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EP1189253A1 - Kathodenstrahlröhre mit dotierter Oxidkathode - Google Patents

Kathodenstrahlröhre mit dotierter Oxidkathode Download PDF

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Publication number
EP1189253A1
EP1189253A1 EP01000459A EP01000459A EP1189253A1 EP 1189253 A1 EP1189253 A1 EP 1189253A1 EP 01000459 A EP01000459 A EP 01000459A EP 01000459 A EP01000459 A EP 01000459A EP 1189253 A1 EP1189253 A1 EP 1189253A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
oxide
ray tube
electron
oxides
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP01000459A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1189253B1 (de
Inventor
Georg c/o Philips Corp.Int.Prop. GmbH Gärtner
Detlef c/o Philips Corp.Int.Prop. GmbH Raasch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philips Corporate Intellectual Property GmbH, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Publication of EP1189253A1 publication Critical patent/EP1189253A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1189253B1 publication Critical patent/EP1189253B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/02—Electrodes; Screens; Mounting, supporting, spacing or insulating thereof
    • H01J29/04—Cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/13—Solid thermionic cathodes
    • H01J1/14—Solid thermionic cathodes characterised by the material
    • H01J1/142—Solid thermionic cathodes characterised by the material with alkaline-earth metal oxides, or such oxides used in conjunction with reducing agents, as an emissive material

Definitions

  • the invention relates to a cathode ray tube equipped with at least one oxide cathode, which a cathode support with a cathode base made of a cathode metal and a cathode coating of an electron-emissive material, the one Alkaline earth oxide selected from the group of oxides of calcium, strontium and Contains barium and rare earth metal.
  • the function group of electron beam generation includes an electron-emitting one Cathode that generates the electron current in the cathode ray tube and that of a control grid, e.g. B. a Wehnelt cylinder with a perforated panel on the front, is surrounded.
  • An electron emitting cathode for a cathode ray tube is usually one punctiform heatable oxide cathode with an electron-emitting, oxide-containing Cathode coating. If the oxide cathode is heated, electrons are removed from the emitting coating evaporated into the surrounding vacuum. If you stretch it Wehnelt cylinder in front of the cathode, so the amount of emerging Control electrons and thus the beam current of the cathode ray tube.
  • the amount of electrons that can be emitted from the cathode coating depends on the work function of the electron emitting material.
  • Nickel which is usually used as the cathode base, itself has a relatively high level Work function. Therefore, the metal of the cathode base is usually still with one Material coated, the main task of which is the electron-emitting properties to improve the cathode base.
  • Characteristic of the electron-emitting Coating materials from oxide cathodes in cathode ray tubes is that they are a Alkaline earth metal contained in the form of alkaline earth metal oxide.
  • a correspondingly shaped sheet is made from a Nickel alloy, for example, with the carbonates of the alkaline earth metals in a binder preparation coated.
  • the carbonates in the oxides at temperatures of about 1000 ° C. converted.
  • This burning of the cathode it already delivers a noticeable one Emission current, which, however, is not yet stable.
  • An activation process follows. This activation process turns the originally non-conductive ion lattice of the alkaline earth oxides transformed into an electronic semiconductor by donor-type impurities be built into the crystal lattice of the oxides.
  • the defects mainly exist from elemental alkaline earth metal, e.g.
  • the Electron emission from the oxide cathodes is based on the impurity mechanism.
  • the activation process has the purpose of a sufficient amount of excess, elementary To create alkaline earth metal, through which the oxides in the electron-emitting coating deliver the maximum emission current at a prescribed heating output can. The reduction of. Makes a significant contribution to the activation process Barium oxide to elemental barium through alloying components ("activators") of the Nickels from the cathode base.
  • the cathode coating namely, continually loses alkaline earth metal during the life of the cathode. Part slowly evaporates the cathode material overall because of the high temperature at the Cathode, in part it is sputtered by the ion current in the cathode ray tube.
  • the elemental alkaline earth metal is first produced by reducing the alkaline earth oxide supplied again and again on the cathode metal or activator metal.
  • the subsequent delivery comes to a standstill, however, if there is between the base of the emitting oxide over time a thin but high-resistance interface from alkaline earth silicate or alkaline earth aluminate.
  • the lifespan is also affected influences that the supply of activator metal is in the nickel alloy of the cathode base exhausted over time.
  • An oxide cathode is known from EP 0 482 704 A, the carrier of which consists essentially of Nickel consists and coated with a layer of an electron-emitting material which comprises alkaline earth metal oxides, barium and a rare earth metal, the Number of rare earth metal atoms in the electron emitting material based on the Number of alkaline earth metal atoms is 10 to 500 ppm and the rare earth metal atoms in substantially evenly over the top of the electron emissive layer Material are distributed.
  • a cathode ray tube equipped with at least one oxide cathode, which comprises a cathode support with a cathode base made of a cathode metal and a cathode coating made of an electron-emitting material with oxide particles, the oxide particles being an alkaline earth oxide selected from the group of the oxides of calcium, Strontiums and bariums, which are doped with an oxide in an amount of 120 to a maximum of 500 ppm from an oxide selected from the oxides of scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium , Thuliums, Ytterbiums and Lutetiums is contained, and the electron-emitting material has an electrical conductivity of 3 * 10 -3 ⁇ -1 cm -1 to 12.5 *
  • the invention is based on the basic idea that the life of the oxide cathode is extended in a cathode ray tube with an oxide cathode if the electrical conductivity of the cathode coating is adapted to the operating point of the mean electrical direct current load on the cathode.
  • a cathode ray tube with such an oxide cathode has a uniform beam current over a long period of time because the controlled conductivity of the cathode coating prevents both overheating and excessive cooling of the oxide cathode during operation of the cathode ray tube.
  • the working temperature in the oxide cathode is therefore optimal.
  • the reaction rate for elemental barium formation is also optimal.
  • the continuous barium stirring causes the electron emission to be exhausted, as known from conventional oxide cathodes avoided. It can realized significantly higher beam current density without endangering the cathode life become. This can also be exploited to generate the necessary electron beam currents to pull from smaller cathode areas.
  • the spot size of the cathode spot is crucial for the quality of the beam focusing on the screen. The focus over the entire screen is raised. Since the cathodes also age more slowly, Image brightness and sharpness at a high level over the entire life of the tube be kept stable. Resolution and brightness of the CRT are improved respectively Operating temperature of the cathode can be kept lower with the same brightness and resolution.
  • the amount of oxide doping Is 240 ppm.
  • the oxide doping consists of Y 2 O 3 .
  • the oxide doping is a sesquioxide selected from the Sequoxides of lanthanum, neodymium, samarium, cer, praseodymium, gadoliniums, Contains terbiums, dysprosiums and holmiums.
  • the oxide doping is a sesquioxide selected from the Contains sesquioxides of lanthanum, cerium, praseodymium and neodymium.
  • This type of cathode is insensitivity to poisoning, especially to poisoning by Oxygen to highlight. It has a uniform emission and can be reproduced produce.
  • the invention also relates to an oxide cathode which comprises a cathode support with a cathode base made of a cathode metal and a cathode coating made of an electron-emitting material with oxide particles, the oxide particles being an alkaline earth metal oxide selected from the group of the oxides of calcium, strontium and barium, which has an oxide doping in an amount of 120 to a maximum of 500 ppm from an oxide selected from the oxides of scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium , and the electron-emitting material has an electrical conductivity of 3 * 10 -3 ⁇ -1 cm -1 to 12.5 * 10 -3 ⁇ -1 cm -1 .
  • a cathode ray tube is equipped with an electron gun, which usually contains an arrangement of one or more oxide cathodes.
  • An oxide cathode according to the invention comprises a cathode support with a cathode base and a cathode coating.
  • the cathode support contains the heater and the Basis for the cathode body.
  • cathode carriers they can be from the prior art known constructions and materials are used.
  • the oxide cathode consists of a cathode support, i.e. from a cylindrical tube 3 into which the heating wire 4th is used, with a cap 2, which forms the cathode base and a cathode coating 1, which represents the actual cathode body.
  • the material of the cathode base is usually a nickel alloy.
  • the nickel alloy can, for example, be made of nickel with an alloy portion from a reducing acting activator element, selected from the group silicon, magnesium, aluminum, Tungsten, molybdenum, manganese and carbon exist.
  • the cathode coating contains doped oxide particles.
  • the main component of the electron emitting material is an alkaline earth oxide, preferably barium oxide, together with calcium oxide and / or strontium oxide. They are considered a physical batch of Alkaline earth oxides or used as binary or ternary mixed crystals of the alkaline earth metal oxides. A ternary alkaline earth mixed crystal oxide of barium oxide, strontium oxide is preferred and calcium oxide or a binary mixture of barium oxide and calcium oxide.
  • the alkaline earth oxide contains a doping from an oxide selected from the Oxides of scandium, yttrium, lanthanum, cer, praseodymium, neodymium, samarium, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums, Ytterbiums and Lutetiums in an amount of 120 to a maximum of 500 ppm.
  • the ions of the mentioned rare earths occupy lattice sites or interstitial sites in the crystal lattice the alkaline earth metal oxides.
  • the doping of barium oxide with trivalent ions is preferably selected from the Group of lanthanum (III), neodymium (III) and samarium (III) ions because of their ionic radii of> 93 pm are comparable to those of the divalent barium of 135 pm. These trivalent ions can occupy the lattice sites of the barium and the doping of the barium oxide lattice takes place without major lattice deformations.
  • Characteristic of the electron-emitting coating of the oxide cathode according to the invention is its electrical conductivity, which in the temperature range which corresponds to the usual conditions in a cathode ray tube, between 3 * 10 -3 ⁇ -1 cm -1 to 12.5 * 10 -3 ⁇ -1 cm - 1 lies. Controlled conductivity of the cathode avoids overheating or underheating that reduces life.
  • the carbonates are used to produce the raw material for the cathode coating Alkaline earth metals calcium, strontium and barium ground and with each other and with a starting compound for the oxide of the rare earth metals scandium yttrium, Lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, Dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium in the desired Mixed weight ratio.
  • Preferred starting compounds for the oxides the rare earth metals are the rare earth metal nitrates or rare earth metal hydroxides.
  • the weight ratio of calcium carbonate: strontium carbonate is typically: Barium carbonate equal to 1: 1.25: 6 or 1:12:22 or 1: 1.5: 2.5 or 1: 4: 6
  • the raw mass can still be mixed with a binder preparation.
  • the binder preparation can be used as solvent water, ethanol, ethyl nitrate, ethyl acetate or Contain diethyl acetate.
  • the raw material for the cathode coating is then applied to the support by brushing, dipping, cataphoretic deposition or spraying.
  • the coated cathode is installed in the cathode ray tube.
  • the cathode is formed while the cathode ray tube is being evacuated.
  • the alkaline earth carbonates are converted to the alkaline earth oxides with the release of CO and CO 2 and then form a porous sintered body. What is essential in this conversion process is the crystallographic change due to mixed crystal formation, which is a prerequisite for a good oxide cathode.
  • the activation takes place, the purpose of which is to supply excess elemental alkaline earth metal embedded in the oxides.
  • the excess alkaline earth metal arises from the reduction of alkaline earth metal oxide.
  • the alkaline earth oxide is reduced by the released CO or activator metal from the cathode base.
  • a cathode for a cathode tube As shown in FIG. 1, a cathode for a cathode tube according to a first embodiment the invention a cap-shaped cathode base, which is made of an alloy of nickel with 0.03% by weight of Mg, 0.02% by weight of Al and 1.0% by weight of W.
  • the cathode base is located at the upper end of a cylindrical cathode support (sleeve), in which the heater is mounted.
  • the cathode has a cathode coating on the top of the cathode base.
  • the cathode base is first cleaned. Then powders are made from starting compounds for the oxides in a solution Ethanol, butyl acetate and nitrocellulose suspended.
  • the powder with the starting compounds for the oxides consists, for example, of Barium strontium carbonate in a weight ratio of 1: 1.25: 6 with 240 ppm yttrium oxide.
  • This suspension is sprayed onto the cathode base.
  • the layer is at one Temperature of 10000 ° C is formed to allow the alloy and diffusion between the To effect cathode metal of the metal base and the metal particles.
  • the oxide cathode formed in this way has a conductivity of 6 * 10 -3 ⁇ -1 cm -1 , a DC current carrying capacity of 3.5 A / cm 2 with a service life of 20,000 h and an internal tube pressure of 2 * 10 -9 bar.

Landscapes

  • Solid Thermionic Cathode (AREA)
  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)

Abstract

Kathodenstrahlröhre, ausgerüstet mit mindestens einer Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem Kathodenmetall und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material mit Oxidpartikeln umfasst, wobei die Oxidpartikel ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, das mit einer Oxiddotierung in einer Menge von 120 bis maximal 500 ppm aus einem Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums, Lanthans, Cers, Praseodyms, Neodyms, Samariums, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums, Ytterbiums und Lutetiums dotiert ist, enthält und das elektronenemittierende Material eine elektrische Leitfähigkeit von 3 * 10<-3>Ω<-1>cm<-1> bis 12.5 * 10<-3>Ω<-1>cm<-1> hat. Die Erfindung betrifft auch eine Oxidkathode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlröhre, ausgerüstet mit mindestens einer Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem Kathodenmetall und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums und Seltenerdmetall enthält, umfasst.
Eine Kathodenstrahlröhre besteht aus 4 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 elektronenemittierenden 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 die Oxidkathode aufgeheizt, werden Elektronen aus der emittierenden Beschichtung in das umgebende Vakuum ausgedampft. Spannt man den Wehnelt-Zylinder gegenüber der Kathode vor, so lässt sich die Menge der austretenden Elektronen und damit der Strahlstrom der Kathodenstrahlröhre steuern.
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 in Kathodenstrahlröhren 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 diesen Aktivierungsprozess wird das ursprünglich nichtleitende Ionengitter der Erdalkalioxide 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, elementarem 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 wegen der hohen Temperatur an der Kathode, teils wird es durch den Ionenstrom in der Kathodenstrahlröhre abgesputtert.
Allerdings wird zunächst das elementare Erdalkalimetall durch Reduktion des Erdalkalioxids am Kathodenmetall bzw. Aktivatormetall immer wieder nachgeliefert. Die Nachlieferung kommt jedoch zum Stillstand, wenn sich zwischen der Karhodenbasis und dem emittierenden Oxid mit der Zeit eine dünne, aber hochohmige Trennschicht (interface) aus Erdalkalisilikat oder Erdalkalialuminat bildet. Die Lebensdauer wird auch dadurch beeinflusst, dass sich der Vorrat an Aktivatormetall in der Nickellegierung der Kathodenbasis mit der Zeit erschöpft.
Aus EP 0 482 704 A ist eine Oxidkathode bekannt, deren Träger im wesentlichen aus Nickel besteht und mit einer Schicht aus einem elektronenemittierenden Material beschichtet ist, das Erdalkalimetalloxide, Barium und ein Seltenerdmetall umfasst, wobei die Zahl der Seltenerdmetallatome in dem elektronenemittierenden Material bezogen auf die Zahl der Erdalkalimetallatome 10 bis 500 ppm beträgt und die Seltenerdmetallatome im wesentlichen gleichmäßig über den oberen Teil der Schicht aus einem elektronenemittierenden Material verteilt sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Kathodenstrahlröhre zur Verfügung zu stellen, deren Strahlstrom gleichmäßig ist, über lange Zeit konstant bleibt und reproduzierbar herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Kathodenstrahlröhre, ausgerüstet mit mindestens einer Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem Kathodenmetall und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material mit Oxidpartikeln umfasst, wobei die Oxidpartikel ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, das mit einer Oxiddotierung in einer Menge von 120 bis maximal 500 ppm aus einem Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums, Lanthans, Cers, Praseodyms, Neodyms, Samariums, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums, Ytterbiums und Lutetiums dotiert ist, enthalten und das elektronenemittierende Material eine elektrische Leitfähigkeit von 3 * 10-3Ω-1cm-1 bis 12.5 * 10-3Ω-1cm-1hat.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass in einer Kathodenstrahlröhre mit einer Oxidkathode die Lebensdauer der Oxidkathode verlängert wird, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Kathodenbeschichtung an den Arbeitspunkt der mittleren elektrischen Gleichstrombelastung der Kathode angepasst wird.
Eine Kathodenstrahlröhre mit einer derartigen Oxidkathode hat über einen langen Zeitraum hin einen gleichmäßigen Strahlstrom, weil durch die kontrollierte Leitfähigkeit der Kathodenbeschichtung sowohl eine Überhitzung als auch eine zu starke Abkühlung der Oxidkathode während des Betriebs der Kathodenstrahlröhre vermieden wird. Die Arbeitstemperatur in der Oxidkathode ist dadurch optimal. Als Ergebnis ist auch die Reaktionsrate für die Bildung von elementarem Barium optimal.
Durch die kontinuierliche Barium-Nachrührung wird eine Erschöpfung der Elektronenemission, wie man die von herkömmlichen Oxidkathoden kennt, vermieden. Es können ohne Gefährdung der Kathodenlebensdauer wesentlich höhere Strahlstromdichte 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 langsamer altern, können Bildhelligkeit und Bildschärfe auf hohem Niveau über die gesamte Lebensdauer der Röhre stabil gehalten werden. Auflösung und Helligkeit der CRT sind verbessert bzw. die Betriebstemperatur der Kathode kann niedriger gehalten werden bei gleicher Helligkeit und Auflösung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Menge der Oxiddotierung 240 ppm beträgt.
Besonders vorteilhafte Wirkungen werden durch die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik erreicht, wenn die Oxiddotierung aus Y2O3 besteht. Dadurch wird die Barium-Emission örtlich und zeitlich uniformer. Man erhält Oxidkathoden mit höherer Gleichstrombelastbarkeit und Lebensdauer.
Es kann auch bevorzugt sein, dass die Oxiddotierung ein Sesquioxid ausgewählt aus den Sequioxiden des Lanthans, Neodyms, Samarium, Cers, Praseodyms, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums und Holmiums enthält.
Besonders bewrzugt ist es, dass die Oxiddotierung ein Sesquioxid ausgewählt aus den Sesquioxiden des Lanthans, Cers, Praseodyms und Neodyms enthält. Bei diesem Kathodentyp ist die Unempfindlichkeit gegen Vergiftung, insbesondere gegen Vergiftung durch Sauerstoff, hervorzuheben. Sie hat eine gleichmäßige Emission und lässt sich reproduzierbar herstellen.
Die Erfindung betrifft auch eine Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem Kathodenmetall und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material mit Oxidpartikeln umfasst, wobei die Oxidpartikel ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, das mit einer Oxiddotierung in einer Menge von 120 bis maximal 500 ppm aus einem Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums, Lanthans, Cers, Praseodyms, Neodyms, Samariums, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums, Ytterbiums und Lutetiums dotiert ist, enthalten und das elektronenemittierende Material eine elektrische Leitfähigkeit von 3* 10-3Ω-1cm-1 bis 12.5 * 10-3Ω-1cm-1hat.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Figur und eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert.
Fig. 1
zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Kathode nach der Erfindung.
Eine Kathodenstrahlröhre ist mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem ausgestattet, das üblicherweise eine Anordnung aus einer oder mehreren Oxidkathoden enthält.
Eine Oxidkathode nach der Erfindung umfasst einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis und eine Kathodenbeschichtung. Der Kathodenträger enthält die Heizung und die Basis für den Kathodenkörper. Als Kathodenträger 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 einem Kathodenträger, d.h. aus einem zylindrischen Röhrchen 3, in das der Heizdraht 4 eingesetzt ist, mit einer Kappe 2, die die Kathodenbasis bildet und aus einer Kathodenbeschichtung 1, die den eigentlichen Kathodenkörper darstellt.
Das Material der Kathodenbasis ist üblicherweise eine Nickellegierung Die Nickellegierung kann beispielsweise aus Nickel mit einem Legierungsanteil aus einem reduzierend wirkenden Aktivatorelement, ausgewählt aus der Gruppe Silicium, Magnesium, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Mangan und Kohlenstoff bestehen.
Der Kathodenbeschichtung enthält dotierte Oxidpartikel. Der Hauptbestandteil des elektronenemittierenden Materials ist ein Erdalkalioxid, bevorzugt Bariumoxid, zusammen mit Calciumoxid oder/und Strontiumoxid. Sie werden als ein physikalisches Gemenge von Erdalkalioxiden oder als binäre oder ternäre Mischkristalle der Erdalkalimetalloxide angewandt. Bevorzugt ist ein ternäres Erdalkalimischkristalloxid aus Bariumoxid, Strontiumoxid und Calciurnoxid oder ein binäres Gemisch aus Bariumoxid und Calciumoxid.
Weiterhin enthält das Erdalkalioxid eine Dotierung aus einem Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums, Lanthans, Cers, Praseodyms, Neodyms, Samariums, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums, Ytterbiums und Lutetiums in einer Menge von 120 bis maximal 500 ppm. Die Ionen der genannten Seltenerdmetalle besetzen Gitterplatze oder Zwischengitterplätze im Kristallgitter der Erdalkalimetalloxide.
Bevorzugt ist die Dotierung von Bariumoxid mit dreiwertigen Ionen ausgewählt aus der Gruppe der Lanthan(III)-, Neodym(III)- und Samarium(III)-Ionen, weil deren Ionenradien von > 93 pm mit denen des zweiwertigen Barium von 135 pm vergleichbar sind. Diese dreiwertigen Ionen können die Gitterplatze des Bariums besetzen und die Dotierung des Bariumoxidgitters erfolgt ohne größere Gitterdeformationen.
Charakteristisch für die elektronenemittierende Beschichtung der erfindungsgemäßen Oxidkathode ist ihre elektrische Leitfähigkeit, die in dem Temperaturbereich, der den üblichen Bedingungen in einer Kathodenstrahlröhre entspricht, zwischen 3* 10-3Ω-1cm-1 bis 12.5* 10-3Ω-1cm-1liegt. Durch die kontrollierte Leitfähigkeit der Kathode wird eine lebensdauermindemde Überheizung bzw. Unterheizung vermieden.
Zur Herstellung der Rohmasse für die Kathodenbeschichtung werden die Carbonate der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium gemahlen und miteinander und mit einer Ausgangsverbindung für das Oxid der Seltenen Erdmetalle Scandium Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium im gewünschten Gewichtsverhältnis gemischt. Bevorzugt werden als Ausgangsverbindungen für die Oxide der Seltenerdmetalle die Seltenerdmetallnitrate oder Seltenerdmetallhydroxide.
Typischerweise beträgt das Gewichtsverhältnis von Calciurncarbonat: Strontiumcarbonat: Bariumcarbonat gleich 1:1.25:6 oder 1:12:22 oder 1:1.5:2.5 oder 1:4:6
Die Rohmasse kann noch mit einer Bindemittelzubereitung gemischt 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 den Träger aufgebracht. Die beschichtete Kathode wird in die Kathodenstrahlröhre eingebaut. Während des Evakuierens der Kathodenstrahlröhre wird die Kathode formiert. Durch Erhitzen auf etwa 650 bis 1100°C werden die Erdalkalicarbonate zu den Erdalkalioxiden unter Freisetzung von CO und CO2 umgesetzt und bilden dann einen porösen Sinterkörper. Wesentlich bei diesem Umwandlungsprozess ist die kristallographische Veränderung durch Mischkristallbildung, die Voraussetzung für eine gute Oxidkathode ist. Nach diesem "Abbrennen" der Kathode 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 aus der Kathodenbasis reduziert. Hinzu kommt eine Stromaktivierung, die das erforderliche freien Erdalkalimetall durch elektrolytische Vorgänge bei hohen Temperaturen erzeugt.
Ausführungsbeispiel 1
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine Kathode für eine Kathodenröhre gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine kappenförmige Kathodenbasis, die aus einer Legierung von Nickel mit 0.03 Gew.-% Mg 0.02 Gew.-% Al und 1.0 Gew.-% W besteht, auf. Die Kathodenbasis befindet sich am oberen Ende eines zylindrischen Kathodenträgers (Muffe), in der die Heizung montiert ist.
Die Kathode weist auf der Oberseite der Kathodenbasis eine Kathodenbeschichtung auf. Um die Kathodenbeschichtung zu bilden, wird die Kathodenbasis zunächst gereinigt. Dann werden Pulver von Ausgangsverbindungen für die Oxide in einer Lösung aus Ethanol, Butylacetat und Nitrocellulose suspendiert.
Das Pulver mit den Ausgangsverbindungen für die Oxide besteht beispielsweise aus Barium-Strontium-Carbonat im Gewichtsverhältnis 1:1.25: 6 mit 240 ppm Yttriumoxid.
Diese Suspension wird auf die Kathodenbasis aufgesprüht. Die Schicht wird bei einer Temperatur von 10000°C formiert, um die Legierung und Diffusion zwischen dem Kathodenmetall der Metallbasis und den Metallpartikeln zu bewirken.
Die so gebildete Oxidkathode hat eine Leitfähigkeit von 6*10-3Ω-1cm-1, eine Gleichstrombelastbarkeit von 3.5 A/cm2 bei einer Lebensdauer von 20 000 h und einem Röhreninnendruck von 2 * 10-9 bar.

Claims (6)

  1. Kathodenstrahlröhre, ausgerüstet mit mindestens einer Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem Kathodenmetall und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material mit Oxidpartikeln umfasst, wobei die Oxidpartikel ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontium und Bariums, das mit einer Oxiddotierung in einer Menge von 120 bis maximal 500 ppm aus einem Oxid, ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums, Lanthans, Cers, Praseodyms, Neodyms, Samariums, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums, Ytterbiums und Lutetiums, dotiert ist, enthalten und das elektronenemittierende Material eine elektrische Leitfähigkeit von 3 * 10-3Ω-1cm-1 bis 12.5 * 10-3Ω-1cm-1hat.
  2. Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet dass die Menge der Oxiddotierung 240 ppm beträgt.
  3. Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oxiddotierung aus Y2O3 besteht.
  4. Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oxiddotierung ein Sesquioxid ausgewählt aus den Sequioxiden des Lanthans, Neodyms, Samarium, Cers, Praseodyms, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums und Holmiums enthält.
  5. Kathodenstrahlröhre gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oxiddotierung ein Sesquioxid ausgewählt aus den Sesquioxiden des Lanthans, Cers, Praseodyms und Neodyms enthält.
  6. Oxidkathode, die einen Kathodenträger mit einer Kathodenbasis aus einem Kathodenmetall und eine Kathodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material mit Oxidpartikeln umfasst, wobei die Oxidpartikel ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe der Oxide des Calciums, Strontiums und Bariums, das mit einer Oxiddotierung in einer Menge von 120 bis maximal 500 ppm aus einem Oxid ausgewählt aus den Oxiden des Scandiums, Yttriums, Lanthans, Cers, Praseodyms, Neodyms, Samariums, Europiums, Gadoliniums, Terbiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums, Ytterbiums und Lutetiums dotiert ist, enthalten und das elektronenemittierende Material eine elektrische Leitfähigkeit von 3 * 10-3Ω-1cm-1 bis 12.5 * 10-3Ω-1cm-1hat.
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