NL8700652A - Dispenser-kathode en werkwijze voor het vervaardigen daarvan. - Google Patents

Description

NL 34.154-dV/lb f

Dispenser-kathode en werkwijze voor het vervaardigen daarvan .

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op thermionische kathoden en in het bijzonder op dispenser-kathoden van het reservoir-type, die met groot voordeel kunnen worden toegepast in inrichtingen, zoals kathodestraal-5 buizen, waarbij een zeer hoge stroomdichtheid vereist is, d.w.z. een stroomdichtheid groter dan 10 A per cm2 kathode-oppervlak. De kathode volgens de onderhavige uitvinding kan ook met voordeel worden toegepast, in gevallen waarin de stroomdichtheid-eis lager ligt dan 10 A.

1Q De meest relevante stand van de techniek wordt ge vormd door het Amerikaanse octrooischrift 4.165.473, welke een dispenser-kathode beschrijft, die is voorzien van een poreuze metaalmatrix, die bestaat uit een samengeperst mengsel van wolfraam- en iridium-deeltjes, die zijn geïmpregneerd 15 met een gesmolten bariumaluminaat en andere aardalkalimetaal-oxiden, welke aan de matrix kunnen worden toegevoegd. De kathode-structuur volgens dit Amerikaanse octrooischrift 4.164.473 is duidelijk in hoofdzaak bestemd voor toepassing in microgolf-elektronenbuizen, die zijn ontworpen voor een 20 continue golfwerking, zoals een Klystron-versterker.

Dit octrooischrift geeft een goede beschrijving van oudere pogingen een kathode te verschaffen, die hoge stroomdichtheden kan opwekken, waarbij is aangegeven dat voor de stand van de techniek de grens van de stroomdichtheid bij 25 3 A per cm2 kathode-oppervlak lag. Het genoemde Amerikaanse octrooischrift beschrijft een constructie, waarmede een strooradichtheid van ten minste 10 A per cm2 kathode-oppervlak kan worden opgewekt, zodat een aanmerkelijke verhoging van het vermogen, in het bijzonder bij hoge frequenties voor toe-30 passing in microgolf-inrichtingen wordt verschaft.

De kathode volgens het genoemde octrooischrift was in hoofdzaak bestemd voor speciale microgolf-buizen, die gewoonlijk zeer kostbaar zijn. De hoge fabricagekosten van de kathode werd destijds derhalve niet als een belangrijk 35 nadeel beschouwd. Dispenser-kathoden, waarvan de vervaardiging tien tot twintig dollar kostte, werden niet te duur geacht voor toepassing in microgolf-buizen, die duizenden dol- 8700652 .. - 2 - lars kostten. Daarentegen worden thermionische kathoden, die zijn bestemd voor toepassing in kathode-straalbuizen, zoals deze worden gebruikt in computer-terminals en weergeefinrich-tingen en in bepaalde TV-monitoren, altijd zeer kostprijsge-5 voelig geacht vanwege de grote aantallen en de concurrerende aard van het eindprodukt, waarin deze kathoden worden gemonteerd. Hierdoor zijn de kathoden,, die bij de stand van de techniek worden gebruikt in dergelijke kostprijsgevoelige toepassingen in kathode-straalbuizen, gewoonlijk van het type 10 geweest, dat is voorzien van een isolator-halfgeleideroxide-kathode-combinatie, welke geen hogere stroomdichtheid kan leveren dan ongeveer 1 A per cm2 kathode-oppervlak, doch nog geschikt was voor de relatief lage stroomdichtheid van dergelijke bekende KSB-inrichtingen.

15 Belangrijke verbeteringen op het gebied van compu ters, die in het bijzonder weergeeftoepassingen betroffen, alsmede andere vooruitgangen bij toepassingen van kathode-straalbuizen, hebben echter een. vraag doen ontstaan naar een kathode voor toepassing in kathode-straalbuizen, welke hoge 20 stroomdichtheden van 10 A per cm2 of hoger kunnen leveren, waardoor de kathode van het dispenser-type een zeer gewenste elektronenbundelbron voor recente kathode-straalbuis-toepas-singen is geworden. De fabricagekosten van dergelijke kathoden ligt echter een orde van grootte hoger dan geschikt zou 25 zijn voor de zeer concurrerende, kostprijsgevoelige kathode-straalbuis-industrie.

Er bestaat derhalve momenteel behoefte aan een kathode van het dispenser-type, welke geschikt is voor de bovengenoemde hoge stroomdichtheden, doch kan worden vervaar-30 digd tegen ongeveer 1/10 van de fabricagekosten van de bekende dispenser-kathoden voor hoge stroomdichtheid. Er bestaan in feite twee typen stand van de techniek, waarmede de onderhavige uitvinding kan worden vergeleken. Enerzijds is dit de dure dispenser-kathode, welke nagenoeg ongeschikt is voor 35 toepassing in een kathode-straalbuis vanwege de kostprijs van het uiteindelijke produkt. Anderzijds zijn dit de conventionele kathoden, die worden toegepast in kathode-straalbuizen vanwege de relatief lage kosten, doch die niet de hoge stroomdichtheden kunnen verschaffen, welke zijn vereist 40 voor de hoge eisen stellende toepassingen van de kathode- 8700652 ___ .... ....................... .axÉ - 3 - J* «* - straalbuizen.

De laatstgenoemde stand van de techniek, die gewoonlijk wordt toegepast in kathode-straalbuizen, maakt gebruik van een nikkelsubstraat met een verontreiniging van 5 magnesium of silicium als activator en dat is bekleed met bariumoxide , calciumoxide of strontiumoxide als carbonaat en welke zich tijdens de fabricage tot het oxide ontleedt.

De elektronenemissie bij dergelijke conventionele kathode-straalbuis-kathoden is helaas veel te beperkt voor moderne 10 toepassingen omdat de elektronenemissie u.it een halfgeleider-materiaal wordt geïnduceerd en voor het verhogen van de stroomdichtheid dergelijke materialen een extreem hoge spanning vereisen. Dergelijke hoge spanningen, die gedurende langere tijd dan een korte puls worden geleverd, kunnen licht-15 bogen doen ontstaan, hetgeen de kathode vernietigt tengevolge van het laadeffekt van het materiaal. De grensstroomdicht-heid is derhalve gewoonlijk lager dan ëén A per cm2 voor kathoden in KSB-toepassingen.

Eerdere pogingen om een metaalkathode te gebruiken 20 in plaats van de halfgeleider-kathode, zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.165.473, zijn beperkt tot metalen, die een waterstofatmosfeer kunnen overleven, welke wordt gebruikt gedurende de impregneerstap, zoals wanneer wolfraam wordt geïmpregneerd met bariumaluminaat of barium-25 calciumaluminaat of andere aardmetaaltoevoegingen.

De uitvinding beoogt een dispenser-kathode en werkwijze voor het vervaardigen daarvan te verschaffen, welke kathode de stroomdichtheid volgens het Amerikaanse octrooischrift 4.165.473 kan leveren, doch tegen aanmerkelijk lagere 30 kosten in de orde van 1/10 van de kosten van de bekende dis-penser-kathoden kan worden vervaardigd. De uitvinding beoogt derhalve een kathode te verschaffen, die in kostprijs concurrerend is met de kathoden van het halfgeleider-type, doch een stroomdichtheid kan leveren, die voldoet aan de moderne 35 aan kathode-straalbuizen gestelde eisen.

Volgens de uitvinding wordt de kathode hiertoe gekenmerkt door een uit vuurvast materiaal gevormd reservoir, een eerste in het reservoir opgenomen pellet, dat barium-calcium-aluminaat en wolfraam omvat, een tweede pellet, dat 40 het reservoir overlapt en afsluit en samengeperst en gesin- ___ _ 8700652 *" * — 4 — terd poreus wolfraam omvat, en middelen voor het toevoeren van warmte aan het reservoir en de pellets voor het daaruit emitteren van een stroom.

De kathode volgens de uitvinding bestaat uit een 5 dispenser-kathodeconstructie van het reservoir-type, welke in vier afzonderlijke delen kan worden vervaardigd en tegen lage kosten gemakkelijk kan worden samengesteld. De kathode-con-structie volgens de uitvinding maakt goedkope produktiemetho-den mogelijk, waarbij gebruik kan worden gemaakt van geauto-10 matiseerde apparatuur, die zich reeds lang heeft bewezen,zo-alslpilpersen. en stempelpersen. Bovendien draagt de constructie volgens de uitvinding meer bij aan een gelijkmatig prestatieniveau gedurende· de levensduur van de kathode. Dit in tegenstelling tot de bekende dispenser-kathoden, die gewoon-15 lijk een belangrijke prestatievermindering tijdens de levensduur van de kathode vertonen, vanwege de wijzigingen in de mate van verdamping van de aardalkalimetalen door de porieën van het emitterende metaal..

De hierboven genoemde vier afzonderlijke delen van 20 de kathode volgens de uitvinding omvatten een pellet uit samengeperst en gesinterd poreus wolfraam; een samengeperst pellet,, dat is vervaardigd uit barium-calcium-aluminaat en wolfraam; een door stempelpersen gevormd reservoir uit molybdeen, rhenium, een combinatie van molybdeen en rhenium, 25 tantaal of ander vuurvastmetaal; en een dragercHinder in de vorm van een door extrusie of op overeenkomstige wijze vervaardigde constructie uit molybdeen, molybdeen-rhenium of tantaal.

De werkwijze volgens de onderhavige uitvinding om-30 vat de stappen van het persen en sinteren van het wolfraam-pellet, waarbij wolfraampoeder met geselecteerde eigenschappen wordt gebruikt, het stempelpersen van de reservoirvorm en het vormen van de dragercHinder, waarbij een pellet uit barium-calcium-aluminaat en wolfraam wordt geperst, het 35 reservoir en de dragercilinder. worden samengesteld, het aluminaat-wolfraampellet in het reservoir wordt geplaatst en vervolgens het poreuze wolfraam-pellet boven op het reservoir- en cilindersamenstel afdichtend wordt bevestigd door lassen of solderen. De verkregen kathode is bestemd voor een 40 bedrijf bij 850/1150°C afhankelijk van de beoogde stroom- 8700852 - 5 - ,, dichtheid. Het in het reservoir opgenomen pellet levert een constant laag niveau van bariumverdamping voor het activeren van het wolfraam. Van bijzonder belang is, dat de kathode volgens de uitvinding de hoge stroomdichtheid van een dispen-5 ser-kathode levert met een constructieve vormgeving, welke een eenvoudige geautomatiseerde fabricage mogelijk maakt, waardoor de kosten aanmerkelijk worden verlaagd, zodat de uitvinding uit kostenoogpunt vergelijkbaar is met de bekende kathoden voor kathode-straalbuizen met beperkte stroomdicht-10 heid.

De uitvinding verschaft derhalve een dispenser-kathode, waarvan de kostprijs vergelijkbaar is met die van de conventionele kathoden, doch een stroomdichtheid van ten minste 10 A per cm2 kathode-emissie-oppervlak kan leveren.

15 De uitvinding wordt hierna nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeeld van de kathode volgens de uitvinding is weergegeven.

Fig. 1 is een blokschema, waarin de werkwijze voor het vervaardigen van de kathode volgens de uitvinding is 20 weergegeven. .

Fig. 2 is een dwarsdoorsnede van de kathode volgens de uitvinding.

Zoals uit de tekening blijkt, is een dispenser-kathode 10 voorzien van een dragercilinder 12 en een reservoir 14.

25 Het reservoir is nagenoeg gevuld met een eerste pellet 16, dat een mengsel van wolfraam en barium-calciumaluminaat omvat.

Een tweede pellet 18 van samengeperst en gesinterd wolfraam-poeder is op de dragercilinder 12 gesoldeerd of gelast, waardoor het reservoir 14 en het hierin opgenomen pellet 16 zijn 30 afgesloten. De dragercilinder 12 verschaft toegang tot het afgesloten reservoir voor een conventioneel verwarmingsorgaan, zoals beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.165.473.

Het reservoir 14 wordt opgenomen en ondersteund door het bin-nenwandoppervlak van de dragercilinder 12.

35 De werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke elektrode omvat de volgende stappen: 1. Het samenpersen en sinteren van een poreus wolf-raampellet met een dichtheid van 70-80% met behulp van poeder met een diameter van 4-7 micron. Het 40 . wolfraampoeder kan desgewenst 20-50 gew.% iridium, 8700852 ------ - 6 - osmium, ruthenium of rhenium omvatten.

2. Het vormen van een reservoir door stempelpersen, . waarbij gebruik wordt gemaakt van molybdeen, rhenium, molbydeen-rhenium, tantaal, wolfraam, wolf- 5 raam-rhenium of een ander vuurvast metaal.

3. - Het vormen van een dragercilinder uit molybdeen, rhenium, molybdeen-rhenium, wolfraam, wolfraam-rhenium of tantaal door extrusie of een dergelijk proces.

10 4- Het persen van pellets uit barium-calciumaluminaat en wolfraam, waarbij het wolfraam 20-50% van het mengsel vormt.

5-- Het samenstellen van het reservoir en de dragercilinder.

15 6. Het plaatsen van het pellet barium-calciumaluminaat en wolfraam in het reservoir.

7. Het afdichtend monteren van het poreuze wolfraam pellet op het reservoir/cilindersamenstel door lassen of solderen.

20 Volgens een eerste voorkeursuitvoering van de werkwijze wordt in stap 1 eerst een uniaxiale druk van 10.000 tot 20.000 psl uitgeoefend op het wolfraam om een dichtheid van 50-55% te bereiken en vervolgens wordt het samengeperste wolfraam bij 2.000 tot 2.500°C gedurende 30 tot 60 min. ver- 25 hit teneinde de dichtheid van. 70-80% te bereiken. Voorts wordt het vormep. van het reservoir volgens stap 2 gerealiseerd door gebruik te maken van een eenvoudige s.tempelpers. Opgemerkt wordt, dat hoewel de afsluitstap 7 van de werkwijze gebruik maakt van solderen of lassen, bij de beschreven voor- 30 keursuitvoeringsvorm lassen de voorkeur lijkt te hebben voor het afsluiten in. vergelijking met solderen.

De met de beschreven werkwijze verkregen dispenser-kathode, die in fig. 2 is weergegeven, heeft om een aantal redenen belangrijke voordelen ten opzichte van de dispenser- 35 kathode volgens het genoemde Amerikaanse octrooischrift 4.165.473. De meest belangrijke reden vormt wellicht de bijzonder eenvoudige fabricage, waardoor de fabricagekosten aanmerkelijk worden gereduceerd. Voorts heeft het in stap 1 geproduceerde wolfraampellet geen verstopte poriën , d.w.z.

40 het heeft open poriën , die niet zijn verstopt door een vreemd 8700652

w S

metaal, waardoor het metalen gedeelte van de kathode meer doelmatig reageert op activering door de bariumverdamping afkomstig van het emitterende materiaal in het reservoir.

Het enige, dat door de poriën van het poreuze wolfraammate-5 riaal in het bovenste pellet passeert is barium of bariumoxi-de, dat wordt geëmitteerd bij een constant laag niveau van bariumverdamping, waardoor een nagenoeg constant prestatieniveau tijdens de levensduur van de kathode wordt gewaarborgd.

Het zal duidelijk zijn, dat de beschreven dispenser-10 kathode hoge stroomdichtheden kan opwekken, die 10 A per cm2 kathode-emissie-oppervlak of meer bedragen. De beschreven con-structie en werkwijze leiden tot een aanmerkelijke verlaging van de fabricagekosten in vergelijking met de bekende dis-· penser-kathoden 15 De onderhavige uitvinding omvat een geheel uit me taal vervaardigde dispenser-kathode, welke de stroomdichtheid van de bekende kathoden, die gewoonlijk in kathode-straal-buizen worden toegepast, verbetert met ongeveer een faktor 10, terwijl bovendien een kathode wordt verschaft, die ten aan-20 zien van de kosten vergelijkbaar is met de bekende halfge-leider-kathoden, die normaal in kathodestraalbuizen worden toegepast. De aanzienlijke verlaging van de fabricagekosten wordt bereikt door gebruik te maken van een samenstel uit vier delen, die gemakkelijk kunnen worden vervaardigd met ge-25 automatiseerde apparatuur, waardoor de prestatievoordelen van de bekende dispenser-kathoden worden verkregen met de kostprijsvoordelen van de bekende halfgeleider-kathoden met lage stroomdichtheid.

De uitvinding is niet beperkt tot het in het voor-30 gaande beschreven uitvoeringsvoorbeeld, dat binnen het kader der uitvinding op verschillende manieren kan worden gavari-eerd. Het is bijvoorbeeld mogelijk verschillende wijzigingen in de beschreven.constructie en de beschreven werkwijze aan te brengen, bijvoorbeeld het opnemen van andere componenten 35 in het poreuze wolfraam-pellet alsmede in het daaronder liggende emitterende wolfraam-pellet, dat is gecombineerd met barium-calciumaluminaat.

870 0 652 ____

Claims (7)

1. Dispenser-kathode, gekenmerkt door een uit vuurvast materiaal gevormd reservoir, een eerste, in. het reservoir opgenomen pellet, dat barium-calciumaluminaat en wolfraam omvat, een tweede pellet, dat het reservoir overlapt 5 en afdichtend afsluit en samengeperst en gesinterd poreus wolfraam omvat, en middelen voor het toevoeren van warmte aan het reservoir en de pellets voor het daaruit emitteren van een stroom.

2. Kathode volgens conclusie 1, gekenmerkt TO door een dragercilinder met een binnenwandoppervlak voor het opnemen en ondersteunen van het reservoir. 3* Kathode volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk,, dat het reservoir is gevormd uit een metaal uit de groep, bestaande uit molybdeen, rhenium, molybdeen en rhe-15 nium in combinatie, wolfraam, wolfraam en rhenium in combinatie en tantaal. 4» Kathode volgens conclusie 1,2 of 3, met het k e n m e r k, dat het tweede pellet eveneens ten minste één metaal omvat uit de groep, bestaande uit iridium, osmium, 20 ruthenium en rhenium·

5. Kathode volgens één der conclusies 2-4, met het kenmerk, dat de dragercilinder is gevormd uit een metaal uit de groep, bestaande uit molybdeen, molybdeen en rhenium in combinatie, wolfraam, wolfraam en rhenium in 25 combinatie en tantaal.

6. Werkwijze voor het vervaardigen van een dispenser-kathode volgens één of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat a) een poreus wolfraam-pellet wordt samengeperst en 30 gesinterd tot een dichtheid van ten minste 70%; b) een reservoir uit vuurvast metaal wordt gevormd; c) een dragercilinder wordt gevormd; d) een pellet uit barium-calciumaluminaat en wolfraam wordt geperst; 35 e) het reservoir en de dragercilinder worden samenge steld; f) het pellet uit stap d) in het reservoir wordt ge- 6700652 - 9 - plaatst; en g) het pellet uit stap a) afdichtend op het reservoir wordt aangebracht voor het afsluiten van het pellet uit stap d) .

7. Werkwijze volgens conclusie 6, m e t h e t kenmerk, dat in stap a) a1) een uniaxiale druk van 10.000 tot 20.000 psi wordt uitgeoefend op wolfraampoeder, dat deeltjes met een diameter van 4-7 micron omvat; en 10 a2) het samengeperste wolfraampoeder bij 2.000-2.500° C gedurende ten minste 30 min. wordt gesinterd. S. Werkwijze volgens conclusie 7, m e t het kenmerk, dat het wolfraampoeder voorts een element uit de groep, bestaande uit iridium, osmium, ruthenium en rhenium 15 omvat in een hoeveelheid van 20 tot 50 gew.%.

9, Werkwijze volgens conclusie 6, met het k e· n m e r k, dat het reservoir wordt gevormd met behulp van een stempelpers. IOt; Werkwijze volgens conclusie 6, met het 20 kenmerk, dat het af dichtend afsluiten van het pellet wordt uitgevoerd door het pellet uit stap a) te lassen op het reservoir uit stap b) .

11. Werkwijze volgens conclusie 6, m e t h e t kenmerk, dat in stap d) het wolfraam 20 tot 50% van 25 het mengsel vormt. 8700632 ---—