CN1293588C - 用于电子管的金属阴极 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于电子管的间接加热式金属阴极，其包括由钼材料或钼基合金材料形成的套筒；配置在套筒上主要为铂或钯的金属发射体；以及在套筒和金属发射体之间、最好是一层薄涂层的缓冲层，在套筒表面形成的薄涂层防止了钼、即套筒的一种元素、在金属阴极操作过程中扩散进入发射体，从而也防止了操作时间增长时电子发射体性能的降低，这是由于操作中功函的增加不会发生。因此，这种阴极满足了大规模和高分辨力电子管的长期使用的需要。

Description

用于电子管的金属阴极

                       发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于电子管的一种金属阴极，更具体地说，是一种热电子发射金属阴极，它具有高的电子发射性能和改进了的使用期限，足以用作电子管诸如布劳恩显象管、电视摄象管、以及高频磁控电子管等。

2.有关技术的描述

作为普通用于电子管中的热电子发射阴极，广泛使用一种氧化物阴极。这种氧化物阴极包括一个在基底金属上通过转化三元或二元碳酸盐、优选(Ba、Sr、Ca)CO₃或(Ba、Sr)CO₃而得到的电子发射氧化物层，基底金属主要由Ni和少量还原剂诸如Mg和Si所组成。因为这样一种氧化物阴极具有低的功函，因此具有较低操作温度(700-800℃)的优点。然而，由于这种氧化物阴极的电子发射性能的限制，它很难提供超过1A/cm²的高电流密度。当电子发射密度增加时，它的原材料就会由于焦耳热产生的自身加热而挥发或熔融，于是阴极变坏，因为氧化物阴极是由半导体形成的，具有很大电阻。还有，由于长期使用，令在金属基底和氧化物层之间形成层间电阻层，它也缩短了这种阴极的使用期限。

此外，因为氧化物阴极是脆性的，并且对装置氧化物阴极的基底金属只有低的粘附强度，致使用阴极的阴极射线装置的使用期限降低。例如，当彩色阴极射线管的三个氧化物阴极中只要有一个破碎，整个昂贵的装置就失灵了。

这样，就想在阴极射线装置中应用一种没有上述缺点的高性能金属阴极，但只取得有限的成功。

图1显示一种金属阴极的普通结构。这种金属阴极特征为发射电子的发射体11，通过激光焊接或扩散连接，被连接在套筒12上。因为金属阴极在高达1100℃或更高的温度下操作，套筒12通常是由在高温下具有优良机械和化学性质的Mo形成的。这里，在金属阴极的操作过程中，套筒12的Mo组分扩散并移向发射体11的表面。当发射体11表面上Mo的量增加时，金属阴极的功函(2.2eV)即由于Mo的高功函值而不断增加。结果，阴极的电子发射性能和使用期限即降低。

为克服氧化物阴极和金属阴极的上述问题，提出了各种类型的金属阴极。例如，已知基于六硼化镧(LaB₆)的金属阴极比氧化物阴极具有更好的强度和更高的电子发射性能。六硼化物的单晶阴极可提供高达10A/cm²的高电流密度。然而，因为LaB₆阴极的使用期限很短，LaB₆阴极仅被用于其阴极单元可方便置换的某些真空电子装置中。LaB₆阴极的短的使用期限是由于它和加热体组份高的反应性导致的。例如，当LaB₆与加热体的W接触时，例如，即由于化学反应的结果而形成一种脆性的化合物。

美国专利No.4,137,476公开了一种阴极，它在LaB₆和加热体之间安置着不同材料的阻挡层，以消除上述反应的可能性。然而，按照这种方法，制造成本将大为增高，而阳极的使用期限却改进不大。

USSR专利No.970,159公开了一种通过向铂族主元素中加入碱土金属形成的金属阴极，通过它改进了热电子发射特性并增加了二次电子发射系数。

USSR专利No.1,365,948公开了一种金属阴极，它是把高熔点金属加到由铂族元素和碱土金属所组成的金属合金阴极中而形成的，它改进了电子发射性能、改进了在高温时的外形稳定性和可加工性并降低了成本。

在USSR专利No.1,975,520中，碱金属被加到由铂族元素和一种碱土金属所组成的金属合金中，以降低金属合金的操作温度并提高二次电子发射系数。

不过，所有上述专利均未公开一种能够克服上述金属阴极存在的问题的方法，即基底金属Mo扩散进入发射体的问题。

                       发明概述

为解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种金属阴极，其中套筒的Mo组份被防止扩散进入发射体从而抑制了功函的增加，于是这种金属阴极比起现存的氧化物阴极或金属阴极，具有更好的电子发射性能和更长的使用期限，可用于大规模和高分辨力的电子管。

按此，为达到本发明的上述目的，为电子管提供了一种间接加热的金属阴极，它包括一个由一种Mo材料或基于Mo的合金材料所形成的套筒；安置在套筒上的金属发射体，这种金属发射体含有Pt或Pd作为主要组份；以及在套筒和金属发射体之间形成的一层缓冲层。缓冲层优选薄的涂层。基于Mo的合金优选Mo-Re合金。上述金属发射体优选二元或多元体系合金，其中包含按重量计85至99.5％的Pt或Pd以及按重量计0.5至15％的Ba、Ca和Sr。

优选薄的涂层含有选自以下金属中的至少一种元素：W、Hf、Ir、Ru、Zr、Nb、V和Rh，更优选Hf或W。薄涂层的厚度为0.5-100微米，优选0.5-20微米，更优选3-10微米，最优选5米微。

此外，缓冲层的面积可以与金属发射体相同。

                       图形的简要描述

参照附图，通过一种优选的实施方案的详尽描述，本发明的上述目的和优点将变得更为明显，其中：

图1是金属阴极结构的部份剖视图；

图2是本发明金属阴极的示意性截面图；

图3是具有Hf涂层的金属阴极和没有Hf涂层的金属阴极的剩余发射电流对时间的曲线图。

                       发明详述

下面将详尽描述一种金属阴极和制造本发明这种金属阴极的方法。本发明涉及一种具有改进的电子发射性能和使用期限的金属阴极。其主要特点是在金属阴极装置中的套筒和金属发射体之间表成一层缓冲层，优选薄的涂层。最好是，这样的层中含有一种高熔点金属，它能防止Mo，即组成套筒的一种元素，扩散进入发射体。

在按照本发明的金属阴极装置中，金属发射体是由一种二元体系或多元体系的材料所形成的，该体系包括一种铂族元素诸如Pt和Pd以及一种碱土金属诸如Ba、Ca和Sr。最好是这种金属发射体包含按重量计1至10％的碱土金属。当碱土金属含量少于按重量计1％时，会发生使用期限变短和电子发射不足的问题，这是因为缺乏电子发射源(Ba、Ca或Sr)。当碱土金属含量按重量计超过10％时，会产生过量金属间化合物，它将使发射体的功函增加。

此外，因为本发明的基本概念是提供一种缓冲层，即通过在套筒表面上薄薄地涂布一种第三种元素、防止套筒中的Mo成份扩散进入发射体的扩散阻挡层；这种薄的涂布层元素应满足以下条件：

1.这种薄的涂布元素应该是一种高熔点金属元素，它能耐受金属阴极的高操作温度(1100℃或更高)。

2.这种薄的涂布元素在化学上不应该和Mo套筒或金属发射体发生反应。具体地说，这种薄涂层元素不应与发射体的主要元素Pt或Pd形成固体溶液。

3.薄涂层元素的热膨胀系数应该类似于Mo，以免在操作过程中套筒变形。

在高熔点金属元素中，Hf能满足所有上述条件。还有，W、Ir、Ru、Zr、Nb、V和Rh能改进金属阴极的耐久性，虽然它们不能满足所有上述条件。每种上述金属的熔点为1800°或更高，它们的热膨胀系数在4.5-7.3×10^-6K^-1范围内，与Mo的(4.8×10^-6K^-1)相类似。

最好是缓冲层的厚度为20微米或更小。当涂层变厚时，防护效率增加。然而当薄涂层的厚度超过20微米时，阴极的热效率即降低，并且与发射体的可焊性也降低。

下面将详尽描述本发明金属阴极的制造方法。

把Mo套筒12洗干净后用夹具架置在RF喷镀装置上。然后，套筒被薄薄地喷涂一种选自W、Hf、Ir、Ru、Zr、Nb、V和Rh的元素，以形成缓冲层14。除RF喷镀方法外，任何其它类型的薄层形成方法诸如热淀积、电子束淀积或DC淀积法都可用作涂布方法。

如上所述，薄涂层的厚度最好是20微米或更小。通过控制工艺参数诸如喷涂功率和淀积时间等，厚度可以容易地调节。

带有薄涂层的套筒在真空状态下或者在氢气氛中于1000-1300℃的温度下进行热处理。通过实施热处理涂层即可稳定地固定在套筒上。在喷镀的情况下，晶粒生长额外地大大增加了防止Mo组份扩散的效果。

通过合金制造工艺做成的发射体11通过激光焊接被连接在由上述工艺做成的套筒上。然后，用普通的阴极装置方法装配阴极的其余部份，从而建造成金属阴极装置。然后，用本发明的金属阴极通过制造典型的电子枪和电子管的工艺完成了布劳恩显象管的制造。

本发明将参照以下实施例进行更充分的说明，不过本发明不应被以下实施例所限制。

实施例1

首先，为制造金属发射体，把94克Pt和6克Ba放进电弧炉中。然后，把电弧炉抽真空，再把Ar气注入已抽真空的电弧炉中。下一步是把电弧炉加上电压，使Pt和Ba金属熔化，得到的锭料被重覆地置于上述熔融过程三次以改进合金的化学和微结构的均一性。最后，得到由按重量计94.2％的Pt和按重量计5.8％的Ba所组成的合金。把经过上述工艺得到的锭料用丝切法切割，从而完成金属发射体11的制造。

把Mo套筒12洗净后用夹具把它架置在RF喷镀装置上。通过RF喷镀在套筒表面薄薄地涂布厚度为5微米的Hf。把带有薄涂层的套筒12在氢气中于1300℃进行热处理20分钟。

在上述工艺之后把金属发射体11用激光焊接并结合在得到的套筒12上。带有结合着发射体的套筒连接到架座上，往架座中插入加热丝13，从而完成了金属阴极的制造。

实施例2

以与实施例1相同的方法制造一种金属阴极，不同之处是套筒表面薄薄地涂布了厚度为5微米的W。

实施例3

以与实施例1相同的方法制造一种金属阴极，不同之处是套筒表面薄薄地涂布了厚度为10微米的Hf。

实施例4

以与实施例1相同的方法制造一种金属阴极，不同之处是套筒表面薄薄地涂布了厚度为10微米的W。

实施例5

以与实施例1相同的方法制造一种金属阴极，不同之处是套筒表面薄薄地涂布了厚度为20微米的Hf。

实施例6

以与实施例1相同的方法制造了一种金属阴极，不同之处是套筒表面薄薄地涂布了厚度为30微米的Hf。

比较实施例

以与实施例1相同的方法制造了一种金属阴极，不同之处是套筒上没有涂布薄的涂层。

图3是用实施例1获得的金属阴极的剩余发射电流以及用供比较的实施例中获得的金属阴极的剩余发射电流对时间的曲线图。如图3所证实的那样，带有高熔点金属涂层的，它能防止Mo、即套筒的一种元素，扩散进入发射体中，功函的增加被压抑，从而使电子发射性能的退化得以减缓。结果，按照本发明方法制得的金属阴极的使用期限改进了15-20％。

按照本发明的金属阴极，一层缓冲层，最好是一种高熔点金属涂层形成在套筒和发射体界面之间，从而能防止Mo、即套筒的一种元素、在金属阴极的操作过程中扩散进入发射体中。这样，阴极的电子发射体性能和使用期限的降低可得到相当大的改善。

Claims (7)

1.一种用于电子管的间接加热式金属阴极，它包括：

由钼材料或基于钼的合金材料形成的套筒；

安置在套筒上的金属发射体，这种金属发射体含有Pt或Pd作为主要组份，并且所述金属发射体是一种二元或多组份体系的合金，其含有按重量计85至99.5％的铂或钯以及按重量计0.5至15％的钡、钙或锶；和

在套筒和金属发射体之间形成的一层缓冲层，并且所述缓冲层是薄的涂层，该薄涂层含有至少一种选自W、Zr、Nb和V的元素。

2.权利要求1的间接加热式金属阴极，其中基于钼的合金是钼-铼合金。

3.权利要求1的间接加热式金属阴极，其中薄涂层含有W。

4.权利要求1的间接加热式金属阴极，其中薄涂层的厚度为0.5-100微米。

5.权利要求1的间接加热式金属阴极，其中薄涂层的厚度为0.5-20微米。

6.权利要求1的间接加热式金属阴极，其中薄涂层的厚度为3-10微米。

7.权利要求1的间接加热式金属阴极，其中缓冲层的面积和金属发射体相同。