SE504603C2 - Metod vid tillverkning av en fältemissionskatod samt fältemissionskatod - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 603 jonkälleanordning för elektronkollision som består av ett knippe kolfiber med diametrar i storleksordningen två till tio mikrometer med emitterande ändar, vilka skurits av och ej vässats genom någon förfinande åtgärd.

De ovannämnda dokumenten inkorporeras härmed genom hänvis- ningen.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett första syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en metod vid tillverkningen av en fältemissionskatod, varvid katoden har en hög mekanisk och elektrisk hållbarhet.

Ett andra syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en metod vid tillverkningen av en fältemissionskatod, varvid katoden har ett làgt utträdesarbete.

Ett tredje syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en metod vid tillverkningen av en fältemissionskatod, varvid negativa miljöeffekter hos en lysanordning, vilken omfattar katoden, minimeras.

Ett fjärde syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en metod vid tillverkningen av en fältemissionskatod, varvid katoden har en fördelaktig geometrisk konfiguration.

Ett femte syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en metod vid tillverkningen av en fältemissionskatod, varvid katoden ger en mycket kort omslagstid för elektronemissionen.

Ovanstående syften uppnås genom särdragen som framställs i de bifogade patentkräven.

Vid en komplett metod enligt uppfinningen framställs fält- emissionskatoden från ett fibermaterial som innehåller ett för det första, första ämne, vilken metod omfattar, stegen att kombinera ett flertal fibrer av fibermaterialet; att klippa, 10 15 20 25 30 35 3 504 eos mekaniskt eller genom smältning, knippen av fibermaterialet, varvid varje knippe omfattar ett flertal fibersegment av förutbestämd längd; samt att anlöpa fibersegmenten för att från dessa avlägsna andra ämnen än det första ämnet och/eller för att normalisera strukturen hos det första ämnet i fibersegmen- ten. Efter klippning och anlöpning har varje fibersegment hos knippena en emitterande ände med inneboende ojämnheter, varvid metoden omfattar, för det andra, stegen att, till de emitte- rande ändarna av fibersegmenten, tillsätta joner av ett andra ämne med ett lägre utträdesarbete än det hos det första ämnet, för att sänka den elektriska fältstyrka som krävs för att inducera elektronfältemission fràn de emitterande ändarna och för att öka och förbättra ojämnheter hos de emitterande ändar- na, i syfte att underlätta elektronfältemission; samt att forma de emitterande ändarna genom att pàlägga en variabel spänning pà fibersegmenten och höja denna variabla spänning enligt en förutbestämd plan, under elektronfältemission fràn de emitte- rande ändarna, för att bevara ojämnheterna hos de emitterande ändarna, i en sàdan utsträckning att full driftspänning kommer att kunna pàläggas momentant utan någon väsentlig försämring av fältemissionsegenskaperna hos katoden.

I steget att tillsätta joner (bombardera de emitterande ändarna med joner) uppkommer typiskt en spridning eller divergering hos de hopbuntade fibersegmentens emitterande ändar, varvid nämnda spridning är fördelaktigt för en bredare fördelning av elektro- ner vid fältemissionen.

Det första materialet hos katoderna är kol eller ett ämne med liknande egenskaper. Användningen av kol är fördelaktig, exempelvis med hänsyn till dess förmàga att utveckla ojämnheter dá det träffas av joner under tillverkning och vid normal användning. Exempelvis är det andra materialet cesium eller något annat lämpligt material med ett làgt utträdesarbete.

De ojämnheter som kvarstàr efter steget att preparera de emitterande ändarna genom tillsättning av (dopning), eller bombardering med, joner är kritiskt för fältemissonsegen- 10 15 20 25 30 35 504 603 skaperna hos katoden. Ojämnheterna bestàr av toppar av exempel- vis cesiumdopat kol. Steget att forma de emitterande ändarna är en "inbrännings“-process, vid vilken ojämnheterna rundas av vid topparna genom smältning pà grund av värmegenerering orsakad av elektronfältemission. Om denna process utförs försiktigt kommer endast de skarpaste spetsarna att rundas av, vilket kvarlämnar ojämnheter som motstàr momentan pàläggning av full drift- spänning utan att smälta.

Företrädesvis pàläggs, i steget att forma, den variabla spän- ningen antingen i förutbestämda steg, i enlighet med en förut- bestämd (kontinuerlig) kurva, eller med reglering med hänsyn till en maximal spänningstidsderivata, i syfte att begränsa sannolikheten att lokal strömtäthet i ojämnheterna hos ändarna överskrider ett förutbestämt värde (vilket inskränker eller begränsar av de punkter där smältning sker).

I steget att anlöpa, hàlls fibrerna under en förutbestämd tid vid en förhöjd temperatur i en evakuerad kammare.

Steget att tillsätta (bombardera) respektive att forma, kan användas för sig självt för förbättring av funktionen hos fältemissionskatoderna.

Mer än en av nämnda katoder kan kombineras pà ett substrat för att bilda en sammansatt katod lämpad för geometrin hos en viss lysanordning.

Trots att uppfinningen är inriktad pà användning i lampor, fluorescenta lysrör, eller andra lysanordningar kan den tillämpas inom olika tekniska områden där fältemission är önskvärd.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. 1 visar för tydlighets skull endast nägra av fibrerna i ett knippe gjort av ett flertal fibrer som utgör en fältemissionskatod enligt uppfinningen efter steget att anlöpa; 10 15 20 25 30 35 5 504 eos Fig. 2 visar för tydlighets skull endast nägra av fibrerna i ett knippe gjort av ett flertal fibrer som utgör en fältemissionskatod enligt uppfinningen efter steget att tillsätta joner till fibersegmenten; Fig. 3 visar schematiskt en möjlig "grov" profil hos ett fibersegment i fig. l; Fig. 4 visar schematiskt en möjlig "flerspets"-profil hos ett fibersegment i fig. 2; Fig. 5 visar schematiskt en möjlig “avrundad" profil hos ett fibersegment efter steget att forma ändarna hos fibersegmenten med en variabel spänning; Fig. 6 visar fältemissionskatoder enligt uppfinningen fördelade i en matris på ett substrat i en lysanordning försedd med en modulatornätelektrod, en anod samt ett fluorescent lager, vilka verkar inuti en evakuerad glasbehàllare.

BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM Utgående frán exempelvis kommersiellt tillgängliga polyakryl- nitrilkolfibrer formas katoderna genom mekanisk klippning av kolfibrerna. En fältemissionskatod enligt uppfinningen bestàr av ett knippe av kolfibrer med emitterande ändar. I ett knippe kan det finnas i storleksordningen hundra fibrer eller fler.

Fibrernas diameter är i omràdet sju mikrometer.

Det första steget i preparering av de klippta fiberknippena är anlöpning i en inert atmosfär vid en temperatur av 2 000 - 3 00OoC under nägra timmar. Denna behandling renar kolet hos fibrerna och normaliserar kornen och ytstrukturen hos fibret, vilket är viktigt i synnerhet nära dess emitterande ände. Fig. 1 visar endast en del av knippet l av fibrer 3 med emitterande ändar 2 efter anlöpningen. Fig. 3 visar en profil 5 hos ett fiber 4 efter anlöpningen, varvid profilen 5 hos den emitterande änden har små ojämnheter.

Det andra steget är bestràlning (bombardemang) av de emitte- rande ändarna med joner av cesium eller lantan. De emitterande ändarnas ytor genomdränks med joner, varigenom elektronut- 10 15 20 25 30 35 504 603 trädesarbetet minskar hos de emitterande ändarna. Dessutom orsakar bestràlningskollisionerna skarpa ojämnheter i de emitterande ändarna. Ojämnheter skulle alternativt kunna bildas genom bestràlning med ädelgasjoner. Fig. 2 visar endast en del av knippet 1 av fibrer 3 med emitterande ändar 2 efter bestràl- ningen, varvid ännu en fördelaktig effekt har uppnåtts. De emitterande ändarna 2 (spetsarna) har separerats nàgot, vilket ger en bredare fördelning av emitterade elektroder. Fig. 4 visar en profil 7 av en fiber 6 efter bestrálningen, varvid den emitterande ändens profil 7 har höga och skarpa ojämnheter 8.

Det tredje steget är formning ("inbränning") av de emitterande ändarnas ojämnheter. När ett elektroniskt fält som är till- räckligt starkt pàförs katoden kommer elektronemission att uppträda från de emitterande ändarna. Dá det elektriska fältet ökas kommer emissionen att nä nivåer i de skarpaste ojämn- heterna vilket får dem att smälta lokalt. elektriska fältstyrkan ökas làngsamt kommer smältningen att (topparna), Om den inskränkas och en väsentlig andel av ojämnheterna att bevaras liksom de emitterande ändarnas fältemissionsegenskaper. Före- trädesvis ökas det elektriska fältet i fem (jämna) steg från noll till full driftspänning, varvid varje steg varar omkring tio minuter. Fig. 5 visar en profil 10 av en fiber 9 efter formningen, varvid den emitterande ändens profil 10 har höga, men nàgot avrundade ojämnheter 11.

Fig. 6 visar en ljuskälla med fältemissionskatoden tillämpad i form av knippen 1, företrädesvis i en matris, anordnade pá ett ledande substrat 17. I samma plan som matrisen och i nära anslutning (i storleksordningen tiondels mm) ovanför (de emitterande ändarna av) knippena 1, finns en modulatorelektrod 12 med en apertur centrerad kring varje knippe. Substratet 17 och modulatorn 12 vilar pá dielektriska stöd 18 inuti en evakuerad glasbehàllare med en övre begränsning 15 och en undre begränsning 16. Motsatt knippena 1 och modulatorn finns pà insidan av den övre begränsningen 15 en anod 13 och ett fluore- scent lager 14. Substratet 17, modulatorn 12 respektive anoden 13 har elektriska anslutningar C, B respektive A, för pàförande 7 504 603 av spänningar som leder elektronerna fràn knippena l, via modulatorns aperturer, till det fluorescenta lagret 14 i anslutning med anoden 13. När elektronerna träffar det fluore- scenta lagret 14 emitteras ljus som nàr ut genom den trans- parenta anoden 13 och glasbehàllaren.

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 504 603 P A T E N T K R A V

1. En metod vid tillverkningen av en fältemissionskatod som utgörs av minst ett fibersegment innehållande ett första ämne, varvid nämnda fibersegment vartdera har en emitterande ände med inneboende ojämnheter, vilken metod omfattar steget - att forma nämnda emitterande ändar genom pàförande av en variabel spänning pà nämnda fibersegment och ökande av nämnda variabla spänning, under elektronfältemission fràn i en förutbestämd nämnda emitterande ändar, för att bevara, utsträckning, ojämnheterna hos nämnda emitterande ändar.

2. En metod enligt krav l, vilken metod, företrädesvis före nämnda steg att forma, omfattar steget - att, till nämnda fibersegment, ämne med lägre utträdesarbete än det hos nämnda första tillsätta joner av ett andra ämne, för att minska den elektriska fältstyrka som krävs för att inducera elektronfältemission fràn nämnda emitte- rande ändar.

3. En metod enligt krav 2, varvid nämnda fältemissionskatod är gjord av ett fibermaterial som innehåller nämnda första ämne, varvid metoden omfattar stegen - att klippa fràn nämnda fibermaterial minst ett fibersegment av en förutbestämd längd; - att anlöpa nämnda fibersegment för att därifrån avlägsna andra ämnen än nämnda första ämne och/eller för att norma- lisera strukturen hos nämnda första ämne i nämnda fiber- segment, samt de nämnda stegen - att, till nämnda fibersegment, tillsätta joner av ett andra ämne med lägre utträdesarbete än det hos nämnda första ämne, - att forma nämnda emitterande ändar genom pàförande av en variabel spänning pà nämnda fibersegment och ökande av nämnda variabla spänning, under elektronfältemission från nämnda emitterande ändar.

4. En metod enligt nàgot av kraven 1-3, vilken metod omfattar 10 15 20 25 9 504 eos bestràlning av nämnda emitterande ändar med joner av ädelgas, för att åstadkomma skarpa ojämnheter däri.

5. En metod enligt krav 2, 3 eller 4, varvid stegen att tillägga joner även används för införande av nya ojämnheter och/eller förbättring av inneboende ojämnheter hos nämnda emitterande ändar, för att underlätta elektronfältemission.

6. En metod enligt krav 1, 2, 3 eller 4, varvid steget att forma nämnda emitterande ändar fullgörs för att begränsa sannolikheten för att lokal strömtäthet i ojämnheter hos nämnda ändar överskrider ett förutbestämt värde.

7. En metod enligt krav l, 2, 3 eller 4, varvid nämnda katoder formas som knippen av ett flertal av nämnda fibersegment.

8. En metod enligt krav 3 eller 4 och 7, varvid steget att tillsätta joner även används för att fà nämnda emitterande ändar (av de i knippen anordnade fibersegmenten) att divergera.

9. En metod enligt nàgot av föregående krav, varvid nämnda första ämne är kol.

10. En metod enligt nàgot tillämpligt krav av de föregående kraven, varvid nämnda andra ämne är cesium.

11. ll. En fältemissionskatod tillverkad enligt något av före- gàende krav.