NL8900806A - Kathode voor een elektrische ontladingsbuis. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Kathode voor een elektrische ontladingsbuis".

De uitvinding heeft betrekking op een kathode voor een elektrische ontladingsbuis bevattende een metalen draagbasis met een laag potentieel elektronen emitterend materiaal erop.

Bij de fabricage van kathodes voor elektronenbuizen wordt gewoonlijk een uitgangssamenstelling tot een gewenste configuratie gevormd en dan met een laag aardalkalicarbonaten bedekt teneinde een kathode of filament te vormen. Daarna wordt de kathode of het filament in een elektronenbuisstructuur geplaatst en aan de kathode wordt; direct of indirect, warmte toegevoerd om de carbonaten te reduceren tot oxides en vrij metaal en daardoor de kathode te activeren. Daarna wordt, tijdens bedrijf van de buis, warmte aan de kathode toegevoerd om emissie van elektronen te bewerkstelligen gedurende een tijd (=levensduur) en in een mate die van een groot aantal factoren afhankelijk is. Een relatief dikke dragerbasis is bijvoorbeeld gunstig voor een lange levensduur gebleken te zijn. Een nadeel van een relatief dikke dragerbasis is echter dat de opwarmtijd van de kathode lang is, wat in veel toepassingen ongewenst is.

Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag een kathode te verschaffen met een korte opwarmtijd en toch een lange levensduur.

De kathode van de in aanhef geschreven soort heeft daartoe volgens de uitvinding als kenmerk, dat de draagbasis een dikte heeft in een gebied van 20 tot 150 pm, waarbij de metaalkristallieten een grootte hebben die verdere kristallietgroei of rekristallisatie niet toelaat.

Aan de uitvinding ligt het inzicht ten grondslag, dat de temperatuurcondities die bij bedrijf in een elektronenbuis heersen korrelgroei of rekristallisatie van de korrels van de draagbasis kunnen veroorzaken, welke korrelgroei of rekristallatie op zijn beurt juist bij een relatief dunne draagbasis verantwoordelijk is voor afspringen of afbladderen van de elektronen-emitterende coating. Dit is een factor die de levensduur van de kathode ongunstig beïnvloedt. Door er nu bij een kathode met relatief dunne draagbasis en dus korte opwarmtijd voor te zorgen dat de metaalkristallieten een grootte hebben die korrelgroei of rekristallisatie niet meer toelaat, kan de levensduur van de kathode aanmerkelijk verbeterd worden.

In het algemeen is korrelgroei of rekristallisatie niet meer mogelijk indien de metaalkristallieten een grootte hebben die overeenkomt met de dikte van de draagbasis. Een uitvoeringsvorm van de kathode volgens de uitvinding heeft derhalve als kenmerk, dat de kristallen van de draagbasis een grootte hebben die overeenkomt met de dikte van de draagbasis.

De kathode volgens de uitvinding kan tijdens bedrijf direct verhit worden, of indirect (met behulp van door een separaat verhittingslichaam, bijvoorbeeld een gloeispiraal, opgewekte warmte). In het laatste geval is het voor de stabiliteit van de dunne draagbasis van voordeel als er voor gezorgd wordt dat het verhittingslichaam vrij ligt van de draagbasis en ook tijdens bedrijf van de kathode daarvan vrij blijft. Het verhittingslichaam wordt namelijk tijdens bedrijf voortdurend aan- en uitgeschakeld, en kan wanneer het tegen een dunne draagbasis aanligt de stabiliteit daarvan nadelig beïnvloeden.

Het gunstige effect op de kathode levensduur dat door kristallieten die geen verdere kristalgroei kunnen vertonen veroorzaakt wordt zou daardoor voor een deel teniet kunnen worden gedaan.

Bij voorkeur is het verhittingslichaam op een afstand in het gebied van 20 tot 300 urn van de draagbasis geplaatst. Is de afstand kleiner dan 20 pm dan kan het gebeuren dat tijdens het gebruik van de kathode door thermische uitzetting van het verhittingslichaam, het verhittingslichaam en het dragerlichaam toch met elkaar in kontakt komen. Is de afstand groter dan 300 pm dan wordt een verwarming van het dragerlichaam door het verhittinglichaam minder rendabel.

Bij de fabricage van een draagbasis voor een kathode is het gebruikelijk om specifieke additieven (zoals Mg, Si en Al) en een basismateriaal (zoals nikkel, nikkellegeringen, zoals nikkel-lanthaan en wolfram) door middel van een smeltproces te combineren om een kathode draagbasismateriaal te verkrijgen. Dit materiaal wordt heet gewalst, tot een strip met een gewenste dikte koud gewalst, en vervolgens in een kathode draagbasis configuratie gevormd. Aan de kristallen van de draagbasis kan de gewenste grootte, die verdere korrelgroei niet toelaat, gegeven worden door volgens een verder aspect van de uitvinding de draagbasis, vóór het samenstellen van de kathode, een geschikte rekristallisatie wamtebehandeling te geven.

De uitvinding berust mede op het inzicht dat de afname van de elektronen-emissie gedurende de levensduur van de kathode onder andere het gevolg is van de vermindering van de hoeveelheid emissie-aktivatoren in het dragerlichaam, met name in het oppervlak van het dragerlichaam, door diffusie en oxydatie van de aktivatoren. Deze aktivatoren worden gevormd door de in het dragerlichaam, dat in hoofdzaak uit nikkel bestaat, aanwezige addities. De aktivatoren diffunderen gedurende het gebruik van de kathode naar de oppervlakte van het dragerlichaam en aktiveren hier de elektronen-emissie.

Juist bij dunne dragers, die in totaal een geringere hoeveelheid addities, dus aktivatoren, bevatten, is het dus van belang dat die aktivatoren door een voor het verkrijgen van een maximale grootte van de kristallen uitgevoerde warmtebehandeling niet voor een groter of kleiner deel "onwerkzaam" worden gemaakt. Een verder aspect van de uitvinding wordt derhalve gekenmerkt, doordat de rekristallisatie warmtebehandeling plaats vindt onder condities die verhinderen dat addities in het metaal van de draagbasis oxydes vormen tot een diepte verder van het oppervlak dan 1 micrometer, en bij voorkeur niet verder dan 0,5 micrometer.

Wordt het dragerlichaam verhit in een droge waterstofatmosfeer bij een temperatuur tussen 850 en 1100°C, eventueel voorafgegaan door in een zuurstofhoudende atmosfeer verhitten op een temperatuur in het gebied van 300 tot 450°C dan blijkt niet alleen dat het nikkel in het dragerlichaam in voldoende mate rekrisalliseert maar ook dat slechts een zeer geringe hoeveelheid aktivatoren onwerkzaam worden. Hierdoor vertoont de kathode een voldoende konstante emissie van elektronen gedurende haar levensduur. Bovendien blijkt de kathode een verbetering in een aantal nul-uur emissie-eigenschappen te vertonen, zoals een verhoging van de verzadigingsstroom, doordat de vrije aktivatorelementen tot vlakbij het oppervlak van het dragerlichaam aanwezig zijn.

Een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin

Figuur 1 schematisch een langsdoorsnede van een kathode met een draagbasis toont,

Figuur 2 een bovenaanzicht, en

Figuur 3 een langsdoorsnede van een alternatieve draagbasis.

De kathode 1 in Figuur 1 bevat in dit voorbeeld een cylindervormige nikkel-chroom kathodeschacht 2, voorzien van een draagbasis of dragerlichaam 3. Het dragerlichaam 3 bestaat hoofdzakelijk uit nikkel en kan vrije aktivatorelementen zoals bijvoorbeeld Cr, Mg,

Al, W, Ta, Si, Ti, Co, Mn en Zr bevatten. In de kathodeschacht 2 bevindt zich een verhittingslichaam in de vorm van een spiraalvormige gloeidraad 4 die uit een metalen spiraalvormig gewonden kern met een elektrisch isolerende aluminiumoxydelaag kan bestaan. Op het dragerlichaam 3 bevindt zich een enkele tientallen micrometers dikke laag potentieel elektronen-emitterend materiaal 7, die bijvoorbeeld door middel van spuiten kan zijn opgebracht.

Bij het vervaardigen van een dergelijke kathode wordt tijdens een processtap het dragerlichaam 3 aan de kathodeschacht 2 bevestigd. Volgens de uitvinding wordt voordat het dragerlichaam aan de kathodeschacht wordt bevestigd het dragerlichaam aan een warmtebehandeling onderworpen. Hierbij wordt het dragerlichaam in lucht verhit gedurende 10 tot 20 minuten op een temperatuur tussen 300°C en 450°C. Hierbij wordt het dragerlichaam gereinigd ten gevolge van het oxyderen van organische verbindingen. Daarna wordt het dragerlichaam verhit in een droge waterstofatmosfeer (dauwpunt -60°C) gedurende 10 tot 20 minuten op een temperatuur tussen 850°C en 1100°C. Hierdoor treedt een groei van de nikkelkristallen in het dragerlichaam tot maximale grootte op, zodat voorkomen wordt dat in een later stadium, bijvoorbeeld het aktiveren van de kathode in de buis, waarbij temperaturen tot 1000°C kunnen optreden problemen optreden ten aanzien van de hechting van de emitterende laag aan het dragerlichaam.

Na de bovenbeschreven behandeling heeft het dragerlichaam een glanzend uiterlijk.

De kathodeschacht kan blank zijn of voorzien zijn van een thermisch zwart stralende laag. In het laatste geval wordt hij afzonderlijk aan een warmtebehandeling onderworpen om een thermisch zwart stralende laag aan de binnenzijde en de buitenzijde van de kathodeschacht te verkrijgen. Een voorbeeld van een dergelijke warmtebehandeling van een kathodeschacht bestaand uit een chroom-nikkellegering, omvat het verhitten van de kathodeschacht in een droge waterstofatmosfeer op een temperatuur van ongeveer 950°C waarbij verontreinigingen op het oppervlak worden verwijderd. Daarna wordt de kathodeschacht in lucht op een temperatuur van ongeveer 700°C verhit waarbij chroomoxyde en nikkeloxydekristallen aan het oppervlak gevormd worden. Door de kathodeschacht vervolgens in een vochtige waterstofatmosfeer (dauwpunt 14°C te verhitten op 1050°C, wordt het nikkeloxyde dat zich op het dragerlichaam heeft gevormd, gereduceerd tot nikkel, terwijl het chroomoxyde niet wordt gereduceerd. Daar de vochtige waterstofatmosfeer voor chroom oxyderend werkt, wordt gedurende deze verhitting de chroomoxydehuid op de schacht dikker. De chroomoxydehuid vormt uiteindelijk een stabiele thermisch zwart stralende laag.

Na hun eventuele warmtebehandelingen worden in het geval van de kathode van Figuur 1 het dragerlichaam 3 en de kathodeschacht 2 aan elkaar bevestigd, bijvoorkeur door middel van lassen.

Tijdens een volgende processtap wordt een laag potentieel elektronen-emitterend materiaal op het dragerlichaam aangebracht.

Gebleken is dat wanneer het dragerlichaam aan de eerder genoemde warmtebehandeling wordt onderworpen om de metaalkristallen een maximale grootte te geven de altijd optredende vermindering van elektronen-emissie van de laag gedurende de levensduur van de kathode zeer gering kan zijn (in een bepaald geval niet meer 8% tegenover een vermindering van meer dan 25% bij conventionele kathodes). Bovendien blijkt de kathode een verbetering in een aantal nul-uur emissie-eigenschappen te vertonen.

De kathodeschacht 2 met draagbasis 3 van de kathode 1 van Figuur 1 is in een opening van een huis 6 opgehangen door middel van drie ophangmiddelen 8a, 8b en 8c (zie Figuur 2). De gloeispiraal 4 is verbonden met stroomtoevoeren 5a en 5b.

Figuur 3 toont een alternatieve constructie, waarbij schacht en draagbasis uit één stuk 13 bestaan. Emitterende laag 7 en gloeispiraal 4 zijn hetzelfde als in Figuur 1.

In beide gevallen is het van voordeel voor de levensduur van de kathode dat de gloeispiraal 4 niet met de dunne (20-150 pm dikke) draagbasis 3, respectievelijk 13, in kontakt kan komen. De gloeidraad 5 is bij voorkeur zodanig in de kathodeschacht 2 geplaatst, dat de afstand d (Figuur 1) tussen het dragerlichaam 3 en de gloeidraad 5 ligt in het gebied 20 pm tot 300 pm. Afhankelijk van de lagere kathode temperatuur die toegestaan kan worden ligt de afstand d bij voorkeur tussen 50 en 200 pm.

Een kathode volgens de uitvinding vertoont niet alleen een nagenoeg konstante elektronen-emissie gedurende haar levensduur, maar kan door de verhoogde nul-uur emissie ook op een lagere temperatuur bedreven worden.

Claims (9)

1. Kathode voor een elektrische ontladingsbuis bevattende een metalen draagbasis met een laag potentieel elektronen emitterend materiaal erop, met het kenmerk, dat de draagbasis een dikte heeft in een gebied van 20 tot 150 ym, waarbij de metaalkristallieten een grootte hebben die verdere kristallietgroei of rekristallisatie niet toelaat.

2. Kathode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de kristallieten van de draagbasis een grootte hebben die overeenkomt met de dikte van de draagbasis.

3. Kathode volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het dragerlichaam in hoofdzaak nikkel bevat.

4. Kathode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat hij tevens een verhittingslichaam bevat dat vrij ligt van de draagbasis.

5. Werkwijze voor het vervaardigen van een oxydkathode, waarbij tijdens een processtap een laag potentieel elektronenemitterend materiaal op een metalen draagbasis wordt aangebracht, met het kenmerk, dat de draagbasis, vóór het aanbrengen van de laag, aan een rekristallisatie warmtebehandeling onderworpen wordt om de metaalkristallen tot maximale grootte te doen groeien.

6. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de rekristallisatie warmtebehandeling plaats vindt onder condities die verhinderen dat addities in het metaal van de draagbasis oxydes vormen tot een diepte verder van het oppervlak dan 1 micrometer.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de rekristallisatie warmtebehandeling plaatsvindt door de draagbasis in een droge waterstofatmosfeer op een temperatuur in het gebied van 850 to 1100°C te verhitten.

8. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de warmtebehandeling wordt voorafgegaan door een warmtebehandeling in een zuurstofhoudende atmosfeer op een temperatuur in het gebied van 300 tot 450°C.

9. Kathodestraalbuis met een kathode volgens één van de conclusies 1 tot en met 4.