NL8900765A - Scandaatkathode. - Google Patents

Description

PHN 12.884 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven. Scandaatkathode.

De uitvinding heeft betrekking op een scandaatkathode met een kathodelichaam bevattende een matrix van tenminste een hoogsmeltend metaal en/of legering met tenminste in de matrix, in contact met het matrixmateriaal, een bariumverbinding die door chemische reactie met het matrixmateriaal aan het emitterend oppervlak barium kan leveren.

Daarnaast betreft de uitvinding werkwijzen voor het vervaardigen van een dergelijke kathode alsmede een elektronenstraalbuis voorzien van een dergelijke kathode.

Kathodes van de in de aanhef beschreven soort worden beschreven in het artikel "Properties and manufacture of top-layer scandate cathodes", Applied Surface Science 26 (1986), pag. 173-195, J. Hasker, J. van Esdonk en J.E. Crombeen. Bij de daar beschouwde kathodes worden tenminste in de toplaag van het kathodelichaam scandiumoxyde (SC2O3) korrels van enkele microns of wolfraam (W) korrels, die partieel met öf scandium (Sc) óf scandiumhydride (Scï^) bedekt zijn, verwerkt. Het kathodelichaam wordt vervaardigd door middel van persen en sinteren, waarna de porieën met barium-calcium-aluminaat worden geïmpregneerd. Het barium-calcium-aluminaat levert door chemische reactie met het wolfraam van de matrix tijdens het bedrijven van de kathode barium aan het emitterend oppervlak om de elektronenemissie in stand te houden. Om na inbouwen, in bijvoorbeeld een kathodestraalbuis, en activeren van de kathode een zeer hoge kathodebelasting te kunnen realiseren is het belangrijk dat zich bij het impregneren door reactie met het impregnant op het kathodeoppervlak een scandium bevattende laag met een dikte van circa een monolaag heeft gevormd. Zoals door experimenten in bovengenoemd artikel is aangetoond kan de scandium bevattende laag door ionenbombardement, dat zich in de praktijk bijvoorbeeld kan voordoen tijdens de vervaardiging van televisiebuizen, geheel of gedeeltelijk worden verwijderd met daardoor nadelige gevolgen voor de elektronenemissie. Omdat SC2O3 weinig mobiel is (bij de kathodes vervaardigd met W dat partieel is bedekt met Sc of SCH2 treedt bij het impregneren oxydatie op) kan men door

f & r* i) *? & K

V*·^ iv i. . L.: en reactiveren van de kathode de genoemde scandium bevattende laag niet volledig regenereren. Ook is, blijkens de beschreven experimenten, een regeneratie voldoende voor volledig emissieherstel niet bereikt. Dit kan, vergeleken met een geïmpregneerde wolfraam kathode, al dan niet bedekt met bijvoorbeeld osmium of rutenium als een nadeel worden aangemerkt.

Het doel van de uitvinding is onder meer scandaatkathodes aan te geven met een, ten aanzien van het hierboven aangemerkte nadeel sterk verbeterde werking. De uitvinding berust op het inzicht dat dit kan worden bereikt door gebruik te maken van de diffusie van scandium door scandiumoxyde.

Een scandaatkathode volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk, dat tenminste de toplaag van het kathodelichaam door een scandiumoxydehuid bedekt scandium bevat.

Bij temperatuurverhoging in vacuüm zet zich op het oppervlak van de toplaag een scandium bevattende scandium af doordat scandium uit de genoemde korrels door het scandiumoxyde naar buiten diffundeert.

De scandaatkathode kan van het geïmpregneerde type zijn, waarbij de bariumverbinding door impregneren in het kathodelichaam wordt gebracht, maar ook kan de kathode een geperste scandaatkathode of een L-kathode zijn.

Een werkwijze voor het vervaardigen van een geïmpregneerde kathode volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat een matrix wordt geperst uit scandiumpoeder en een poeder van het hoogsmeltend metaal (bijvoorbeeld wolfraam) waarna het scandiumpoeder ten dele wordt geoxydeerd en vervolgens het geheel, wordt gesinterd en geïmpregneerd. Hierbij kan het scandium eventueel worden verkregen door dehydratie van scandiumhydride.

In een andere werkwijze volgens de uitvinding wordt vóór het sinteren en impregneren een matrix geperst uit het hoogmeltend metaal en met een scandiumoxydehuid bedekt scandium. Dit laatste wordt bijvoorbeeld verkregen door voorafgaand partieel oxyderen van scandium en/of scandiumhydride.

Bij voorkeur bedraagt de gewichtstoename door oxydatie van het scandium(hydride) tenminste 5% en ten hoogste 30%. Bij een kleinere toename is de oxydelaag te dun of onvolledig terwijl bij een grotere gewichtstoename de oxydehuid te dik wordt voor het diffusieproces of teveel scandium verloren gaat. Soortgelijke beperkingen gelden bij de oxydatie van het scandium na het persen.

De persdruk mag in het geval van het vooraf oxyderen niet te hoog zijn (bijv. <1000 N/mm2) om te voorkomen dat de oxydehuid breekt en daarmee het hierboven beschreven effect verloren gaat.

Bij het sinteren bij hoge temperaturen gaat scandium verloren door verdamping. Om dit zoveel mogelijk tegen te gaan wordt bij voorkeur in waterstof (ca. 1 atmosfeer) gesinterd bij temperaturen tot ca. 1500°C.

Om het effect van ongunstige reacties tussen impregnant en scandium (bijvoorbeeld vorming van teveel scandiumoxyde, waardoor de scandiumnalevering na ionenbombardement nadelig wordt beïnvloed) zoveel mogelijk te beperken wordt de impregneertemperatuur zo laag mogelijk gekozen. Bij lagere temperatuur neemt bij zogenaamde mixed-matrix kathoden, waarbij het door scandiumoxyde bedekte scandium door de hele matrix aanwezig is, de hoeveelheid opgenomen impregnant af bij toenemende hoeveelheden scandium of scandiumhydride. De hoeveelheid scandium of scandiumhydride blijft daarom in het te persen mengsel bij voorkeur beperkt tot ten hoogste 2,5 gewichtsprocent.

Een andere werkwijze heeft het kenmerk, dat de kathode wordt verkregen door mengen, persen en vervolgens sinteren van poeders van een hoogsmeltend metaal en/of legering en scandium, scandiumhydride, of met een oxydehuid bedekt scandium, tesamen met het poeder van een bariumverbinding die door chemische reactie met het hoogsmeltend metaal en/of legering bij bedrijven van de kathode barium aan het emitterend oppervlak kan leveren. Bij deze werkwijze is de sintertemperatuur de hoogste temperatuur die het kathodelichaam ooit krijgt. Deze temperatuur kan substantieel lager zijn dan de bij de voorgaande werkwijze gebruikelijke impregneertemperatuur.

De uitvinding wordt nu nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin:

Figuur 1 een schematische voorstelling van een kathode volgens de uitvinding is,

Figuur 2, 3 en 4 meetresultaten tonen aan diverse kathoden.

In Figuur 1 is een lancjdoorsnede van een scandaatkathode volgens de uitvinding gegeven. Het kathodelichaam 11 met een emitterend oppervlak 21 en een diameter van bijvoorbeeld 1,8 mm, is verkregen door het persen van een matrix uit W-poeder en een poeder van scandiumhydride (ca. 0,7 gew%) of scandium (circa 0,5 gew%), een aantal uren stoken in natte argon bij circa 800°C om het scandium van een oxydehuid te voorzien en sinteren bij 1500°C in bijvoorbeeld een waterstofatmosfeer. De dikte van de matrix is dan ongeveer 0,5 mm. Het vervolgens geïmpregneerde kathodelichaam wordt, al dan niet voorzien van een omhulling 31, op de kathodeschacht 41 gelast. In de schacht 41 bevindt zich een spiraalvormige kathodegloeidraad 51, welke kan bestaan uit een metalen spiraalvormig gewonden kern 61 met een aluminiumoxyde isolatielaag 71. De emissie van een dergelijke kathode wordt, na insmelten en activeren, gemeten in een diodeopstelling bij pulsbelasting en bij een kathodetemperatuur van 950*^C (helderheidstemperatuur).

Figuur 2 geeft de resultaten van dergelijke emissiemetingen. Kromme 1 geeft hierbij de resultaten, zoals die werden gemeten aan een kathode volgens de uitvinding voor een kathode-anode afstand van 0,25 mm. Kromme 2 geeft de resultaten van emissiemetingen nadat de kathode vervolgens is blootgesteld aan een argonionenbombardement en reactivatie, zoals beschreven in het in de inleiding genoemde artikel.

Figuur 3 toont soortgelijke metingen aan een kathode waarbij de bovengenoemde oxydatiestap werd weggelaten, terwijl Figuur 4 dergelijke metingen toont voor een kathode, zoals beschreven in het in de inleiding genoemde artikel, in beide gevallen bij een kathode-anode afstand van 0,3 mm.

Uit de Figuren blijkt een duidelijke verbetering bij een kathode volgens de uitvinding. Kromme 2 in Figuur 2 wijkt pas vanaf ca. 40 A/cm2 af van kromme 1, terwijl zonder de oxydatiestap (zie krommen Γ en 2' in Figuur 3) deze afwijking al bij ca. 7,5 A/cm begint. Ook is bij hogere emissiewaarden de achteruitgang van een kathode volgens de uitvinding veel minder (afwijking -8% bij 100A/cm2, Fig. 2) dan bij een kathode (Figuur 3) waarbij de oxydatiestap niet werd toegepast (afwijking al ca. 50% bij 80A/cm ). Daarnaast is het herstel beter dan bij een kathode met een toplaag (Figuur 4} zoals beschreven in het in de inleiding genoemde artikel (afwijking -15% bij 80A/cm2, kromme 2" wijkt al vanaf 8,5A/cm af van kromme 1").

De oxydatiestap kan ook, zoals in de inleiding gesteld, aan het persen voorafgaan. De gebruikte persdruk is hierbij een kritische parameter hetgeen geïllustreerd wordt in Tabel I waar voor 2 soorten kathoden het emissieherstel na ionenbombardement is weergegeven, alsmede het resultaat van Augermetingen, zoals beschreven in het eerder genoemde artikel.

Het kathodelichaam, behorend bij kolom A werd verkregen door persen en vervolgens sinteren van een mengsel van wolfraampoeder met 0,7 gew.% poeder van door een oxydehuid omgeven scandiumoxyde (verkregen door oxyderend stoken van SCH2 in natte argon). Het persen vond plaats bij een druk van 1840^/mm2 op het vlak 21, het sinteren in een waterstofatmosfeer bij 1500°C.

Het kathodelichaam, behorend bij kolom B werd op dezelfde wijze vervaardigd maar nu bij een persdruk op het oppervlak 21 van 920N/mm2.

Tabel I geeft het verloop van de emissie na herhaald ionenbombardement (30 minuten) en reactivatie (120 minuten op 950°C, 60 minuten op 1050°C, 1 nacht op 1050°C). De metingen vonden plaats bij een kathodetemperatuur van 950°C, bij 1000 V en een afstand kathode-anode van 0,25 mm. De initiële emissie (100%-niveau) bedroeg respectievelijk 90A/cm2 (A) en 96A/cm2 (B).

TABEL, I

* pph = piek-piek-hoogte zie. "Properties and manufacture of top-layer scandate cathodes"

Applied Surface Science 26 (1986), pag. 173-195 (J. Hasker et al)

Uit tabel I blijkt dat de kathode in geval A zich slecht herstelt doordat een te grote persdruk is toegepast, waardoor de oxydehuidjes gebroken zijn en het hierboven geschetste mechanisme (nalevering door middel van diffusie) niet langer werkzaam is.

Tabel II toont soortgelijke metingen aan een kathode die wordt vervaardigd zoals beschreven aan de hand van Figuur 1 waarbij het ionenbombardement en herstel de eerste maal werd uitgevoerd, met een kortere herstelperiode ( 2 uur op T=1050°C i.p.v. een nacht). De initiële emissie bedroeg hier 105A/cm^. Uit de Augermetingen blijkt dat de emissie zich na het eerste ionenbombardement herstelt door nalevering van scandium tot 90% van de initiële emissie. In tegenstelling tot bekende scandaatkathoden herstelt de emissie zich ook na herhaald ionenbombardement tot ca. 90% van de initiële waarde.

TABEL II

Bij een andere kathode volgens de uitvinding wordt het kathodelichaam 13 met een diameter van 1,8 mm en een dikte van ongeveer 0,5 mm verkregen door een mengsel van wolfraampoeder, circa 1 gew% scandiumpoeder en 7 gew.% barium-calcium-aluminaatpoeder (4Ba0-lCa0-IAI2O3) te persen en vervolgens te sinteren bij 1500°C in waterstofatmosfeer. Het kathodelichaam wordt nu, al dan niet voorzien van de molybdeenomhulling 31, op de kathodeschacht 41 gelast. In de schacht 41 bevindt zich een spiraalvormige gloeidraad 51, welke kan bestaan uit een metalen spiraalvormig gewonden kern 61 met een aluminiumoxyde isolatielaag 71. Bij een kathodetemperatuur van 950°C was de gemeten emissie, na activeren, weer ongeveer 100 A/cm . Een voordeel van deze kathode is de eenvoudige vervaardigingswijze: impregneren en het schoonmaken daarna is niet nodig. Met behulp van Auger-metingen is aangetoond dat de vorming van de scandiumkorrels met een oxydehuid tijdens het sinteren plaats vindt via het aluminaat.

De korrels kunnen ook al in het uitgangsmateriaal aanwezig zijn, terwijl ook scandiumhydride als uitgangsmateriaal gekozen kan worden.

Uiteraard is de uitvinding niet beperkt tot de hier getoonde voorbeelden maar zijn binnen het kader van de uitvinding voor de vakman, met name in de procesparameters, diverse variaties mogelijk. Daarnaast kan het emitterend materiaal zich bevinden in een voorraadkamer onder de eigenlijke matrix (L-kathode), terwijl bovendien in de vormgeving vele variaties mogelijk zijn.

De kathoden volgens de uitvinding kunnen worden toegepast in elektronenbuizen ten behoeve van televisietoepassingen en elektronenmicroscopie, maar ook in bijvoorbeeld magnetrons, zendbuizen, etc.

Claims (6)

1. Scandaatkathode met een kathodelichaam bevattende een matrix van tenminste een hoogsmeltend metaal en/of legering met tenminste in de matrix in contact met het matrixmateriaal een bariumverbinding die door chemische reactie met het matrixmateriaal aan het emitterend oppervlak barium kan leveren, met het kenmerk, dat tenminste de toplaag van het kathodelichaam door een scandiumoxydehuid bedekt scandium bevat.

2. Scandaatkathode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bariumverbinding door middel van impregneren in het kathodelichaam is gebracht.

3. Werkwijze voor het vervaardigen van een kathode volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een matrix wordt geperst uit scandiumpoeder en een poeder van het hoogsmeltend metaal waarna het scandiumpoeder ten dele wordt geoxydeerd en vervolgens het geheel wordt gesinterd en geïmpregneerd. Werkwijze voor het vervaardigen van een kathode volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een matrix wordt geperst uit een poeder van het hoogsmeltend metaal en door een scandiumoxydehuid bedekt scandium, waarna het geheel wordt gesinterd en geïmpregneerd.

5. Werkwijze voor het vervaardigen van een kathode volgens conclusie 4 met het kenmerk dat het scandiumoxyde wordt verkregen door oxydatie van scandium of scandiumhydride. Werkwijze volgens eéh der conclusies 3 tot en met 5, met het kenmerk, dat de gewichtstoename van het scandium ten gevolge van het oxyderen 5-30 gewichtsprocent bedraagt.

7 Werkwijze volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat het sinteren plaats vindt in natte argon of waterstof bij een temperatuur van ten hoogst 1500°C. g_ Werkwijze volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat het poeder waaruit de matrix wordt geperst maximaal 2,5 gewichtsprocent scandium of scandiumhydride bevat. 9_ Werkwijze voor het vervaardigen van een scandaatkathode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kathode wordt verkregen door mengen, persen en vervolgens sinteren van poeders van een hoogsmeltend metaal en/of legering en scandium, scandiumhydride of met scandiumoxyde bedekt scandium tesamen met het poeder van een bariumverbinding die door chemische reactie met het hoogsmeltend metaal en/of legering bij bedrijven van de kathode barium aan het emitterend oppervlak kan leveren.

10. Elektronenstraalbuis voorzien van een kathode volgens conclusie 1 of 2.