<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
Werkwijze voor het vervaardigen van een naleveringskathode.
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een naleveringskathode waarbij een poeder van een hoog-smeltend metaal en een scandium houdend poeder met elkaar worden gemengd en tot een kathodelichaam worden geperst, waarbij het kathodelichaam tevens wordt voorzien van een barium houdende component.
Een dergelijke werkwijze is bekend uit een Europese octrooiaanvrage die onder nummer 298. voor het publiek ter inzage is gelegd. Bij de bekende werkwijze worden een hoog-smeltend metaal in de vorm van wolfraampoeder en een scandiumhoudend poeder, bestaande uit zuiver scandium of scandiumhydride, met elkaar gemengd in een verhouding van 95 het poedermengsel wordt samengeperst en gesinterd tot een kathodelichaam van overwegend poreus wolfraam waarin het scandium is verdeeld. Het kathodelichaam wordt verder voorzien van een barium houdende component door het kathodelichaam bij verhoogde temperatuur te impregneren met gesmolten barium-calcium-aluminaat.
Een dergelijke kathode wordt gewoonlijk aangeduid als mixed-matrix scandaatkathode en omvat een poreuze matrix van overwegend het hoog-smeltend metaal waarin geoxydeerd scandium (scandaat) is verdeeld, waarbij de barium houdende component, gewoonlijk in een geoxydeerde vorm, zieh in de porien van de matrix bevindt.
De geoxydeerde toestanden van scandium en van barium zullen navolgend worden aangeduid als respectievelijk scandiumoxyde en bariumoxyde zonder overigens daarbij bij uitsluiting te duiden op zuiver stoichiometrische verbindingen tenzij zulks uitdrukkelijk is vermeld. Zo kunnen de geoxydeerde toestanden bijvoorbeeld tussenvormen van stoichiometrische oxyden bevatten, zogenaamde mengoxyden
<Desc/Clms Page number 2>
De barium houdende component zorgt ervoor dat aan het emitterende oppervlak van de kathode een mono-atomaire laag wordt gevormd die barium bevat. Het bariumoxyde is daarbij door het matrixmetaal tot barium gereduceerd. Als gevolg van de mono-atomaire toplaag wordt de uittreepotentiaal van vrije elektronen in de matrix voldoende verlaagd om elektronenemissie mogelijk te maken.
Omdat de mono-atomaire toplaag als gevolg van de onvermijdelijke verdamping van barium continu barium verliest, dient echter wel voortdurend barium te worden nageleverd om de laag in stand te houden, hetgeen de naam van een dergelijk kathode verklaart. In deze nalevering wordt voorzien doordat tijdens bedrijf al dan niet gereduceerd bariumoxyde vanuit de poriën naar het emitterende oppervlak diffundeert om daar de mono-atomaire laag aan te vullen.
In een mixed-matrix scandaatkathode wordt de uittreepotentiaal van de elektronen verder verlaagd doordat in de mono-atomaire toplaag behalve barium ook scandium aanwezig is. Een dergelijke kathode heeft daardoor een uitermate hoog rendement, waardoor reeds bij relatief lage temperaturen een betrekkelijk sterke elektronenemissie kan worden gerealiseerd. Zo kan met een kathode van de in de aanhef genoemde soort reeds bij een stooktemperatuur van circa 1000 C een elektronenemissie van ruim 100 A/cm worden gerealiseerd, hetgeen overeenkomt met een rendement dat meer dan een factor 10 hoger is dan van een naleveringskathode waarin geen scandaat aanwezig is.
Een kathode van de in de aanhef genoemde soort is daardoor uitermate geschikt voor toepassing in een elektronenvacuümbuis, in het bijzonder in een beeldbuis waarbij met behulp van een door de kathode opgewekte elektronenbundel een beeld op een beeldscherm wordt afgebeeld of een opneembuis waarbij met behulp van een door de kathode opgewekte elektronenbundel beeldinformatie van een trefplaat wordt uitgelezen.
Een probleem dat zich bij een dergelijke toepassing voordoet is dat, door de onvermijdelijke aanwezigheid van een geringe hoeveelheid restgassen in de
EMI2.1
vacuumbuis, gasmoleculen door de elektronenbundel of anderszins worden geioniseerd, waarbij positieve ionen door de heersende elektrische velden vervolgens naar het emitterende oppervlak van de kathode worden versneld. Daar treffen ze de kwetsbare mono-atomaire toplaag, die als gevolg daarvan op den duur zal verdwijnen als niet voortdurend behalve barium ook scandium aan de laag wordt nageleverd.
Met de uitvinding wordt onder meer beoogd te voorzien in een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort waarmee een naleveringskathode kan worden
<Desc/Clms Page number 3>
vervaardigd met een verbeterd herstel na ionenbombardement en daarmee een verhoogde levensduur.
Daartoe heeft een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding als kenmerk dat voor het hoog-smeltend metaal wordt uitgegaan van een poeder van korrels met een gemiddelde korrelgrootte kleiner dan 1 m en dat voor het scandium houdende materiaal wordt uitgegaan van een poeder van korrels met een gemiddelde korrelgrootte kleiner dan 10 m.
De uitvinding berust daarbij op het inzicht dat met name de nalevering van scandium in de praktijk ernstige beperkingen aan de levensduur van de monoatomaire laag stelt, en daarmee aan de kathode als geheel, omdat scandiumoxyde in het kathodelichaam bij gangbare bedrijfstemperaturen een aanmerkelijk lagere mobiliteit heeft dan bariumoxyde.
De uitvinding berust daarbij verder op het inzicht dat de nalevering van scandium sterker is naarmate de afstand die het scandiumoxyde gemiddeld moet afleggen om vanuit de porien van het kathodelichaam over het gehele oppervlak uit te diffunderen, navolgend kortweg aangeduid als diffusieafstand, kleiner is en dat de diffusieafstand toeneemt met een toenemende korrelgrootte van het hoog-smeltende metaal in het uitgangspoeder. Naarmate die korrelgrootte en daarmee de diffusieafstand van het scandiumoxyde kleiner is, zal het scandium sneller aan de mono-atomaire laag worden nageleverd.
Indien wordt uitgegaan van een poeder van het hoog-smeltende metaal waarvan de korrels gemiddeld kleiner dan 1 m zijn, wordt de diffusieafstand een factor
10-100 verkleind ten opzichte van conventionele kathodes. Verder zal de genoemde diffusieafstand gemiddeld kleiner zijn naarmate het scandiumoxyde fijner over het kathodelichaam is verdeeld. Een voldoende homogene verdeling van het scandiumoxyde over het kathodelichaam kan worden bereikt door uit te gaan van een scandium houdend poeder waarvan de korrels gemiddeld kleiner zijn dan 10 m. Door deze maatregelen volgens de uitvinding blijkt een voldoende snelle nalevering van scandiumoxyde te kunnen worden bereikt.
Voor wat betreft het hoog-smeltende metaal wordt volgens de uitvinding bij voorkeur uitgegaan van een poeder van korrels met een gemiddelde grootte liggend tussen 0, 2 en 0,7 cm. Daarbij zorgt de bovengrens voor een voldoende sterke nalevering van scandium in de uiteindelijke kathode terwijl de ondergrens een voldoende
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
hoge porositeit van het kathodelichaam waarborgt. In een bijzondere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt daarbij voor het poeder van het hoogsmeltende metaal een metaal toegepast uit een groep van molybdeen, rhenium en wolfraam.
Overigens heeft een verdere uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding, waarbij de barium houdende component aan het kathodelichaam wordt toegevoegd door middel van impregneren met een gesmolten barium-ca1cium-aluminaat, als kenmerk dat voor het scandium houdende materiaal wordt uitgegaan van een scandiumoxydepoeder met een gemiddelde korrelgrootte van minimaal circa 1 m. In de praktijk is gebleken dat het scandiumoxyde in het impregnaat oplost en door het impregnaat wordt meegevoerd en dat indien uitgegaan wordt van scandiumoxydepoeder met korrels gemiddeld kleiner dan 1 p. onvoldoende scandiumoxyde in het kathodelichaam kan achterblijven als het impregnaat in een overmaat wordt toegevoegd.
Dit kan worden vermeden door de korrels gemiddeld groter te kiezen dan 1 um, waarbij de bovengrens van 10 Am ervoor zorgt dat het scandiumoxyde uiteindelijk voldoende homogeen over het kathodelichaam is verdeeld.
Indien daarentegen de barium houdende component in de vorm van een poeder met beide andere poeders wordt gemengd en tot een kathodelichaam wordt geperst, hetgeen resulteert in een kathode die gewoonlijk wordt aangemerkt als een zogenaamde all-pressed kathode, geldt deze beperking niet en wordt dan ook volgens de uitvinding bij voorkeur uitgegaan van een gemiddelde korrelgrootte van 0, voor wat betreft het scandium houdende poeder om daarmee een uitermate fijne verdeling van de scandium houdende component over het kathodelichaam te bereiken.
Een verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding heeft als kenmerk dat aan het poedermengsel een geschikte organische binder wordt toegevoegd en dat het geheel nadat het is uitgehard, wordt gemalen tot granules met een gemiddelde grootte tussen circa 50 en 200 om die vervolgens tot een kathodelichaam worden geperst. Hierdoor wordt een poeder met een grotere fluiditeit verkregen dat in tegenstelling tot het zeer fijne uitgangspoeder en zieh daardoor gemakkelijker laat verwerken. De verschillende componenten van het kathodelichaam zijn reeds in de granules voldoende homogeen aanwezig zodat de granulegrootte op zichzelf een homogene verdeling in het uiteindelijke kathodelichaam niet in de weg staat.
<Desc/Clms Page number 5>
Indien het kathodelichaam bij verhoogde temperatuur wordt gesinterd, heeft de werkwijze volgens de uitvinding bij voorkeur als kenmerk dat het kathodelichaam reeds voor het sinteren van een barium houdende component, zoals bijvoorbeeld een calcium-barium-aluminaat, wordt voorzien. Het is namelijk gebleken dat de aanwezigheid van de barium houdende component in het kathodelichaam het sinteren remt, waardoor het sinteringsproces beter beheersbaar wordt. Dit is met name bij de werkwijze volgens de uitvinding van belang omdat de sintertemperatuur en daarmee de sintertijd dramatisch blijkt af te nemen met een afname van de gemiddelde korrelgrootte in de uitgangspoeders als niet de barium houdende component wordt toegevoegd alvorens te sinteren.
De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en een tekening waarin figuur 1 een naleveringskathode volgens de uitvinding toont ; figuur 2 een proefopstelling toont waarmee de bestendigheid van een kathode tegen ionenbombardement kan worden bepaald ; en figuur 3 het herstel na ionenbombardement weergeeft van een kathode vervaardigd volgens de uitvinding en van een kathode die op conventionele wijze is vervaardigd.
De figuren zijn overigens zuiver schematisch en niet op schaal weergegeven. Met name zijn terwille van de duidelijkheid sommige dimensies sterk overdreven weergegeven. Overeenkomstige delen zijn in de figuren zoveel mogelijk met eenzelfde verwijzingscijfer aangeduid.
Ter vervaardiging van een naleveringskathode wordt een hoog-smeltend metaal in de vorm van wolfraampoeder en van een scandium houdend poeder dat scandiumoxyde omvat met elkaar gemengd tot een homogeen mengsel. In plaats van scandiumoxyde zou overigens bijvoorbeeld ook kunnen worden uitgegaan van zuiver scandiumpoeder of van scandiumhydridepoeder of scandiumnitridepoeder en in plaats van wolfraam kan ook een ander hoog-smeltend metaal zoals bijvoorbeeld molybdeen of een mengsel van hoog-smeltende metaalpoeders worden toegepast. Volgens de
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
uitvinding wordt daarbij uitgegaan van wolfraampoeder waarvan de korrels gemiddeld kleiner zijn dan l nm en scandiumoxydepoeder met een gemiddelde korrelgrootte kleiner dan 10 en worden beide poeders in een verhouding van circa 97 gewichtsprocent met elkaar gemengd tot een homogeen poedermengsel.
In het onderhavige voorbeeld ligt de gemiddelde korrelgrootte van het wolfraampoeder tussen 0, en cm en zijn de scandiumoxydekorrels gemiddeld tussen 1 en 5 groot.
Aan het poedermengsel wordt vervolgens een geschikte organische binder toegevoegd in de vorm van 0, gew. % acrylaathars om het geheel tot een stroperige massa te binden. Vervolgens wordt het geheel bij verhoogde temperatuur gedroogd om het oplosmiddel (aceton) van de binder te verdrijven. De aldus verkregen, uitgeharde koek wordt tot granules gemalen, waarna het verkregen materiaal wordt gezeefd met een zeef met openingen met een diameter van circa 200 Aldus wordt een poeder verkregen van granules met een grootte overwegend tussen 50 en 200}'m. dergelijk granule-poeder vertoont een aanmerkelijk grotere flulditeit dan de ultra-fijne uitgangspoeders en loopt daardoor aanmerkelijk gemakkelijker dan het wolfraam- scandiumoxydepoeder waarvan is uitgegaan. Het granule-poeder laat zich dan ook aanmerkelijk gemakkelijker verwerken.
Bovendien wordt door het granuleren tegengegaan dat het wolfraam en scandiumoxyde, mede als gevolg van de onderling verschillende korrelgrootten en sterk uiteenlopende soortelijke massa's, in latere processtappen ontmengen.
Overigens dient binnen het kader van de uitvinding het begrip malen ruim te worden opgevat zodat daaronder niet alleen malen met behulp van een (kogel) dient te worden verstaan maar bijvoorbeeld ook fijn stampen in een vijzel en anderszins verpulveren of verbrokkelen.
Het granule-poeder wordt in een persmal gebracht waarin met een persstempel onder hoge druk uit het poeder een of meer pillen wordt geperst met een diameter van circa 1 mm en een porositeit van circa 20-30 %, die vervolgens korte tijd worden gesinterd bij een temperatuur tussen 1400 en 1900 wordt aan de aldus verkregen kathodelichamen een barium houdende component toegevoegd door de pillen te bedekken met poedervormig barium-calcium-aluminaat, bariumoxyde (BaO), aluminiumoxyde (AlzO) en calciumoxyde (CaO) in een verhouding van 4 molprocent, en het geheel gedurende korte tijd op te stoken tot circa 1550-1700 C waarbij het poeder smelt. Het gesmolten aluminaat wordt capillair door de pillen
<Desc/Clms Page number 7>
opgezogen zodat de kathodelichamen aldus volledig met het aluminaat worden doordrengd.
Naderhand worden de pillen met gedemineraliseerd water gewassen om eventueel overtollig impregnaat te verwijderen.
Het scandiumoxyde lost tijdens het impregneren overigens ten dele op in het impregnaat. Door echter uit te gaan van scandiumoxydepoeder met een gemiddelde korrelgrootte van minimaal 1 m zoals in dit voorbeeld, kan ervoor worden gezorgd dat het kathodelichaam niet geheel wordt uitgeloogd en dat voldoende scandiumoxyde in het kathodelichaam achterblijft. Het zal daarbij althans gedeeltelijk door het impregnaat naar de porien van het kathodelichaam zijn meegevoerd.
Het aldus verkregen kathodelichaam 1 wordt in een geschikte houder 2 van een hoog-smeltend metaal, in dit voorbeeld van molybdeen, gebracht, zie figuur 1.
De houder is op een kathodeschacht 3 gelast welke eveneens van molybdeen is vervaardigd en een gloeidraad 4 herbergt waarmee de kathode op de gewenste bedrijfstemperatuur kan worden gebracht.
Op bovenstaande wijze is tevens een bekende kathode vervaardigd uitgaande van poeders met gangbare gemiddelde korrelgrootten van circa 2-6 gm voor het wolfraampoeder en tot circa 20 m voor het scandiumoxydepoeder.
Figuur 2 toont schematisch een proefopstelling die geschikt is om de kathode volgens de uitvinding met deze conventionele kathode te vergelijken. De proefopstelling omvat een vacuÜmklok 10 waarin de kathode 1 kan worden geplaatst.
De vacuÜmklok omvat verder een collectorelektrode 11, die zich tegenover het emitterende oppervlak 3 van de kathode 1 bevindt en die tijdens bedrijf op een relatief hoge spanning van circa 0, 5 kV wordt gezet. Met de collectorelektrode 11 kan gedurende bedrijf de emissie van de kathode 1 worden gemeten en continu worden gevolgd. De uitgangsstroom Ie van de collectorelektrode 11, die door middel van een stroommeter 12 kan worden geregistreerd, correspondeert daarbij met de totale elektronen-emissie van de kathode 1. De klok 10 is behalve van een pompaansluiting 13 tevens voorzien van een inlaat 14 waarmee argon of een ander gas door middel van een kraan 15 selectief kan worden ingelaten.
Om de kathode volgens de uitvinding met de bekende, gangbare kathode te vergelijken, zijn beide kathodes na elkaar in de proefopstelling gebracht en tot een gelijke bedrijfstemperatuur van circa 1000"C opgestookt. In beide gevallen werd daarbij een vergelijkbare collectorstroom gemeten, wat neerkomt op een vergelijkbare
<Desc/Clms Page number 8>
elektronen-emissie. Om het herstel van de kathode na ionenbombardement te kunnen bepalen, werd vervolgens gedurende korte duur argon via de aansluiting 14 ingelaten.
Het ingelaten argon zal in de klok door de elektronenstroom al snel zijn geioniseerd en vervolgens naar het emitterende oppervlak 3 van de kathode worden versneld. Als gevolg van dit argonbombardement wordt de kwetsbare scandium en barium bevattende mono-atomaire toplaag op het emitterende oppervlak 3 van de kathode vrijwel onmiddellijk weggesputterd, waardoor de elektronen-emissie inzakt. Via de pompaansluiting 13 wordt het ingelaten argon vervolgens weggepompt waarna de elektronen-emissie van de kathode zieh weer kan herstellen.
In figuur 3 is dit herstel na het argonbombardement voor beide kathodes weergegeven, waarbij verticaal de collectorstroom I. als percentage van de beginwaarde, dat wil zeggen de waarde voorafgaand aan het argonbombardement, tegen horizontaal de tijd uitstaat. Curve A geeft daarbij de collectorstroom als functie van de tijd voor de kathode volgens de uitvinding terwijl curve B hetzelfde verband voor de conventionele curve te zien geeft. Hieruit blijkt duidelijk dat de curve van de kathode volgens de uitvinding aanmerkelijk stijler is dan die van de bekende kathode en dat de kathode volgens de uitvinding zich dus aanmerkelijk sneller hersteld van het ionenbombardement dan de bekende kathode.
De kathode volgens de uitvinding is reeds op t=t1 praktisch geheel van het bombardement hersteld terwijl de bekende kathode pas op t=t2 hetzelfde herstel te zien geeft.
Dit verschil in herstel wordt toegeschreven aan de verbeterde nalevering van scandium in de kathode volgens de uitvinding. Door volgens de uitvinding uit te gaan van kleinere korrelgrootten in de uitgangspoeders en met name in het poeder van het hoog-smeltende metaal, in dit geval het wolfraampoeder, wordt de diffÜsieafstand van de scandium houdende component in het kathodelichaam drastisch verkleind.
Hierdoor kan de scandium houdende component sneller naar het emitterende oppervlak diffunderen om scandium aan de mono-atomaire toplaag na te leveren, hetgeen zieh uit in een verschil van 4-tel in hersteltijd na een volledig ionenbombardement. De uitvinding voorziet aldus in een naleveringskathode met een uitermate hoge elektronen-emissie welke beter bestand is tegen ionenbombardement. De aldus vervaardigde kathode is daardoor met name geschikt voor opname in een elektronenbuis zoals bijvoorbeeld een beeldbuis of een opneembuis, waarin door de onvermijdelijke aanwezigheid van een
<Desc/Clms Page number 9>
EMI9.1
zekere hoeveelheid restgassen steeds sprake zal zijn van een zekere mate van ionenbombardement.
Hoewel de uitvinding aan de hand van louter het hierboven gegeven voorbeeld is beschreven, zal het duidelijk zijn dat de uitvinding geenszins tot het gegeven voor beeld is beperk. Voor de vakman zijn integendeel binnen het kader van de uitvinding nog vele variaties mogelijk.
Zo kan in plaats van wolfraampoeder worden uitgegaan van een poeder van een ander hoog-smeltend metaal zoals bijvoorbeeld molybdeen of van een poeder van verscheidene hoog-smeltende metalen. Verder kan het kathodelichaam, in plaats van geheel volgens de hierboven beschreven werkwijze te zijn vervaardigd, een dragerlichaam van een geschikt metaal bevatten, bijvoorbeeld van molybdeen of wolfraam, waarop een toplaag is aangebracht die volgens de uitvinding is vervaardigd.
Een dergelijke kathode wordt gewoonlijk aangeduid als toplaagkathode. Verder kan het kathodelichaam in plaats van in een persmal direkt in de kathodehouder worden geperst en daarin vervolgens worden gesinterd.
In plaats van impregneren met een gesmolten barium-calcium-aluminaat, kan de barium houdende component eventueel ook aan het kathodelichaam worden toegevoegd door het barium-calcium-aluminaat in poedervorm met de andere poeders te mengen, waarna het samen daarmee wordt gebonden, wordt gegranuleerd en wordt geperst tot een kathodelichaam. Daamaast kan het impregnaat al of niet in gesmolten vorm aan het granule-materiaal worden toegevoegd. In beide gevallen heeft dit als voordeel dat wordt geimpregneerd voordat wordt gesinterd, hetgeen tot een betere beheersbaarheid van het sinteringsproces leidt.
Het impregnaat dat in dat geval in het kathodelichaam aanwezig is alvorens wordt gesinterd, remt het sinteringsproces dat zonder impregnaat als gevolg van de zeer kleine korrels van de uitgangspoeders bij dezelfde sintertemperatuur reeds in enkele seconden zou zijn voltrokken en daardoor minder goed in de hand zou zijn te houden.
In het algemeen verschaft de uitvinding een werkwijze voor het vervaardigen van een naleveringskathode met een verbeterd herstel na ionenbombardement.
<Desc / Clms Page number 1>
EMI1.1
Method of Manufacturing a Backorder Cathode.
The invention relates to a method for manufacturing a back-supply cathode in which a powder of a high-melting metal and a scandium-containing powder are mixed together and pressed into a cathode body, wherein the cathode body is also provided with a barium-containing component.
Such a method is known from a European patent application which has been made available to the public under number 298. In the known method, a high-melting metal in the form of tungsten powder and a scandium-containing powder, consisting of pure scandium or scandium hydride, are mixed together in a ratio of 95, the powder mixture is compressed and sintered into a cathode body of mainly porous tungsten in which the scandium is divided. The cathode body is further provided with a barium-containing component by impregnating the cathode body at elevated temperature with molten barium-calcium aluminate.
Such a cathode is commonly referred to as a mixed-matrix scandate cathode and comprises a porous matrix of predominantly the high-melting metal into which oxidized scandium (scandate) is distributed, the barium-containing component, usually in an oxidized form, see in the pores of the array.
The oxidized states of scandium and of barium will hereinafter be referred to as scandium oxide and barium oxide, respectively, without otherwise indicating purely stoichiometric compounds unless expressly stated. For example, the oxidized states may contain intermediate forms of stoichiometric oxides, so-called mixed oxides
<Desc / Clms Page number 2>
The barium-containing component ensures that a mono-atomic layer containing barium is formed on the emitting surface of the cathode. The barium oxide is thereby reduced to barium by the matrix metal. As a result of the mono-atomic top layer, the exit potential of free electrons in the matrix is lowered enough to allow electron emission.
However, since the mono-atomic top layer continuously loses barium as a result of the inevitable evaporation of barium, barium must be continuously supplied to maintain the layer, which explains the name of such a cathode. This subsequent delivery is provided by the fact that, during operation, reduced or not reduced barium oxide diffuses from the pores to the emitting surface in order to supplement the mono-atomic layer there.
In a mixed-matrix scandate cathode, the exit potential of the electrons is further reduced because scandium is present in the mono-atomic top layer in addition to barium. As a result, such a cathode has an extremely high efficiency, so that a relatively strong electron emission can be realized even at relatively low temperatures. For example, with a cathode of the type mentioned in the opening paragraph, an electron emission of more than 100 A / cm can already be realized at a heating temperature of approximately 1000 C, which corresponds to an efficiency that is more than a factor of 10 higher than that of a back-up cathode in which no scandate is present.
A cathode of the type mentioned in the preamble is therefore extremely suitable for use in an electron vacuum tube, in particular in a picture tube in which an image is displayed on a screen with the aid of an electron beam generated by the cathode or a pick-up tube in which a electron beam generated by the cathode image information from a target is read out.
A problem which arises in such an application is that, due to the inevitable presence of a small amount of residual gases in the
EMI2.1
vacuum tube, gas molecules are ionized by the electron beam or otherwise, with positive ions accelerated by the prevailing electric fields to the emitting surface of the cathode. There they encounter the fragile mono-atomic top layer, which will eventually disappear as a result of scandium not being continuously supplied to the layer in addition to barium.
The object of the invention is inter alia to provide a method of the type mentioned in the preamble with which a subsequent delivery cathode can be
<Desc / Clms Page number 3>
manufactured with an improved recovery after ion bombardment and thus an increased service life.
To this end, a method of the type according to the invention mentioned in the preamble has the feature that the high-melting metal is based on a powder of granules with an average grain size of less than 1 m and that the scandium-containing material is based on a powder of grains with an average grain size of less than 10 m.
The invention is based on the insight that, in particular, the subsequent delivery of scandium in practice places serious restrictions on the life of the monoatomic layer, and therefore on the cathode as a whole, because scandium oxide in the cathode body has a considerably lower mobility at normal operating temperatures than barium oxide.
The invention is furthermore based on the insight that the subsequent delivery of scandium is stronger as the distance that the scandium oxide has to travel on average to diffuse over the entire surface from the pores of the cathode body, hereinafter briefly referred to as the diffusion distance, is smaller and that diffusion distance increases with increasing grain size of the high-melting metal in the starting powder. The smaller the grain size and thus the diffusion distance of the scandium oxide, the faster the scandium will be supplied to the mono-atomic layer.
If a powder of the high-melting metal whose granules are on average smaller than 1 m is assumed, the diffusion distance becomes a factor
Decreased 10-100 compared to conventional cathodes. Furthermore, the said diffusion distance will be smaller on average, the more finely the scandium oxide is distributed over the cathode body. A sufficiently homogeneous distribution of the scandium oxide over the cathode body can be achieved by starting from a scandium-containing powder whose granules are on average smaller than 10 m. These measures according to the invention have shown that a sufficiently rapid subsequent delivery of scandium oxide can be achieved.
With regard to the high-melting metal, the invention preferably starts from a powder of granules with an average size of between 0.2 and 0.7 cm. The upper limit ensures a sufficiently strong subsequent supply of scandium in the final cathode, while the lower limit provides a sufficient
<Desc / Clms Page number 4>
EMI4.1
ensures high porosity of the cathode body. In a special embodiment of the method according to the invention, a metal from a group of molybdenum, rhenium and tungsten is used for the powder of the high-melting metal.
Incidentally, a further embodiment of the method according to the invention, in which the barium-containing component is added to the cathode body by means of impregnation with a molten barium-calcium-aluminate, is characterized in that the scandium-containing material is based on a scandium oxide powder with a average grain size of at least about 1 m. In practice, it has been found that the scandium oxide dissolves in the impregnate and is entrained by the impregnate, and that if scandium oxide powder with granules is on average smaller than 1 p. insufficient scandium oxide can remain in the cathode body if the impregnate is added in excess.
This can be avoided by choosing the granules larger on average than 1 µm, the upper limit of 10 Am ensuring that the scandium oxide is ultimately distributed homogeneously over the cathode body.
On the other hand, if the barium-containing powder component is mixed with both other powders and pressed into a cathode body, resulting in a cathode commonly referred to as an all-pressed cathode, this limitation does not apply and is therefore according to the invention it is preferred to start from an average grain size of 0 with regard to the scandium-containing powder, in order to achieve an extremely fine distribution of the scandium-containing component over the cathode body.
A further embodiment of the invention is characterized in that a suitable organic binder is added to the powder mixture and that the whole after it has been cured is ground into granules with an average size between about 50 and 200, which are then pressed into a cathode body. This produces a powder with a greater fluidity which, in contrast to the very fine starting powder, is easier to process. The various components of the cathode body are already sufficiently homogeneously present in the granules so that the granule size does not in itself preclude a homogeneous distribution in the final cathode body.
<Desc / Clms Page number 5>
If the cathode body is sintered at an elevated temperature, the method according to the invention is preferably characterized in that the cathode body is already provided with a barium-containing component, such as, for example, a calcium-barium-aluminate, before sintering. Namely, it has been found that the presence of the barium-containing component in the cathode body inhibits sintering, making the sintering process more controllable. This is important in particular in the method according to the invention because the sintering temperature and hence the sintering time appears to decrease dramatically with a decrease in the average grain size in the starting powders if the barium-containing component is not added before sintering.
The invention will now be further elucidated on the basis of an exemplary embodiment and a drawing in which figure 1 shows a subsequent delivery cathode according to the invention; Figure 2 shows a test set-up with which the resistance of a cathode against ion bombardment can be determined; and Figure 3 shows the ion bombardment recovery of a cathode made in accordance with the invention and of a cathode made in a conventional manner.
The figures are otherwise purely schematic and not shown to scale. For the sake of clarity, some dimensions are particularly exaggerated. Corresponding parts are designated as far as possible in the figures with the same reference numeral.
To produce a back-delivery cathode, a high-melting metal in the form of tungsten powder and of a scandium-containing powder comprising scandium oxide is mixed together into a homogeneous mixture. Instead of scandium oxide, for example, it could also be started from pure scandium powder or from scandium hydride powder or scandium nitride powder and instead of tungsten, another high-melting metal such as, for example, molybdenum or a mixture of high-melting metal powders can also be used. According to the
<Desc / Clms Page number 6>
EMI6.1
The invention is based on tungsten powder whose grains are on average less than 1 nm and scandium oxide powder with an average grain size of less than 10, and both powders are mixed together in a ratio of approximately 97% by weight to form a homogeneous powder mixture.
In the present example, the average grain size of the tungsten powder is between 0 and cm and the scandium oxide grains are on average between 1 and 5.
A suitable organic binder is then added to the powder mixture in the form of 0, wt. % acrylic resin to bind the whole to a viscous mass. The whole is then dried at an elevated temperature to expel the solvent (acetone) from the binder. The cured cake thus obtained is ground into granules, after which the material obtained is sieved with a sieve with openings with a diameter of approximately 200. Thus, a powder is obtained from granules having a size predominantly between 50 and 200 µm. such granule powder exhibits markedly greater fluidity than the ultra-fine starting powders and therefore runs considerably more easily than the starting tungsten scandium oxide powder. The granule powder is therefore considerably easier to process.
Moreover, the granulation prevents the tungsten and scandium oxide from demixing in later process steps, partly due to the mutually different grain sizes and widely varying specific masses.
Within the framework of the invention the concept of grinding is to be understood broadly, so that this should not only be understood to mean grinding by means of a (ball), but also, for example, mashing in a mortar and otherwise pulverizing or crumbling.
The granule powder is placed in a press mold in which one or more pills with a diameter of about 1 mm and a porosity of about 20-30% are pressed with a high-pressure press die from the powder, which are then sintered for a short time at a at a temperature between 1400 and 1900, a barium-containing component is added to the cathode bodies thus obtained by coating the pills with powdered barium-calcium aluminate, barium oxide (BaO), aluminum oxide (AlzO) and calcium oxide (CaO) in a ratio of 4 mol%, and heating the whole for a short time to about 1550-1700 C, whereby the powder melts. The molten aluminate becomes capillary through the pellets
<Desc / Clms Page number 7>
aspirated so that the cathode bodies are thus fully permeated with the aluminate.
Afterwards, the pills are washed with demineralized water to remove any excess impregnate.
Incidentally, the scandium oxide partly dissolves in the impregnate during the impregnation. However, starting from scandium oxide powder with an average grain size of at least 1 m as in this example, it can be ensured that the cathode body is not completely leached out and that sufficient scandium oxide remains in the cathode body. It will at least partly have been carried along by the impregnate to the pores of the cathode body.
The cathode body 1 thus obtained is placed in a suitable container 2 of a high-melting metal, in this example of molybdenum, see figure 1.
The holder is welded to a cathode shaft 3 which is also made of molybdenum and houses a filament 4 with which the cathode can be brought to the desired operating temperature.
In the above manner, a known cathode has also been manufactured starting from powders with usual average grain sizes of about 2-6 µm for the tungsten powder and up to about 20 m for the scandium oxide powder.
Figure 2 schematically shows a test arrangement suitable for comparing the cathode according to the invention with this conventional cathode. The test set-up comprises a vacuum clock 10 in which the cathode 1 can be placed.
The vacuum clock further comprises a collector electrode 11, which is opposite the emissive surface 3 of the cathode 1 and which is applied to a relatively high voltage of about 0.5 kV during operation. During operation, the emission of cathode 1 can be measured with the collector electrode 11 and continuously monitored. The output current Ie of the collector electrode 11, which can be registered by means of a current meter 12, corresponds to the total electron emission of the cathode 1. In addition to a pump connection 13, the clock 10 is also provided with an inlet 14 with which argon or another gas can be selectively introduced by means of a tap 15.
In order to compare the cathode according to the invention with the known conventional cathode, both cathodes were placed successively in the test setup and heated to an equal operating temperature of approximately 1000 ° C. In both cases, a comparable collector current was measured, which amounts to a comparable
<Desc / Clms Page number 8>
electron emission. In order to be able to determine the recovery of the cathode after ion bombardment, argon was subsequently introduced via the terminal 14 for a short period of time.
The introduced argon will soon be ionized in the clock by the electron flow and then accelerated to the emitting surface 3 of the cathode. As a result of this argon bombardment, the fragile scandium and barium-containing mono-atomic top layer on the emitting surface 3 of the cathode is sputtered almost immediately, causing the electron emission to collapse. The introduced argon is then pumped away via the pump connection 13, after which the electron emission from the cathode can recover again.
Figure 3 shows this recovery after the argon bombardment for both cathodes, with the collector current I vertically as a percentage of the initial value, i.e. the value prior to the argon bombardment, versus horizontal time. Curve A shows the collector current as a function of time for the cathode according to the invention, while curve B shows the same relationship for the conventional curve. This clearly shows that the curve of the cathode according to the invention is considerably steeper than that of the known cathode and that the cathode according to the invention thus recovers considerably from the ion bombardment faster than the known cathode.
The cathode according to the invention has already recovered practically completely from the bombardment at t = t1, while the known cathode only shows the same recovery at t = t2.
This difference in recovery is attributed to the improved post-delivery of scandium into the cathode of the invention. According to the invention, starting from smaller grain sizes in the starting powders and in particular in the powder of the high-melting metal, in this case the tungsten powder, the diffusion distance of the scandium-containing component in the cathode body is drastically reduced.
This allows the scandium containing component to diffuse faster to the emissive surface to deliver scandium to the mono-atomic top layer, resulting in a 4-count difference in recovery time after full ion bombardment. The invention thus provides a delivery cathode with an extremely high electron emission which is more resistant to ion bombardment. The cathode thus manufactured is therefore particularly suitable for reception in an electron tube such as, for example, a picture tube or a pick-up tube, in which, due to the inevitable presence of a
<Desc / Clms Page number 9>
EMI9.1
A certain amount of residual gases will always involve a certain degree of ion bombardment.
Although the invention has been described with reference to the above example only, it will be clear that the invention is by no means limited to the example given. On the contrary, many variations are still possible for the skilled person within the scope of the invention.
For example, instead of tungsten powder, it is possible to start from a powder of another high-melting metal, such as, for example, molybdenum, or of a powder of various high-melting metals. Furthermore, instead of being manufactured entirely according to the above-described method, the cathode body may comprise a support body of a suitable metal, for example of molybdenum or tungsten, on which a top layer manufactured according to the invention has been applied.
Such a cathode is commonly referred to as a top layer cathode. Furthermore, instead of being pressed into a mold, the cathode body can be pressed directly into the cathode holder and subsequently sintered therein.
Instead of impregnation with a molten barium-calcium aluminate, the barium-containing component can optionally also be added to the cathode body by mixing the powdered barium-calcium aluminate with the other powders and then granulating together therewith and is pressed into a cathode body. In addition, the impregnate may or may not be added in a molten form to the granule material. In both cases this has the advantage of being impregnated before sintering, which leads to a better controllability of the sintering process.
The impregnate, which in that case is present in the cathode body before sintering, inhibits the sintering process which would have already been completed in a few seconds at the same sintering temperature without impregnate due to the very small grains of the starting powders and would therefore be less good in the hand hold.
In general, the invention provides a method of fabricating a backorder cathode with improved ion bombardment recovery.