uit experimenten is gebleken dat een bedekking van de ordegrootte van een monolaag barium qp bulk scandiumoxyde geen aanleiding geeft 35 tot een hoge emissie. Voorts is de reactie van scandiumoxyde met wolfraam en wolfraarnoxyde van belang voor de zuurstofhuishouding (¾) het oppervlak van de kathode. Het is dus van belang scandiumoxyde in contact met wolfraam te hebben. Het gebruik van scandiumoxyde korrels lijkt hiertoe 8403032 . “*· * \ EHN 11.170 3 niet de beste oplossing/ omdat dan Immers de kern van de korrel toch niet aan de gewenste processen bijdraagt. Door toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding zijn de wolfraamkorrels in het kathode-cppervlak gedeeltelijk bedekt met scandiumoxyde of scandium met daarop 5 scandiumcscyde. Cp deze wijze wordt uiteraard ook een meer homogene scandiunt-verdeling over het kathodecppervlak verkregen dan bij gebruik van een mengsel van scandiuiroxydekorrels en wolfraamkorrels het geval is.

Het persen van. een poreuze prop uit wolfraampoeder (stap a) geschiedt bijvoorbeeld tot een dichtheid van ongeveer 60% van de to dichtheid van wolfraannetaal.

Het verhitten van de prop (stap b) geschiedt in een niet-reactieve atmosfeer, echter bij voorkeur in vacuum^cmdat dan een goede bedekking van het wolfraam met scandium'wordt verkregen. Dit bedekken geschiedt door verhitten van de prop in contact met scandium tot boven 15 de smelttenperatuur van scandium, waardoor het gesmolten scandium opgezogen wordt in de poreuze prop. Het scandium kan daarbij bijvoorbeeld in de vorm van een brokje scandium op de prop worden aangébracht. Er wordt bijvoorbeeld Ongeveer 3 gew.% scandium in de prop opgenomen.

De prop wordt daarna af gekoeld in waterstof (stap c) waardoor deze bros 20 wordt tengevolge van het feit dat het scandium gedeeltelijk wordt omgezet in scandiumhydride waarbij volumevergroting optreedt. Hierdoor kan vervolgens de prop worden verpulverd (stap d). De brokstukken worden daarna in een rnolyhdeenkroes in een waterstofatmosfeer tot 800°C verhit en ongeveer 15 minuten op deze temperatuur gehouden en in diezelfde 25 waterstof atmosfeer langzaam af gekoeld, waarbij nagenoeg al het scandium in scandiumhydride wordt omgezet (stap e). Daarna worden de brokstukken in een agaathmolen tot korrels van de gewenste grootte vermalen (stap f). Scandiumhydride is een stabiele verbinding. Het verkregen poeder kan derhalve in lucht worden bewaard.

30 Bij het sinteren van een kathodematrix wordt (boven 800°C) het scandiumhydride ontleed. Omdat scandiumhydride een groter specifiek volume heeft dan scandium verdient het daarom voorkeur bij sinteren en l afkoelen in waterstof, het waterstof bij een temperatuur boven 800°C weg te ponpen. Bij sinteren in vacuum doet zich dit probleem uiteraard 35 niet voor. Er moeten dan echter wel speciale maatregelen worden getroffen om buitensporige scandiumverdairping te voorkomen. Het is wel. mogelijk om bij sinteren en afkoelen in waterstof een goed resultaat te verkrijgen als het bij stap f) vervaardigd poeder als toplaag op de wolfraammatrix 34 9 3 0 3 2 k_____ : A s <1 PHN 11.170 4 is aangebracht, in het bijzonder als dit poeder wordt gedehydreerd of wordt gemengt met 25 tot 75 gewichtsprocenten wolf raampoeder, bij voorkeur ongeveer 50% wolfraanpoeder. Een dergelijke toplaag heeft bij voorkeur een dikte kleiner dan 0,15 nm. Ms inpregnant bij de 5 nu volgende beschreven kathodes is een gebruikelijk barium-calcium- i aluminaat toegepast. De gehele of gedeeltelijke oxydatie van het op de wolfraamkcrrels aanwezige scandium vindt plaats gedurende de vervaardiging van de kathode, bijvoorbeeld bij het impregneren en/of activeren. Hierbij zij qpgemerkt dat scandiumoxyde thermodynamisch 10 stabieler is dan bariumoxyde.

De uitvinding wordt nu bij wijze van voorbeeld nader toegelicht aan de hand van een aantal uitvoeringsvoorbeelden en een tekening waarin figuur 1 een langsdoorsnede van een geïmpregneerde kathode volgens de 15 uitvinding weergeeft en figuur 2 een langsdoorsnede van een L-kathode volgens de uitvinding toont.

In figuur 1 is een langsdoorsnede van een scandaatnaleverings-kathode volgens de uitvinding weergegeven. Het katbodelichaam 1 met een 20 diameter van 1,8 mm is verkregen door het persen van een matrix voorzien van. een toplaag 2 uit. het poeder volgens stap f). Dit poeder bestaat uit wolfraam korrels die althans gedeeltelijk met scandium-hydride bedekt zijn. Na het sinteren en afkoelen bestaat het kathode-lichaam 1 uit een ongeveer 0,1 mm dikke scandiumoxyde en scandium 25 bevattende poreuze wolfraamlaag op een poreuze wolfraamlaag met een dikte van ongeveer 0,4 mm. Vervolgens wordt het kathodelichaam met barium-calcium-aluminaat geïmpregneerd. Dit geïmpregneerd kathodelichaam wordt, al dan niet in een houder 3 geperst, op de kathodeschacht 4 gelast. In de kathodeschacht 4 bevindt zich een spiraalvormige kathode-3Q gloeidraad 5, welke kan bestaan uit een metalen spiraalvormig gewonden kern 6 met een aluminiumoxyde isolatielaag 7.

Het herstel na een ionenbombardement bij een kathode is i.

belangrijk voor toepassing in diverse types elektronenstraalbuizen. Kathodes worden in buizen tijdens de processing en/of tijdens bedrijf 35 blootgesteld aan een bombardement van ionen afkomstig uit restgassen.

Dit herstel werd gemeten aan diodes met separaat van de kathode uit-stookbare anode in een hoog-vacuum opstelling. Daarbij wordt de emissie gemeten in een 1500 volt puls over de diode met een diode-afstand 8403032 Ê- ' a ESN 11.170 5 • * (afstand kathode-anode) van 300 ,um. Na het activeren van de kathode -5 '

in vacuum werd 10 torr argon in het systeem ingelaten. Met 1,5 kV

puls op de anode (10 Hz frequentie) net een zodanige pulslengte, dat aan het begin de anode dissipatie 5 watt is, werd 40 minuten 5 stroom getrokken, waarbij deze geleidelijk meer of minder inzakt. De kathodetenperatuur (molybdeenhelderbeid) was daarbij 1220°K. Vervolgens werd het argon weggepcmpt. Daarna volgde 2 uur herstel van de kathode bij 1220°K bij een stroom van_1 A/m2, gevolgd door 1 uur op 1320°K bij 1 2 A/cm « Gedurende dit herstel werd elke 10 minuten de stroom bij 1500 10 volt puls op de anode geneten en vergeleken met de aanvangswaarde.

Vervolgens werd deze cyclus van sputteren en herstel nog eens herhaald.

De stroom gemeten direct na activeren in een 1500 volt puls wordt aangegeven met I(0)1500 en de waarde gemeten na de beschreven twee cycli met l ie) 1500* °e verhouding 1 ^1500^^1500 ^ voor het herstel 15 H (%) na ionenbcmbardement. Kathodes volgens de stand van de techniek en volgens de uitvinding gesinterd bij verschillende temperaturen T (°C) s zijn in de onderstaande tabel met elkaar vergeleken. Cm een eerlijke onderlinge vergelijking te krijgen is er voor gezorgd dat steeds de porositeit, i.e. de apgenomen hoeveelheid impregnant (in de tabel in 20 gewichtsprocenten), zo goed mogelijk hetzelfde was door met de sinter-temperatuur de persdruk cp adequate wijze te variëren.

5 TS E>S> I1000 H

25 (Mm) (°C) (gew.%) (mft.) (%) +Vf toplaag op 2 1900 4,2 3000 65

W

30 :-- 50%

ScH2/W 4 1500 4,2 3000 80 + 50%

W

toplaag op 2f5 1800 4,2 2600 55 35 _ 84 0 3 0 3 2 ^ - * -¾ ΓΗΝ 11.170 6 „ t

De matrices met een toplaag van 50% ScH2/W (i.e. w, gedeeltelijk bedekt met SCH2) gemengd met 50% W gaven een veel homogenere scandiumverdeling te zien dan de bekende met een Sc202 + W (i.e. mengsel van korrels en W korrels) toplaag. Daarnaast is het herstel van een kathode ver-5 vaardigd met ScH2/W en gesinterd bij 1500°C na een ionenbombardement duidelijk beter dan voor de bekende Sc^ + W toplaag kathode (H = 80% tegen H = 65%). Ook volgt uit deze tabel hoe voor ScH2/W kathodes de sintertemperatuur van invloed is op de emissie zoals gemeten in een 1000 volt puls en op het herstel na een ionenbombardement. Het sinteren 10 vindt bij voorkeur plaats bij een temperatuur lager dan het smeltpunt van scandium, zijnde 1541°C. Uiteraard is voor kathodes met een Sc202 + W toplaag deze invloed veel geringer. Ook voor ScH2/W kathodes met een toplaag op de W matrix van 25% van het ScH2/W poeder met 75% W poeder en gesinterd bij 1500°C is, bij ongeveer dezelfde impregnant-15 opname, de emissie tijdens een 1000 volt puls weer 300 mA. Dit is ook het geval voor een Scf^/W toplaag waaraan geen W is toegevoegd en voor een toplaag bestaande uit een 1:1 mengsel van ScH2/W poeder en W poeder op een W matrix waarbij zwaarder is geperst (impregnant opname 3%).

In figuur 2 is een langsdoorsnede getoond van een L-kathode 20 volgens de uitvinding. Het kathodelichaam. 10 is geperst uit een mengsel van 25% ScH2/W en 75% W en daarna gesinterd. Dit kathodelichaam 10 is op een molybdeen kathodeschacht 11 geplaatst, welke van een opstaande rand 12 is voorzien. In de kathodeschacht 11 bevindt zich een kathode-gloeidraad 13. In de holle ruimte 14 tussen het kathodelichaam 10 en 25 de kathodeschacht 11 bevindt zich een voorraad 15 van emittermateriaal (bijvoorbeeld bariumcalciumaluminaat gemengd met wolfraam).

30 35 840 3 0 3 2’

Claims

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat bij stap g) het ScH2/W in de vorm van een toplaag op een wolfraamatrix 30 is aangebracht en dat stap h) in waterstofatmosfeer plaatsvindt,
6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat ScH2/W in de toplaag is gemengd met W waarbij de mengverhouding/1:1 is. 7. ïferkwijze volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat de dikte van de toplaag kleiner dan ongeveer 0,15 nm is.
8. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat stap h) in vacuum plaatsvindt.
9. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het ken merk, dat het sinteren bij een temperatuur lager dan het smeltpunt van 8403032 '"V 4 ,; * f· r * PHN 11.170 8 scandium, zijnde 1541°C plaatsvindt.
10. Werkwijze voor het vervaardigen van een poeder bestaande uit wolfraamkorrels die tenminste gedeeltelijk bedekt zijn met scandium-hydride, met het kenmerk, dat deze werkwijze de stappen a) tot en met f) 5 volgens conclusie 1 bevat.
11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat bij stap b) de prop verhit wordt in vacuum.
12. Werkwijze volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat bij stap b) het scandium op de prop wordt aangebracht.
13. Scandaatnaleveringskathode vervaardigd met een werkwijze volgens een der conclusies 1 tot en met 9, met het kenmerk, dat deze kathode aan het oppervlak wolfraamkorrels bevat die gedeeltelijk bedekt zijn met scandiumoxyde of scandium met daarop scandiumoxyde.
14. Scandaatnaleveringskathode vervaardigd met een werkwijze 15 volgens één der conclusies 1 tot en met 9 of volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de opgenomen hoeveelheid impregnant 2 tot 6 gewichtsprocenten van de matrix is.
15. Elektronenbuis bevattende een scandaatnaleveringskathode volgens conclusie 13 of 14. 20 25 30 35 8403032