DE4305558A1

DE4305558A1 - Verfahren zur Herstellung von Drähten, welche insbesondere für Kathoden von Elektronenröhren geeignet sind

Info

Publication number: DE4305558A1
Application number: DE19934305558
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Gellert; Werner Dr Rohrbach
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: THOMSON ELEKTRONENROEHREN AG LENZBURG CH
Priority date: 1993-02-24
Filing date: 1993-02-24
Publication date: 1994-08-25

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektronen röhren. Sie geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Drähten, welche insbesondere für Kathoden von Elek tronenröhren geeignet sind, nach dem Oberbegriff des er sten Anspruchs. Drähte, die mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Emissionsfähigkeit und Langlebigkeit aus.

Stand der Technik

Um eine erhöhte Emissionsfähigkeit von Kathoden-Drähten zu erhalten, bestehen die Drähte üblicherweise aus karbu rierten, thorierten Wolframdrähten. Durch den bekannten Karburierprozeß wird gewährleistet, daß sich im Betrieb bei Temperaturen von etwa 2000 K ein Thoriumfilm auf der Drahtoberfläche ausbildet. Dadurch wir die Austrittsar beit gegenüber reinem Wolfram stark herabgesetzt. Der Karburierprozeß wird in einer kohlenstoffhaltigen Atmo sphäre und in einem engen Temperaturbereich durchgeführt. Damit wird eine kontinuierliche Nachlieferung von Thorium gewährleistet.

Bei Elektronenröhren größerer Leistung stellt sich je doch das Problem, daß sich die Kathoden im Betrieb unten ausweiten und oben verengen, so daß eine Wasserglas ähn liche Struktur entsteht. Durch diese Verformung der Ka thode verändert sich natürlich auch der Abstand zum Git ter. Im Extremfall kann es sogar zu einem Kurzschluß kommen. Die mechanische Stabilität der Kathodendrähte ist deshalb für die Langlebigkeit von Röhren von grundsätzli cher Bedeutung. Mit dem bekannten Karburierprozeß wird die mechanische Stabilität der Drähte jedoch nur in ge ringem Masse oder überhaupt nicht positiv beeinflußt.

Im weiteren ist Thorium radioaktiv und sollte in Zukunft aus Rücksicht auf die Umwelt möglichst vermieden werden. Aus der japanischen Patentschrift JP 63-187 527 ist be kannt, daß auch Cer und Lanthan auf Wolfram-Drähte auf gebracht werden kann.

Problematisch bleibt aber auch bei diesen Drähten die me chanische Stabilität.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von Drähten für Elektronenröh ren anzugeben, welche sich neben einer erhöhten Emissi onsfähigkeit insbesondere durch eine erhöhte mechanische Stabilität auszeichnen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll speziell auch für Drähte geeignet sein, welche keine radioaktiven Elemente wie Thorium enthalten.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge nannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs ge löst.

Kern der Erfindung ist es also, hohe mechanische Stabili tät und hohe Emissionsfähigkeit in getrennten Verfahrens schritten zu erzeugen.

In einer bevorzugten Variante werden die Drähte vor dem im wesentlichen bekannten Karburieren getempert. Dadurch rekristallisieren die Drähte und erhalten so ein hohe me chanische Stabilität. In einem ersten Schritt wird also gezielt die mechanische Stabilität erhöht und im zweiten (Karburier-) Schritt wird die Struktur erzeugt, welche für eine hohe Emissionsfähigkeit benötigt wird.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur beim Tempern mit einer bestimmten Anstiegsrate auf eine Endtemperatur erhöht, während einer gewissen Zeit kon stant gehalten und anschließend in der Regel mit einer betragsmäßig kleineren Rate wieder auf die Ausgangstem peratur gesenkt.

Insbesondere beträgt die Anstiegsrate zwischen ca. 20 K/min. und ca. 500 K/min., die Endtemperatur liegt zwi schen ca. 1800 K und 3000 K, und die Haltezeit beträgt ca. 0.3 min. bis ca. 10 min.

Mit diesem Temper-Verfahren kann die mechanische Stabili tät in Drähten, welche vorzugsweise aus Verbindungen be stehen und welche vorzugsweise kein radioaktives Element enthalten, drastisch erhöht werden. So werden zum Bei spiel die Korngrößen von 3 µm in der Breite und 150 µm in der Länge auf ca. 10 µm bis 1000 µm in der Breite und ca. 500 µm bis 5000 µm in der Länge erhöht.

Es werden insbesondere Drähte des Typs AB_3,5 verwendet, wobei A eine Seltene Erde und B ein Metall bedeuten, oder Drähte der Zusammensetzung Wolfram-Cer, Wolfram-Lanthan, Wolfram-Uran, Molybdän-Cer, Molybdän-Lanthan, Molybdän- Uran oder Eisen-Terbium.

In einer zweiten Variante werden die Drähte erst nach dem Karburieren getempert.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht also darin, daß in getrennten Verfahrensschritten gezielt die mechanische Stabilität bzw. die Emissionsfähigkeit einge stellt werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Die Anordnung der Körner in einem Kathodendraht vor der Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 2 Die Anordnung der Körner in einem Kathodendraht nach der Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3a, b Flußdiagramme des Verfahrens gemäß zwei mög lichen Ausführungsbeispielen;

Fig. 4 Den Verlauf der Temperatur beim erfindungsgemäßen Tempern und Karburieren;

Fig. 5 Die Struktur eines Kathoden-Drahtes im Quer schnitt.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezeichnungsliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Als Ausgangsdraht werden Drähte mit einem Trägermaterial aus z. B. Wolfram, oder Molybdän oder einem anderen Metall mit hohem Schmelz- bzw. Siedepunkt verwendet. Diese Drähte enthalten zwischen ca. 0.1 und ca. 10 Gewichtspro zenten einer Seltenen Erde wie z. B. Cer, Lanthan, ge eignete Uran-Isotope oder Palladium. Ein typische Struk tur solcher Drähte ist in Fig. 1 dargestellt.

Die Körner weisen eine charakteristische Breite d von ca. 3 µm und eine Länge l von ca. 150 µm auf.

Nach dem Stand der Technik wird ein solcher Draht nun in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei einer bestimmten Temperatur karburiert. Dadurch entsteht an der Peripherie des Drahtes ein Film (1) der verwendeten Seltenen Erde (siehe Fig. 5). Dieser Film gewährleistet eine hohe Emissionsfähigkeit des Drahtes. Geeignete Umgebungsgase sind Benzole, Methan, Aethan, Propan, Butan, etc. sowie Naphthaline, d. h. alles Gase, welche viele C-Atome vergli chen mit H-Atomen aufweisen. Die C-Atome werden bei einer Temperaturerhöhung leicht freigesetzt.

Der Karburierprozeß verändert die Korngröße der Drähte jedoch im wesentlichen nicht. Für große Kathoden sind jedoch stabilere Drähte gefordert, welche nur erhalten werden können, indem die Korngröße der Drähte beeinflußt werden. Deshalb weist das erfindungsgemäße Ver fahren einen zweiten Schritt auf, welcher speziell auf die Erzeugung einer mechanischen Stabilität ausgerichtet ist.

Dieser zweite Schritt umfaßt eine Temperung und kann entweder vor oder nach dem Karburieren ablaufen (Fig. 3a, b).

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Draht vor dem Karburierprozeß einer Temperung unter zogen (Fig. 3a). Dabei wird (siehe Fig. 4) die Tempera tur (T) von einer Ausgangstemperatur (T0) mit einer be stimmten Temperaturanstiegsrate (dT/dt₁) auf eine Endtem peratur (T2) erhöht. Anschließend wird die Temperatur (T) während einer bestimmten Haltezeit (th = t3-t2) auf dieser Endtemperatur (T2) konstant gehalten. Im nächsten Schritt wird die Temperatur (T) auf eine Relaxationstem peratur (T3) gesenkt und zwar mit einer Rate (dT/dt₂), welche betragsmäßig kleiner als die Anstiegsrate (dT/dt₁) ist.

Bevorzugterweise beträgt die Anstiegsrate (dT/dt₁) zwi schen ca. 20 K/min. und ca. 500 K/min. Die Endtemperatur (T1) liegt zwischen ca. 1800 K und 3000 K, und die Halte zeit (th) beträgt zwischen ca. 0.3 Minuten und ca. 10 Mi nuten. Die Relaxationstemperatur (T3) kann entweder größer oder gleich der Ausgangstemperatur (T0) sein.

Eine Variante der Temperung zeichnet sich dadurch aus, daß die Temperatur (T) während der Erhöhung für eine ge wisse Zeitdauer (t1-t0), zwischen 10 min. und 30 min., auf einer Zwischentemperatur (T1), zwischen 700 K und 1200 K, konstant gehalten wird. Dieses Innehalten auf der Zwischentemperatur (T1) dient der Druckstabilisierung.

Nach dem Tempern wird der Draht einer Karburierung unter zogen. Zu diesem Zweck wird die Temperatur von der Rela xationstemperatur (T3) wieder erhöht und zwar auf eine Karburiertemperatur (T4). Diese ist im allgemeinen etwas niedriger als die Endtemperatur (T2) der Temperung. Die Temperaturanstiegs- und absenkraten entsprechen ungefähr denjenigen beim Tempern. Die Karburiertemperatur (T4) be trägt ungefähr zwischen 1700 und 2500 K, und wird während einer Karburierzeit (t7-t6) von ca. 10 min. bis 2 h kon stant gehalten. Die Karburierung erfolgt in einer kohlen stoffhaltigen Atmosphäre. Vorzugsweise werden als Umge bungsgase Benzole, Methan, Aethan, Propan, Butan oder Naphthaline verwendet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen der Temperung und der Karburierung die Temperatur für einen Moment (t5- t4) konstant auf der Relaxationstemperatur (T3) gehalten wird. Dies gibt genügend Zeit, das für die Karburierung benötigte Umgebungsgas einzulassen.

Das Verfahren ist besonders geeignet für Drähte mit der chemischen Verbindung AB_3,5, wobei A eine Seltene Erde und B ein Metall bedeuten. Insbesondere bestehen die Drähte aus einem Material der folgenden Liste:
LaNi₅, CeNi₅, ScNi₅, YNi₅, AcNi₅, ZrNi₅, MnNi₅ ,ThNi₅, LaPd₅, CePd₅, ScPd₅, YPd₅, AcPd₅, ZrPd₅, MnPd₅, ThPd₅.

Ebenso sind Drähte mit einer der Zusammensetzung Wolfram- Cer, Wolfram-Lanthan, Wolfram-Uran, Molybdän-Cer, Molyb dän-Lanthan, Molybdän-Uran Eisen-Terbium oder einer der Verbindungen LaB₆, YB₆, ScB₆, CeB₆ geeignet. Vorzugs weise wird dabei ein nicht radioaktives Uran-Isotop ver wendet.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann wie gesagt die mechanische Stabilität der Drähte stark verbessert wer den. Dies konnte auch in Versuchen eindrücklich nachge wiesen werden. Durch die Temperung werden die Korngrößen auf eine charakteristische Breite x von ca. 10 µm bis ca. 1000 µm und eine Länge y von ca. 50 im bis ca. 5000 m vergrößert (siehe Fig. 2).

Natürlich kann die Reihenfolge von Temperung und Karbu rierung auch umgekehrt werden. Die Verfahrensparameter sind dann gegebenenfalls anzupassen.

Mit solchen Drähten wird es erstmals möglich, auch große, selbsttragende Kathoden zu bauen, ohne daß diese sich im Betrieb verformen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Drähte können nun in direkt oder indirekt geheizten Ka thoden, der Form Maschen-, Spiral- oder Stabkathoden ein gesetzt werden. Ebenso ist der Einsatz in laserbearbeite ten Kathoden denkbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren gibt also die Möglich keit, mechanische Stabilität und Emissionsfähigkeit je gezielt beeinzuflussen, so daß mit den Drähten auch große, selbsttragende Kathoden gebaut werden können. Zu sätzlich ist das Verfahren geeignet, radioaktive Elemente zu vermeiden.

Bezugszeichenliste

d urspr. Kornbreite
l urspr. Kornlänge
x Kornbreite nach dem Verfahren
y Kornlänge nach den Verfahren
T Temperatur
t Zeit
t_1-7 Verfahrenszeitpunkte
T0 Ausgangstemperatur
T1 Endtemperatur
th Haltezeit
dT/dt₁ Temperatur-Anstiegsrate
dT/dt₂ Temperatur-Absenkrate
DR Drahtrichtung
1 Film
2 Trägermaterial.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Drähten, welche insbe sondere für Kathoden von Elektronenröhren geeignet sind und eine erhöhte Emissionsfähigkeit und mechani sche Stabilität aufweisen, wobei das Verfahren zur Er höhung der Emissionsfähigkeit einen Karburierprozeß umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß hohe Emissions fähigkeit und hohe mechanische Stabilität in unter schiedlichen Verfahrensschritten erreicht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte vor dem Karburieren zur Erhöhung der mechanischen Stabilität getempert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperung bei einer bestimmten Temperatur (T) erfolgt und

a) die Temperatur (T) mit einer bestimmten Anstiegs rate (dT/dt₁) von einer Ausgangstemperatur (T0) auf eine Endtemperatur (T2) erhöht wird;
b) die Temperatur (T) während einer gewissen Haltezeit (th = t3-t2) auf der Endtemperatur (T2) konstant gehalten wird und
c) anschließend mit einer betragsmäßig geringeren Rate (dT/dt₂) als die Anstiegsrate (dT/dt₁) auf eine Relaxationstemperatur (T3) gesenkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Temperatur-Anstiegsrate (dT/dt₁) zwischen ca. 20 K/min und ca. 500 K/min liegt,
b) die Endtemperatur (T2) ca. zwischen 1800 K und 3000 K beträgt, und
c) die Haltezeit (th) ca. 0.3 Minuten bis ca. 10 Minu ten beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T) während der Erhöhung von der Ausgangstemperatur (T0) auf die Endtemperatur (T2) während einer gewissen Zeitdauer (t1-t0) auf einer Zwischentemperatur (T1) konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer (t1-t0) zwischen ca. 10 min. und 30 min. und die Zwischentemperatur (T1) zwischen ca. 700 K und 1200 K beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Karburieren in einer kohlenstoffhaltigen At mosphäre

a) die Temperatur (T) von der Relaxationstemperatur (T3) mit einer ungefähr der Temperung entsprechen den Temperaturanstiegsrate auf eine Karburiertempe ratur (T4) von z. B. 1700 K bis 2500 K erhöht wird,
b) die Temperatur (T) während einer Karburierzeit (t7- t6) von ca. 10 min. bis 2 h konstant gehalten wird und
c) anschließend auf die Ausgangstemperatur (T0) ge senkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Temperung und dem Karburieren

a) die Temperatur zwischen einer gewissen Relaxations zeit (t5-t4), z. B. während bis zu 10 min., auf der Relaxationstemperatur (T3) gehalten wird, wobei die Relaxationstemperatur (T3) größer oder gleich der Ausgangstemperatur (T0) ist, und
b) während der Relaxationszeit (t5-t4) ein für das Karburieren benötigtes Umgebungsgas eingelassen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Umgebungsgase wie Benzole, Methan, Aethan, Pro pan, Butan, Naphthaline verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch ge kennzeichnet, daß durch die Temperung bei Drähten des Typs AB_3,5 die Korngröße von ca. 3 µm in der Breite und ca. 150 µm in der Länge auf ca. 10 µm bis 1000 µm in der Breite und ca. 500 µm bis 5000 µm in der Länge erhöht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Drähte mit einer der folgenden Verbindungen ver wendet werden: LaNi₅, CeNi₅, ScNi₅, YNi₅, AcNi₅, ZrNi₅, MnNi₅,ThNi₅, LaPd₅, CePd₅, ScPd₅, YPd₅, AcPd₅, ZrPd₅, NnPd₅, ThPd₅.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-9, dadurch ge kennzeichnet, daß durch die Temperung bei Drähten der Zusammensetzung Wolfram-Cer, Wolfram-Lanthan, Wolfram-Uran, Molybdän-Cer, Molybdän-Lanthan, Molyb dän-Uran, Eisen-Terbium oder einer der Verbindungen LaB₆, YB₆, ScB₆, CeB₆ die Korngröße von ca. 3 µm in der Breite und ca. 150 µm in der Länge auf ca. 10 µm bis 1000 µm in der Breite und ca. 500 µm bis 5000 µm in der Länge erhöht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht radioaktives Uran Isotop verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte nach dem Karburieren zur Erhöhung der mechanischen Stabilität getempert werden.