NL8100928A - Oxydkathode. - Google Patents

Description

h tf * EHN 9965 1 N.V. Philips* Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Qxydkathode"

De uitvinding heeft betrekking op een oxydkathcde bevattende een metalen basis en een verwarmingselement voor het verhitten van deze basis, op welke basis een aardalkalimetaaloxyde bevattende poreuze laag is aangebracht.

5 Dergelijke oxydkathodes worden toegepast in kathodestraal- buizen zoals bijv. beeldbuizen voor monochrane- en kleurenweergave van televisiebeelden, kamerabuizen, geheugenbuizen en oscillograaf-buizen.

Een dergelijke oxydkathode voor een kathodestraalbuis is be-10 kend uit o.a. het artikel "Chemical Transport in Oxide Cathodes"

Philips Res. Repts 26, 519-531, 1971. De daarin beschreven oxydkathode is een kathode van het z.g. indirékt verhitte type, welke is samengesteld uit een basis uit poly-kristallijn nikkel waarop aan een zijde een poreuze laag uit aardalkalimetaaloxyden is aangebracht en de andere 15 zijde bestraald wordt door een verwarmingselement. De oxydelaag heeft in het algemeen de samenstelling

Sr1-x 0 met x ongeveer gelijk aan 0,5. De dikte van de laag is ongeveer 50 en de dichtheid van de laag bedraagt ongeveer 0,7. De basis bevat óf 20 in vaste oplossing öf in regelmatig verdeelde korreltjes een activator zoals Mg. Door deze activator wordt in hoofdzaak BaO gereduceerd tot Ba cm de voor Ba qp SrO karakteristieke goede emissieeigenschappen te verkrijgen. In dit proces speelt diffusie langs korrelgrenzen in het materiaal van de basis een belangrijke rol.

25 Een voordeel van een dergelijke oxydkathode is de betrekkelijk lage bedrijfstenperatuur van ongeveer 800°C. Bij televisiebeeldbuizen wordt door deze relatief lage temperatuur ongewenste roosteremissie gering gehouden. Bij kamerabuizen met een z.g. diode-elektronenkanon zal de tundelstroanfcraagheid door deze relatief lage temperatuur gering zijn.

30 Bovendien zal bij een dergelijke lage bedrijfstemperatuur het aan het verwarmingselement toe te voeren vermogen kleiner zijn dan bij een kathode met een hogere bedrijfsterrperatuur. Cm aan het begin van de levensduur van de kathode te grote Ba-prcductie en ten gevolge daarvan verdamping 8100928 ·' * PHN 9965 2 van Ba te vermijden, mag de concentratie van de activator in het nikkel slechts gering zijn. Dit betekent echter, dat de basis niet te dun mag worden genomen, omdat dan de activator te snel uitgeput zou zijn. Doorgaans is daarcm de dikte groter dan 50 ^im en bij voorkeur ongeveer 5 100 ^im. Dit stelt een ondergrens aan de opwarmtijd van de kathode.

Dit is de tijd die vanaf het inschakelen van de spanning over het verwarmingselement nodig is on 10% van de stationair door de kathode geleverde stroom te bereiken. In het. geval dat de bedrijfstemperatuur 800°C is, bedraagt de kathodetemperatuur bij 10% van de emissie bij de 10 bedr ij f stemperatuur ongeveer 600°C. Voor een veelvuldig in televisie-beeldbuizen toegepaste 1,5 Watt kathode bedraagt de opwarmtijd 5,5 sec. Door zijn betrekkelijk grote dikte tesamen met de relatief grote soortelijke warmte en het relatief groot soortelijk gewicht van het nikkel, levert de basis een aanzienlijke bijdrage tot de totale warmtecapa-15 citeit en dus tot de opwarmtijd van deze indirekt verhitte kathode.

Het is bekend dat voor direkt verhitte kathodes de opwarmtijd aanzienlijk korter kan zijn dan voor de hierboven beschreven indirekt verhitte kathode. Een nadeel van dergelijke direkt verhitte kathodes is bijvoorbeeld, dat niet op een eenvoudige wijze kathodesturing kan 20 warden toegepast. Cmdat de opwarmtijd evenredig is met het quotiënt van de warmtecapaciteit en het stationair aan de kathode toegevoerd vermogen kan, als de opwarmtijd van een direkt verhitte kathode al voldoende klein is, een geringere warmtecapaciteit van de basis worden aangewend om het stationair toe te voeren vermogen te verlagen. Hierbij 25 moet de basis zijn BaO - reducerende functie gedurende de vereiste lange levensduur blijven vervullen en de hechting van de poreuze oxyd-laag aan de basis moet goed blijven.

De uitvinding beoogt dan ook een oxydkathode aan te geven welke bij een lagere dan de gebruikelijke bedr ij f stemperatuur voldoende emissie heeft.

De uitvinding beoogt bovendien een oxydkathode aan te geven welke een snellere opwarmtijd heeft en/of welke met een geringer toegevoerd vermogen aan het verwarmingselement kan functioneren.

Een oxydkathode van de in de eerste alinea beschreven soort 35 wordt volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de basis in hoofdzaak uit titaan (Ti) bestaat.

De uitvinding berust op het volgende inzicht. Bij de 81 0 09 2 8 EHN 9965 3 V « redactie van BaO aan Ti verdwijnt de zuurstof in het Ti-rooster en worden er aan het oppervlak geen ongewenste verbindingen gevormd die aanleiding zouden kunnen geven tot hechtingsproblemen tussen de poreuze laag en de basis. De over het kathodeoppervlak gemiddelde nul- 5 veld verzadigingsemissie bedraagt volgens de Richardson-Dushman vergelijking J = M·2 e"^

Waarin J de strcomdichtheid is A een constante afhankelijk van het emitterend materiaal 10 n T de kathcdetemperatuur in Tv k de constante van Boltzman e de elementairlading en )3 de uittreepotentiaal van het emitterend materiaal.

Tengevolge van het bovengenoemde reductie mechanisme 15 is de emissie veel homogener over het oppervlak verdeeld dan bij een conventionele oxydkathode. Hierdoor is de materiaal, constante A ongeveer 10x zo groot voor laatstgenoemde kathodes. Omdat bovendien bij 700°C de bariunproductie zich op het voor goede emissie en lange levensduur vereiste niveau bevindt kan daar cm de bedrijfstemperatuur 20 o van een kathode net een basis uit Ti ongeveer 100 lager zijn dan de bedrijfsterrperatuur van de conventionele oxydkathodes op nikkelbasis.

Ook is gebleken/ dat bij gebruik van Zr als materiaal voor de basis het compromis tussen emissie eigenschappen en Ba-productie veel minder gunstig ligt. Bovendien doen zich bij toepassing van Zr hechtings-25 problemen voor. Op grond van genoemd mechanisme is eenvoudig in te zien, dat ten aanzien van de levensduur een dikte van de basis van ongeveer 25 ruimschoots voldoende is. Bovendien is het product van soortgelijke warmte en soortelijk gewicht voor Ti ongeveer een factor 2 kleiner dan voor Ni. Vergeleken met Ni kan dus door toepassen van Ti de warmte-30 capaciteit van de basis aanzienlijk worden gereduceerd (ongeveer een factor 10).

De kathode volgens de uitvinding kan van het direkt- of van het indirekt verhitte type zijn. Een indirekt verhitte kathode volgens de uitvinding kan op de gebruikelijke wijze zijn opgebouwd. De Ti-basis 35 met de emitterende laag bevindt zich daarbij op een schacht van een ander metaal, waarbinnen zich; het verwarmingselement bevindt. Ook kunnen basis en schacht uit één stuk bestaan, bijvoorbeeld een dunwandig 8100928

V

PHN 9965 4

Ti-busje met binnenin het verwarmingselement en buiten op het kopvlak van het Ti-busje de emitterende laag.

Het is ook mogelijk een gelaagde opbouw toe te passen, waarbij op de ene zijde van een dun isolatieplaatje de Ti-basis met 5 daarop de emitterende laag en op de andere zijde het verwarmingselement wordt aangebracht.

Voor de elektrische isolatie tussen het verwarmingselement en de basis wordt doorgaans toe9ePast· Dit is echter niet chemisch stabiel in contact met Ti, waardoor gedurende de levensduur van de 10 kathode isolatieproblemen zouden kunnen gaan optreden. Vanuit het oogpunt van stabiliteit en andere thermische en elektrische eigenschappen is BeO een zeer geschikt isolatiemateriaal. Een nadeel is echter dat het zeer giftig is.

Een ander geschikt isolatiemateriaal is zcx^at 6611 15 eerste voorkeursuitvoeringsvorm van een kathode volgens de uitvinding daardoor wordt gekenmerkt, dat het verwarmingselement elektrisch geïsoleerd is van de basis door middel van een laag yttriumoxyde (Y2O3). Vergeleken met A^Og heeft dit YgOg ook nog het voordeel van een ongeveer een factor twee lagere warmtecapaciteit. Uiteraard is bij een 20 kathode volgens de uitvinding (op Ti-basis) tengevolge van de inherent kleinere warmtecapaciteit deze kleinere warmtecapaciteit van het Y2O3-isolatiemateriaal belangrijker dan bij toepassing bij de tot nu toe gebruikelijke kathodes, met een relatief grote warmtecapaciteit.

Een tweede voorkeursuitvoeringvorm van een kathode volgens 25 de uitvinding wordt gekenmerkt doordat, het verwarmingselement uit twee in hoofdzaak L-vormige dunne metalen bandjes bestaat, ieder met een kort en een lang stripvormig deel, welke bandjes met het uiteinde van het korte stripvormig deel aan de basis zijn bevestigd en de lengte assen van de lange stripvormige delen zich in hoofdzaak evenwijdig 30 aan het oppervlak van de basis uitstrekken, welke assen een hoek tussen 30° en 120° met elkaar maken, welke bandjes tevens dienen voor de ophanging van de oxydkathode. De hoek tussen de lange stripvormige delen is bij voorkeur tussen, de 30° en 120° gelegen in verband met de mechanische stijfheid hetgeen uit experimenten is gebleken. Bij kathodes 35 met een zeer laag vermogen (ongeveer 0,3W) en een zeer korte opwarmtijd (ongeveer 1 sec.) wordt het echter ook op deze manier moeilijk om aan zeer strenge eisen ten aanzien van het optreden van microfonie-effecten te voldoen. Dit is met behoud van het lage vermogen en de korte opwam- 8100928 ΒΗΒΓ 9965 5 tijd wel mogelijk door toepassing van een derde voorkeursuitvoeringsvorm van een kathode volgens de uitvinding welke wordt gekenmerkt, doordat het verwarmingselement uit vier zich van de basis uitstrekkende dunne metalen bandjes bestaat, waarvan er twee dienen voor het toevoeren en 5 twee voor het afvoeren van de elektrische stroom voor de verhitting, welke bandjes tevens dienen voor de ophanging van de kathode. Bij een uitvoeringsvorm waarbij de ophanging plaatsvindt zonder de bandjes tussen bevestigingspunten te spannen, is het voor de mechanische stijfheid gunstig als de basis en de bandjes niet in één vlak liggen.

10 Enkele uitvoeringsvoorbeelden van kathodes volgens de uitvinding zullen aan de hand van een tekening worden beschreven:

In figuur 1 wordt een doorsnede getoond van een oxyd-kathode volgens de stand van de techniek, in figuur 2 is een soortgelijke indirekt verhitte oxyökathcde 15 volgens de uitvinding in een doorsnede weergegeven, in figuur 3 is een doorsnede van een direkt verhitte oxyd-kathode volgens de uitvinding getoond, in figuur 4 is een aanzicht van de direkt verhitte oxyd-kathode zoals getoond in figuur 3 weergegeven, in 20 figuur 5 is een bovenaanzicht van de direkt verhitte oxydkathode zoals afgebeeld in figuur 3 getoond en figuur 6 laat een bovenaanzicht zien van nog een uitvoeringsvorm van een direkt verhitte oxydkathode volgens de uitvinding.

In figuur 1 is een doorsnede getoond van een oxydkathode 25 volgens de stand van de techniek. Deze kathode bestaat uit een gezwarte kathodeschacht 1 van Ni-Cr (80-20) net een uitwendige diameter van 1.8 nm en een hoogte van 2,2 mn. De dikte van de wand van deze schacht bedraagt 40 ^im. De schacht is afgesloten met een kapje 2 bestaande uit met magnesium geactiveerd nikkel reet in het centrum een dikte van 0,1 mm,

30 welk kapje dient als basis voor de emitterende laag 3 uit BaO en SrO

net een dikte van ongeveer 6Q jm. In de kathodeschacht is een verwarmingselement 4 aangebracht, dat uit een met een laag 4 uit bedekte W-draad 6 bestaat. Bij de normale bedrijfstonperatuur van de kathode bedraagt het aan het verwarmingselement toegevoerd vermogen ongeveer 1,5W 35 als deze schacht zoals gebruikelijk met behulp van drie Ni-Fe (50-50) bandjes (hier niet getoond) met een dikte van 0,06 mm een breedte van 0,7 mm en een lengte van 2,2 mm aan een kathodedrager is bevestigd.

Bij gebruik van deze kathode in een kleuren-televisiebeeldbuis (bijvoor- 8100928 PHN 9965 6 beeld de typen 20-AX en 30-AK van Philips) bedraagt de opwarmtijd ongeveer 5,5 sec.

In figuur 2 is een soortgelijke indirekt verhitte kathode volgens de uitvinding in een doorsnede weergegeven. Deze kathode 5 is samengesteld uit een diepgetrokken bus 10 uit Ti. Deze bus 10 heeft dezelfde afmetingen als de schacht toegepast bij de kathode volgens figuur 1. De dikte van het materiaal van de bus bedraagt ongeveer 40 ^m. Op het kopvlak 11 van bus 10 dat de basis voor het emitterend materiaal vormt met eveneens een dikte van ongeveer 40 ^im, is een .

10 laag 12 uit BaO en SrO met een dikte van ongeveer 60 jm aangebracht.

In hos 10 is een verwarmingselement 13 aangebracht, dat uit een met een laag 14 uit b^^skte W-draad 15 bestaat. Omdat van deze kathode de bedrij fstemperatuur ongeveer 100° lager is dan voor de kathode uit figuur 1 en omdat de Ti-kathodeschacht niet is gezwart 15 moeten de Ni-Fe (50-50) ophangbandjes worden vervangen door Ta-ophang-bandjes met dezelfde afmetingen on weer een aan het verwarmingselement toegevoerd vermogen van ongeveer 1,5W te verkrijgen. De opwarmtijd na het inschakelen van de stroom door het verwarmingselement is dan ongeveer een factor 2 korter dan voor de kathode beschreven met behulp 20 van figuur 1. De belangrijkste verontreinigingen, in het Ti van het hiervoor beschreven voorbeeld en de volgendsvoorbeelden waren 0,08 gewt% Cr, 0,1 gew % Fe, 0,1 gew % Mo en 0,02 gew % Ni.

In de figuren 3, 4 en 5 is een kathode van het direkt verhitte type volgens de uitvinding respectievelijk in een doorsnede, 25 een aanzicht en een bovenaanzicht weergegeven. De uit Ti bestaande kathodebasis 20, welke in figuur 3 in doorsnede is getoond, is rond en heeft een diameter· van 1,3 mm, een hoogte van 0,2 mm terwijl de dikte van het basismateriaal 25 ^im bedraagt. De dikte van de uit BaO en SrO bestaande emitterende laag 21 bedraagt ongeveer 60 ^im.

30 Zoals zichtbaar is in de figuren 4 en 5 zijn aan de kathodebasis 20 L-vormige metalen bandjes 22 en 23 bevestigd, welke samen het verwarmingselement van de direkt-verhitte kathode vormen. Deze metalen bandjes hebben een kort stripvormig deel 27 en een lang stripvormig deel 28 en vormen tevens de ophanging van de kathode. Ze worden bijvoor·; 35 beeld aan draagpennen 24 en 25 gelast, welke op hun beurt weer· in een isolerende draagring 26 uit keramisch materiaal zijn bevestigd. De lengte van de L-vormige bandjes bedraagt, gemeten langs de hartlijn 3,9 mm, de breedte van de bandjes is 0,35 mm. Tengevolge van de zeer 8100928 ΕΗΝ 9965 7 5" Λ* geringe warmtecapaciteit van die basis 20 en de laag 21 spelen de bandjes een belangrijke rol net betrekking tot de opwarmtijd en het toe te voeren vermogen. Bij toepassing van Ta met een dikte van 25 voor de L-vormige metalen bandjes, is het voor de bedrijfstemperatuur 5 van 700°C benodigd vermogen 0,34 W. De opwarmtijd van een dergelijke kathode is 1,2 seconde. Uit metingen is gebleken, dat de kathode- temperatuur 1,2 seconde na inschakeling ongeveer 500°C was. In diodes voorzien van een dergelijke kathode was na het activeren van de 2 kathode de in een 500V-puls gemeten emissie 5A/cm . Na 8000 uur ruimte-10 ladingsbegrendse continu belasting van 0,6 A/cm met constante anode-spanning was de genoemde pulsemissie slechts ongeveer 10% lager dan vlak na het activeren.van de kathode.

Bij een soortgelijke kathode met een basis 20 uit Ti en een laag 21 emitterende, maar nu met L-vormige bandjes uit invar (net 15 een klein stukje Ta in de las tussen het bandje en het Ti-kapje als barrière tussen het Ti en het invar) moet, cm weer eenvvermogen van 0y34W te verkijgen, de dikte van de bandjes 50 ^im zijn tengevolge van het feit dat voor invar het warmtegeleidingsvermogen lager is dan voor Ta- Door de grotere dikte van de bandjes, het grotere product 20 van scortelijke warmte en soortelijk gewicht en ook het minder gunstig verloop van de weerstand als functie van de temperatuur is, vergeleken met de bovenbeschreven uitvoeringsvorm met Ta-bandjes de opwarmtijd met ongeveer 75% toegencraan. In nog een andere uitvoeringsvorm met Ti-bandjes met een dikte van 25 ^m, is het voor de bedrijfstemperatuur 25 benodigde aan het verwarmingselement toe te voeren vermogen 0,27 W en de opwarmtijd weer 1,2 seconde. Van Ti is bekend, dat de elektrische weerstand toeneemt als er zuurstof oplost in het rooster. Gedurende de levensduur zou dus de weerstand van deze bandjes kunnen toenemen ten gevolge van zuur stofdiffus ie vanuit de basis naar de bandjes. Uit 30 experimenten, waarbij na de normale activeringsprocedure de basis-temperatuur werd ingesteld op 750°C, zodat de zuurstofdiffusie-snelheid ongeveer een factor 10 groter is dan bij de normale basistem-peratuur van 700°C, is gebleken dat na 500 uur de weerstand van het systeem (gemeten tussen 24 en 25) niet is toegenomen.

35 In figuur 6 is een bovenaanzicht van neg een uitvoerings vorm van een kathode volgens de uitvinding weergegeven. Op de Ti-basis 30, welke een diameter heeft van 1,3 mm, is weer een emitterende laag 31 uit BaO en SrO aangebracht. Vanaf deze basis strekken zich vier 81 0 09 2 8 PHN 9965 8 dunne metalen bandjes 32, 33, 34 en 35, welke samen weer het verwarmingselement en de ophanging van de basis vormen. De hoeken tussen de bandjes zijn bij voorkeur 90°. De strocmdoorgang kan plaatsvinden op de in de figuur met behulp van pijlen 36 aangegeven wijze. De 5 constructie is zeer eenvoudig te vervaardigen wanneer ook de bandjes 32, 33, 34 en 35 uit Ti bestaan. Het geheel van basis en bandjes kan dan uit plaatmateriaal worden geponst. Omdat bij deze uitvoeringsvorm het randje van 0,2 irm. hoog aan de basis 20 in figuur 2 overbodig is, kan met een materiaaldikte van 25^um een opwarmtijd val 1,2 seconde 10 worden gerealiseerd bij een stationair aan de kathode toegevoerd vermogen van slechts 0,22 W. Uit microfonie-tests, waarbij de hoek tussen de bandjes en het vlak van de basis is gevarieerd tussen 30° en 60° is gebleken, dat de kathode volgens deze uitvoeringsvorm mechanisch uitermate stabiel is en er nagenoeg geen microfonie optreedt.

15 Uiteraard zijn allerlei variaties op de constructie volgens figuur 6 mogelijk. Zo kunnen er drie in plaats van vier bandjes worden toegepast. Om een goede termperatuurverdeling te krijgen moet in dit geval, bij gelijke diktes van de bandjes, gebruik warden gemaakt van twee smalle bandjes, die elektrisch parallel staan, terwijl het derde 20 bandje ongeveer twee maal zo breed is als een van de smalle bandjes. ' Het is niet noodzakelijk bij een kathode volgens de uitvinding dé bandjes aan de ontrek van de basis te bevestigen.

25 30 35 8100928

Claims (5)

1. Qxydkathode bevattende een metalen basis (11, 20, 30) en een verwarmingselement (13, 22, 23, 32, 33, 34, 35) voor het verhitten van deze basis, op welke basis een aardalkalimetaaloxyde bevattende poreuze laag (12, 21, 31) is aangebracht, met het kenmerk, dat de 5 basis in hoofdzaak uit titaan (Ti) bestaat.

2. Qxydkathode volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het verwarmingselement elektrisch geïsoleerd is van de basis door midrfpi van een laag (14) yttrium-oxyde (^¾) ·

3. Qxydkathode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 10 verwarmingselement uit twee in hoofdzaak L-vormige dunne metalen bandjes (22, 23) bestaat ieder met een kort en een lange stripvormig deel (27, 28), welke bandjes met het uiteinde van het korte strip-vconig deel aan de basis (20) zijn bevestigd en de lengte assen van de lange stripvormige delen zich in hoofdzaak evenwijdig aan het oppervlak 15 van de basis uitstrekken, welke assen een hoek tussen 30° en 120° met elkaar maken, welke bandjes tevens dienen voor de ophanging van de Qxydkathode.

4. Qxydkathode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het verwarmingselement uit vier zich van de basis uitstrekkende dunne 20 metalen bandjes (32, 33,34, 35) bestaat, waarvan er twee dienen voor het toevoeren en twee voor het afvoeren van de elektrische stroom voor de verhitting, welke bandjes tevens dienen voor de ophanging van de kathode.

5. Kathodestraalhiis voorzien van een oxydkathode volgens een 25 der conclusies 1 tot en met 4. 30 35 8100928