Barratt, David S. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Raasch, Detlef (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Goodhand, Christopher J. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Van Der, Heide Petrus A. M. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Lee, Timothy J. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
PHILIPS CORPORATE INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (Habsburgerallee 11 Aachen, D-52066, DE)
Gaertner, Georg F. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Barratt, David S. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Raasch, Detlef (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Goodhand, Christopher J. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Van Der, Heide Petrus A. M. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
Lee, Timothy J. (Prof. Holstlaan 6 AA Eindhoven, NL-5656, NL)
| 1. | Kathodenstrahlröhre, ausgerüstet mit mindestens einer Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem ersten Kathodenmetall mit einer Deckschicht, die aus ultrafeinen Metallpartikel, die Nickel enthalten, besteht und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das einen Partikel PartikelVerbundwerkstoff aus Oxidpartikeln und Metallpartikeln enthält, wobei die Oxidpartikel ein Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium und ein Erdalkalioxid ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, und die Metallpartikel ein zweites Kathodenmetall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt enthalten, umfasst. |
| 2. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kathodenmetall ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt enthält. |
| 3. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kathodenmetall eine Legierung aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt mit einem. Aktivatormetall, ausgewählt aus der Gruppe Mg, Mn, Fe, Si, W, Mo, Cr, Ti, Hf, Zr, Al enthält. |
| 4. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht zusätzlich ein Aktivatormetall, ausgewählt aus der Gruppe Mg, Mn, Fe, Si, W, Mo, Cr, Ti, Hf, Zr, Al enthält. |
| 5. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ultrafeinen Metallpartikel einen langsamen Aktivator ausgewählt der Gruppe Al, Mo, Ti und Si enthalten. |
| 6. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die langsamen Aktivatoren in einer Menge von 1 bis 4 Gew.% zugesetzt sind. |
| 7. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel in dem elektronenemittierenden Material eine Legierung aus einem zweiten Kathodenmetall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt mit einem Aktivatormetall, ausgewählt aus der Gruppe Mg, Mn, Fe, Si, W, Mo, Cr, Ti, Hf, Zr, Al enthalten. |
| 8. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidpartikel Oxidpartikel eines Erdalkalioxids ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, das mit einem Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium dotiert ist, enthalten. |
| 9. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidpartikel Oxidpartikel eines Erdalkalioxids ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, das mit einem der Oxid des Yttriums dotiert ist, enthalten. |
| 10. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidpartikel Oxidpartikel eines Oxids ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium, und Oxidpartikel eines Erdalkalioxids, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, enthalten. |
| 11. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenemittierende Material 1 bis 5 Gew.% Metallpartikel enthält. |
| 12. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenemittierende Material 2,5 Gew.% Nickelpartikel enthält. |
| 13. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel einen ellipsoidale oder kugelige Form haben. |
| 14. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel eine nadelige Form haben. |
| 15. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Partikeldurchmesser der Metallpartikel 0.2 bis 5.0 um beträgt. |
| 16. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel in dem PartikelPartikelVerbundwerkstoff orientiert eingebettet sind. |
| 17. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel in dem PartikelPartikelVerbundwerkstoff vertikal zur Kathodenbasis Oberfläche einbettet sind. |
| 18. | Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel in dem PartikelPartikelVerbundwerkstoff mit einem Konzentrationsgradienten einbettet sind. |
| 19. | Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem ersten Kathodenmetall mit einer Deckschicht, die aus ultrafeinen Metallpartikel, die Nickel enthalten, besteht, und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das einen PartikelPartikelVerbundwerkstoff aus Oxidpartikeln und Metallpartikeln enthält, wobei die Oxidpartikel ein Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium und ein Erdalkalioxid ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, und die Metallpartikel ein zweites Kathodenmetall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt enthalten, umfasst. |
Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlröhre, ausgerüstet mit mindestens einer Kathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem ersten Kathodenmetall und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das ein zweites Kathodenmetall und mindestens ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Barium, enthält, umfasst.
Eine Kathodenstrahlröhre besteht aus vier Funktionsgruppen : -Elektronenstrahlerzeugung in der Elektronenkanone, -Strahlfokussierung durch elektrische oder magnetische Linsen -Strahlablenkung zur Rastererzeugung und -Leuchtschirm oder Bildschirm.
Zu der Funktionsgruppe der Elektronenstrahlerzeugung gehört eine elektronenemittierende Kathode, die den Elektronenstrom in der Kathodenstrahlröhre erzeugt und die von einem Steuergitter, z. B. einem Wehnelt-Zylinder mit einer Lochblende auf der Stirnseite, umgeben ist.
Eine elektronenemittierende Kathode für eine Kathodenstrahlröhre ist üblicherweise eine punktförmige, heizbare Oxidkathode mit einer elektronenemittierenden, oxidhaltigen Kathodenbeschichtung. Wird eine Oxidkathode aufgeheizt, werden Elektronen aus der emittierenden Beschichtung in das umgebende Vakuum ausgedampft.
Die Menge der Elektronen, die von der Kathodenbeschichtung emittiert werden können, hängt von der Austrittsarbeit (work function) des elektronenemittierenden Materials ab. Nickel, das in der Regel als Kathodenbasis verwendet wird, hat selbst eine relativ hohe Austrittsarbeit. Deshalb wird das Metall der Kathodenbasis üblicherweise noch mit einem Material beschichtet, dessen Hauptaufgabe es ist, die elektronenemittierenden Eigenschaften der Kathodenbasis zu verbessern. Charakteristisch für die
elektronenemittierenden Beschichtungsmaterialien von Oxidkathoden ist es, dass sie ein Erdalkalimetall in der Form des Erdalkalimetalloxids enthalten.
Um eine Oxidkathode herzustellen, wird ein entsprechend geformtes Blech aus einer Nickellegierung beispielsweise mit den Carbonaten der Erdalkalimetalle in einer Bindemittelzubereitung beschichtet. Während des Auspumpens und Ausheizens der Kathodenstrahlröhre werden die Carbonate bei Temperaturen von etwa 1000°C in die Oxide umgewandelt. Nach diesem Abbrennen der Kathode liefert sie bereits einen merklichen Emissionsstrom, der allerdings noch nicht stabil ist. Es folgt noch ein Aktivierungsprozess.
Durch den Aktivierungsprozess wird das ursprünglich nichtleitende Ionengitter der Erdal- kalioxide in einen elektronischen Halbleiter verwandelt, indem Störstellen vom Donator-Typ in das Kristallgitter der Oxide eingebaut werden. Die Störstellen bestehen im wesentlichen aus elementarem Erdalkalimetall, z. B. Calcium, Strontium oder Barium. Die Elektronenemission der Oxidkathoden basiert auf dem Störstellenmechanismus. Der Aktivierungsprozess hat den Zweck, eine genügende Menge von überschüssigem, elemen- tarem Erdalkalimetall zu schaffen, durch das die Oxide in der elektronenemittierenden Beschichtung bei einer vorgeschriebenen Heizleistung den maximalen Emissionsstrom liefern können. Einen wesentlichen Beitrag zu dem Aktivierungsprozess leistet die Reduktion des Bariumoxids zu elementarem Barium durch Legierungsbestandteile ("Aktivatoren") des Nickels aus der Kathodenbasis.
Wichtig für die Funktion einer Oxidkathode und deren Lebensdauer ist es, dass immer wieder erneut elementares Erdalkalimetall zur Verfügung steht. Die Kathodenbeschichtung verliert nämlich während der Lebensdauer der Kathode ständig Erdalkalimetall. Teils verdampft langsam das Kathodenmaterial insgesamt, teils wird es durch den Ionenstrom in der Kathodenstrahlröhre abgesputtert.
Allerdings wird zunächst das elementare Erdalkalimetall immer wieder nachgeliefert. Die Nachlieferung von elementarem Erdalkalimetall durch Reduktion des Erdalkalioxids am Kathodenmetall bzw. Aktivatormetall kommt jedoch zum Stillstand, wenn sich zwischen der Kathodenbasis und dem emittierenden Oxid mit der Zeit eine dünne, aber hochohmig Trennschicht (interface) aus Erdalkalisilikat oder Erdalkalialuminat bildet. Von Einfluss auf die Lebensdauer ist es weiterhin, dass sich der Vorrat an Aktivatormetall in der Nickellegierung der Kathodenbasis mit der Zeit erschöpft.
Aus der JP 11204019 A ist eine Oxidkathode mit verbesserter Donordichte und verlängerter Lebensdauer bekannt, die einen Napf aus einer Nickellegierung umfasst, der mit einem Drahtknäuel aus einer Nickellegierung und mit einem Erdalkalicarbonatgemisch geSullt ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kathodenstrahlröhre zur Verfügung zu stellen, deren Strahlstrom gleichmäßig ist, über lange Zeit konstant bleibt und die reproduzierbar herstellbar ist Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Kathodenstrahlröhre, ausgerüstet mit mindestens einer Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem ersten Kathodenmetall mit einer Deckschicht, die aus ultrafeinen Metallpartikel, die Nickel enthalten, besteht und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das einen Partikel-Partikel-Verbundwerkstoff aus Oxidpartikeln und Metallpartikeln enthält, wobei die Oxidpartikel ein Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium und ein Erdalkalioxid ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, und die Metallpartikel ein zweites Kathodenmetall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt enthalten, umfasst.
Eine Kathodenstrahlröhre mit einer derartigen Oxidkathode hat über einen langen Zeitraum hin einen gleichmäßigen Strahlstrom, weil durch die homogene Verteilung des reduzierend wirkenden Kathodenmetalls und des Aktivatormetalls in dem Material der elektronenemittierenden Kathodenbeschichtung das Wachstum von hochohmigen Zwischenschichten lokal verteilt und insgesamt reduziert ist. Es kann länger elementares Barium nachgeliefert werden. Besonders vorteilhaft wirkt dabei die Deckschicht, die aus ultrafeinen Metallpartikel, die Nickel enthalten, besteht. Sie bildet eine aufgelöste Grenze zwischen Kathodenbasis und Kathodenbeschichtung. Dadurch wird die Bildung einer hochohmigen desaktivierenden Trennschicht zwischen Kathodenbasis und Kathoden- beschichtung diskontinuierlich und der Widerstand der hochohmigen Trennschicht reduziert.
Die lokale Aktivatornachlieferung und die Aktivatordiffusion wird gefördert.
Durch die kontinuierliche Barium-Nachfuhrung wird eine Erschöpfung der Elektronenemission, wie man die von herkömmlichen Oxidkathoden kennt, vermieden. Es können ohne Gefährdung der Kathodenlebensdauer wesentlich höhere Strahlstromdichten realisiert werden. Das kann auch ausgenutzt werden, um die notwendigen Elektronenstrahlströme aus kleineren Kathodenbereichen zu ziehen. Die Spotgröße des Kathodenflecks ist entscheidend für die Güte der Strahlfokussierung auf dem Bildschirm. Die Bildschärfe über den gesamten Schirm wird erhöht. Da die Kathoden zudem nur sehr langsam altern, können Bildhelligkeit und Bildschärfe auf hohem Niveau über die gesamte Lebensdauer der Röhre stabil gehalten werden.
Als erstes Kathodenmetall wird bevorzugt ein Metall aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt gewählt.
Besonders bevorzugt ist es, dass das erste Kathodenmetall eine Legierung aus einem Metall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt mit einem Aktivatormetall, ausgewählt aus der Gruppe Mg, Mn, Fe, Si, W, Mo, Cr, Ti, Hf, Zr, Al enthält.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Deckschicht zusätzlich ein Aktivatormetall, ausgewählt aus der Gruppe Mg, Mn, Fe, Si, W, Mo, Cr, Ti, Hf, Zr, Al.
Dadurch wird die Sensitivität gegen eine"Vergiftung"durch Restgase im Kathoden- röhrenvakuum reduziert.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Metallpartikel einen langsamen Aktivator ausgewählt der Gruppe Al, Mo, Ti und Si enthält. Die langsamen Aktivatoren werden bevorzugt in einer Menge von 1 bis 4 Gew.-% zugesetzt.
Es kann auch bevorzugt sein, dass die Metallpartikel in dem elektronenemittierenden Material eine Legierung aus einem zweiten Kathodenmetall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt mit einem Aktivatormetall, ausgewählt aus der Gruppe Mg, Mn, Fe, Si, W, Mo, Cr, Ti, Hf, Zr, Al enthalten.
Die Oxidpartikel können Oxidpartikel eines Erdalkalioxids ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, das mit einem Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym,
Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium dotiert ist, enthalten Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthalten die Oxidpartikel Oxidpartikel eines Erdalkalioxids ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, das mit einem der Oxid des Yttriums dotiert ist, enthalten. Yttriumoxid beschleunigt überraschenderweise die Sinterung der Oxide bei der Herstellung.
Nach einer anderen Ausfuhrungsfbrm der Erfindung enthalten die Oxidpartikel Oxidpartikel eines Oxids ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium, und Oxidpartikel eines Erdalkalioxids, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums.
Das elektronenemittierende Material kann 1 bis 5 Gew.-% Metallpartikel enthalten.
Besonders bevorzugt ist es, dass das elektronenemittierende Material 2,5 Gew.-% Nickelpartikel enthält.
Besonders vorteilhafte Wirkungen werden durch die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erreicht, wenn die Metallpartikel eine ellipsoidale oder kugelige Form haben. Dadurch wird die Diffusion der Aktivatormetalle kontrollierter und die Barium- Emission örtlich und zeitlich uniforme. Man erhält Oxidkathoden mit höherer Gleichstrom- belastbarkeit und Lebensdauer.
Wenn die Metallpartikel eine nadelige Form haben, kann das dazu beitragen, die Diffusion der Aktivatormetalle während des gesamten Lebensdauer der Oxidkathode gleichmäßig zu halten.
Der mittlere Partikeldurchmesser der Metallpartikel beträgt vorzugsweise 0.2 bis 5.0 um.
Es kann auch bevorzugt sein, dass die Metallpartikel in dem Partikel-Partikel- Verbundwerkstoff orientiert eingebettet sind, insbesondere, dass die Metallpartikel in dem Partikel-Partikel-Verbundwerkstoff vertikal zur Kathodenbasis-Oberfläche einbettet sind.
Es ist auch möglich, dass die Metallpartikel in dem Partikel-Partikel- Verbundwerkstoff mit einem Konzentrationsgradienten einbettet sind.
Die Erfindung betrifft auch eine Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem ersten Kathodenmetall mit einer Deckschicht, die aus ultrafeinen Metallpartikel, die Nickel enthalten, besteht, und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das einen Partikel-Partikel-Verbundwerkstoff aus Oxidpartikeln und Metallpartikeln enthält, wobei die Oxidpartikel ein Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium und ein Erdalkalioxid ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, und die Metallpartikel ein zweites Kathodenmetall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt enthalten, umfasst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einer Figur und einem Ausführungsbeispiel weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Oxidkathode nach der Erfindung.
Eine Kathodenstrahlröhre ist mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem ausgestattet, das üblicherweise eine Anordnung mit einer oder mehreren Oxidkathoden enthält.
Eine Oxidkathode nach der Erfindung umfasst einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis und einer Deckschicht, die aus ultrafeinen Metallpartikel, die Nickel enthalten, besteht und einer Kathodenbeschichtung. Der Kathodenträger enthält die Heizung
und die Basis mit der Deckschicht. Als Kathodentrager können die aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen und Materialien verwendet werden.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung besteht die Oxidkathode aus einen Kathodenträger, d. h. einem zylindrischen Röhrchen 3, in das der Heizdraht 4 eingesetzt ist, aus einer Kappe 2, die die Kathodenbasis bildet, mit der Deckschicht 7 und aus einer Kathodenbeschichtung 1, die den eigentlichen Kathodenkörper darstellt.
Das Material der Kathodenbasis ist bevorzugt ein Metall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt. Üblicherweise wird eine Nickellegierung verwendet.
Die Nickellegierungen für die Basis der erfindungsgemäßen Oxidkathoden können aus Nickel mit einem Legierungsanteil aus einem reduzierend wirkenden Aktivatorelement, ausgewählt aus der Gruppe Magnesium, Mangan, Eisen, Silicium, Wolfram, Molybdän, Chrom, Titan, Hafnium, Zirkon und Aluminium bestehen. Nachdem auch die Kathoden- beschichtung auch Aktivatorelemente enthält, kann die Menge an Aktivatorelementen in dem Material der Kathodenbasis niedrig gehalten werden. Ein Legierungsanteil von 0.05 bis 0.8 % Aktivatormetall in dem Material für die Kathodenbasis ist bevorzugt.
Die Kathodenbasis ist mit einer Deckschicht beschichtet, die aus ultrafeinen Metallpartikel, die Nickel enthalten, besteht. Die Partikelgröße der ultrafeinen Partikel liegt unter 100 nm. Bevorzugt enthalten die ultrafeinen Partikel einen Aktivator ausgewählt aus der Gruppe Mg, Al, Mo, Ti, Si, Cr, Zr, Mg. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Metall- partikel einen langsamen Aktivator ausgewählt der Gruppe Al, Mo, Ti und Si enthält. Die langsamen Aktivatoren werden bevorzugt in einer Menge von 1 bis 4 Gew.-% zugesetzt.
Der Kathodenbeschichtung enthält ein elektronenemittierendes Material, das aus einem Partikel-Partikel-Verbundwerkstoff besteht. Die Hauptkomponente des Partikel- Partikel-Verbundwerkstoffs in dem elektronenemittierenden Material sind Oxidpartikel 6, die ein Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium ; und ein Erdalkalioxid ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums enthalten.
Die Oxidpartikel können Oxidpartikel mit Oxiden der Erdalkalimetall, die den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium dotiert sind, enthalten.
Nach einer anderen Ausfiihrungsform der Erfindung enthalten die Oxidpartikel Oxidpartikel mit Oxiden der Erdalkalimetall, und Oxidpartikel mit den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Euro- pium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium.
Als Erdalkalioxid ist Bariumoxid, zusammen mit Calciumoxid oder/und Strontiumoxid bevorzugt. Die Erdalkalioxide werden als ein physikalisches Gemenge von Erdalkalioxiden oder als binäre oder ternäre Mischkristalle der Erdalkalimetalloxide verwendet. Bevorzugt ist ein ternäres Erdalkalimischkristalloxid aus Bariumoxid, Strontiumoxid und Calciumoxid oder ein binäres Gemisch aus Bariumoxid und Calciumoxid.
Das Erdalkalioxid kann eine Dotierung aus einem Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium, z. B. in einer Menge von 10 bis maximal 1000 ppm, enthalten. Die Ionen des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden besetzen Gitterplätze oder Zwischengitterplätze im Kristallgitter der Erdalkalimetalloxide. Bevorzugt wird Yttrium als Dotierung verwendet. Man erhält die dotierten Oxide durch Copräcipitation.
Andererseits können Oxidpartikel der Erdalkalioxide und Oxidpartikel der Oxide des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium auch separat hergestellt werden und als physikalisches Gemenge verwendet werden.
Der Partikel-Partikel-Verbundwerkstoff des elektronenemittierenden Materials enthält als zweite Komponente Metallpartikel 5, die das zweite Kathodenmetall enthalten.
Das Material für die zweite Komponente ist eine Legierung aus einem zweiten
Kathodenmetall ausgewählt aus der Gruppe Ni, Co, Ir, Re, Pd, Rh und Pt mit einem Aktivatormetall, ausgewählt aus der Gruppe Mg, Mn, Fe, Si, W, Mo, Cr, Ti, Hf, Zr, Al.
Für den Partikel-Partikel-Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung können bevorzugt Metallpartikel mit einer kugeligen oder ellipsoidalen Kornform verwendet werden. Der mittlere Korndurchmesser beträgt bevorzugt 0.2 bis 5 um. Es ist auch möglich, nadelförmige Metallpartikel mit einem maximalen Korndurchmesser von 10 bis 15 um zu verwenden. Derartige nadelförmige Partikel können durch geeignete Abscheideverfahren vertikal zu der Kathodenbasis ausgerichtet werden.
Für Partikel mit einem kleinen Korndurchmesser sind die langsam diffundierenden Aktivatormetalle wie Mo und W in einer Konzentration von 2 bis 10 Gew.- % in der Legierung besonders geeignet. Umgekehrt eignen sich für Partikel mit größerem Korndurchmesser die schneller diffundierenden Aktivatormetalle wie Zr und Mg.
Für die Deckschicht auf der Kathodenbasis können die ultrafeine Partikel, die Nickel oder ein anderes Kathodenmetall enthalten, durch ein Laserablationsverfahren aus den entsprechenden Targets hergestellt werden. Diese Targets enthalten Kathodennickel, das mit Aktivatoren wie Mg. Al, Ti, Zr, Si, Cr, Zr und Mg legiert sein kann. Beispielsweise können die ultrafeinen Partikel für die Deckschicht separat hergestellt werden und durch ein übliches Beschichtungsverfahren auf die Kathodenbasis aufgebracht werden. Es ist auch möglich, die ultrafeinen Partikel für die Deckschicht direkt durch Laserablation auf der Kathodenbasis abzuscheiden. Es ist außerdem möglich, nasschemische oder Sol-Gel-Präparationsmethoden zur Herstellung der ultrafeinen Partikel zu verwenden.
Zur Herstellung der Rohmasse für die Kathodenbeschichtung werden die Carbonate der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium miteinander gemahlen und gemischt. Typischerweise beträgt das Gewichtsverhältnis von Calciumcarbonat : Strontiumcarbonat : Bariumcarbonat : Zirkon gleich 25,2 : 31,5 : 40,3 : 3. oderl : 1.25 : 6 oder 1 : 12 : 22 oder 1 : 1.5 : 2.5 oder 1 : 4 : 6. Den Carbonaten werden ein oder mehrere Oxide des Scandiums, Yttriums und der Lanthanoiden Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium zugesetzt. Bevorzugt wird Y203 in einer Menge von 130ppm zugefügt.
Carbonate, Oxide und Metallpartikel werden zur Rohmasse gemischt. Der Rohmasse kann noch eine Bindemittelzubereitung zugesetzt werden. Die Bindemittelzubereitung kann als Lösungsmittel Wasser Ethanol Ethylnitrat, Ethylacetat, oder Diethylacetat enthalten.
Die Rohmasse für die Kathodenbeschichtung wird dann durch Pinseln, Tauchen, kataphoretische Abscheidung oder Sprühen auf die Kathodenbasis aufgebracht.
Die Dicke der Kathodenbeschichtung beträgt bevorzugt 30 bis 80 um.
Die beschichteten Oxidkathoden werden in die Kathodenstrahlröhre eingebaut.
Während des Evakuierens der Kathodenstrahlröhre werden die Kathoden formiert. Dazu werden sie auf eine Temperatur von 1000°C bis 1200°C erhitzt. Bei dieser Temperatur werden die Erdalkalicarbonate zu den Erdalkalioxiden unter Freisetzung von CO und CO2 umgesetzt und bilden dann einen porösen Sinterkörper. Nach diesem"Abbrennen"der Kathoden erfolgt die Aktivierung, die den Zweck hat, überschüssiges, in die Oxide eingelagertes, elementares Erdalkalimetall zu liefern. Das überschüssige Erdalkalimetall entsteht durch Reduktion von Erdalkalimetalloxid. Bei der eigentlichen Reduktionsaktivierung wird das Erdalkalioxid durch das freigesetzte CO oder Aktivatormetall reduziert. Hinzu kommt eine Stromaktivierung, die die Bildung des erforderliche freien Erdalkalimetall durch elektrolytische Vorgänge bei hohen Temperaturen erzeugt.
Das fertig formierte, elektronenemittierende Material kann bevorzugt 1 bis 5 Gew.-% Metallpartikel enthalten.
Ausfiihrungsbeispiel 1 Wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine Kathode fur eine Kathodenröhre gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine kappenförmige Kathodenbasis, die aus einer Legierung von Nickel mit 0.12 Gew.-% Mg, 0.06 Gew.-% Al und 2.0 Gew.-% W besteht, auf. Die Kathodenbasis befindet sich am oberen Ende eines zylindrischen Kathodenträgers (Muffe), in der die Heizung montiert ist.
Für die Deckschicht, die aus ultrafeinen Metallpartikel, die Nickel enthalten, besteht, wird die Kathodenbasis in die Ablationskammer einer Laserablationsanlage gebracht. Ein Excimer-Laserstrahl wird bei einem Druck von einigen mbar auf ein rotierendes zylindrisches Target aus Kathodennickel gerichtet, das eine geeignete Menge von Aktivatoren enthält, und ablatiert dies. Eine Plasmafackel mit ablatierten ultrafeinen Partikeln bildet sich über dem Target. Diese ablatierten ultrafeinen Partikel werden mittels eines Tragergasstroms aus Ar/H2 zu der Kathodenbasis transportiert und dort abgeschieden. Das Trägergas aus Ar/H2 verhindert eine Oxidation der Partikel während des Transportes. Andere Inertgase können dafür auch geeignet sein. Nach einer Abwandlung des Verfahrens beginnt man die Laserablation bei niedrigen Drücken um 1 o-2 mbar und niedrigem Tragergasdruck, wodurch zunächst eine feinkörnige kompakte Schicht aus Nickelpartikeln entsteht.
Anschließend erhöht man den Gasdruck und den Trägergasstrom, um eine Abscheidung von ultrafeinen Partikeln zu erreichen. Dadurch lässt sich ein kontinuierlicher Übergang von kompakten Schichten zu Schichten mit ultrafeinen Partikeln erzeugen.
Die Kathode weist auf der Oberseite der Kathodenbasis eine Kathodenbeschichtung auf. Um die Kathodenbeschichtung zu bilden, wird die Kathodenbasis zunächst gereinigt. Dann werden eine 2.0 Gew.-% Metallpartikel und 98 Gew.-% Pulver einer Ausgangsverbindung für die Oxidpartikel mit 130 ppm Yttriumoxid in einer Lösung aus Ethanol, Butylacetat und Nitrocellulose suspendiert.
Die Metallpartikel bestehen aus einer Legierung von Nickel mit 0.02 Gew.-% Al, 3.0 Gew.-% W und 6.0 Gew.-% Mo. Die Metallpartikel haben eine nadelige Kornform mit einer mittleren Nadellänge von 3 2 u. m. Das Pulver mit den Ausgangsverbindungen für die Oxidpartikel besteht aus Barium-Strontium-Carbonat mit 130 ppm Yttriumoxid. Diese Suspension wird auf die Kathodenbasis aufgesprüht.
Die Schicht wird bei einer Temperatur von 650 bis 1100°C formiert, um die Legierung und Diffusion zwischen dem Kathodenmetall der Metallbasis und den Metallpartikeln zu bewirken.
Die so gebildete Kathode hat eine Gleichstrombelastbarkeit von 4 A/cm2 bei einer Lebensdauer von 20 000 h und einen Röhreninnendruck von 2 * 10-9 bar.