DE60008601T2 - Verfahren zum zusammenbau einer kathode für eine kathodenstrahlröhre - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbau einer Kathode für eine Elektronenkanone, das insbesondere für eine sogenannte Matrix-Vorratskathode (impregnated cathode) geeignet ist.
• Eine Matrix-Vorratskathode enthält einen emittierenden Teil in Form einer porösen Substanz aus einem feuerfesten Material (Wolfram, Molybdän, Rhenium), imprägniert mit einem elektronenemittierenden Material (Barium, Strontium, Calzium, Aluminium, Scandium, Osmium, usw.), einer Metallkappe, in das die poröse, emittierende Substanz eingefügt ist, und einer Metallhülse aus einem feuerfesten Material wie Molybdän, Tantal oder Wolfram, wobei die Hülse auch mit Kathodenschürze (cathode skirt) bezeichnet wird. Die Kappe mit dem emittierenden Material wird auf eines der Enden der Hülse aufgebracht. An dem anderen Ende der Hülse wird ein Heizfaden zum Erwärmen der Kathode eingebracht, und dieser Heizfaden erhöht den emittierenden Teil der Kathode auf eine Temperatur von ungefähr 1000°C während ihrer Verarbeitung.
• Die Kappe besteht im allgemeinen aus einem feuerfesten Material wie Tantal oder Molybdän. Sie macht es möglich, den emittierenden Teil des Heizfadens zu isolieren, so dass die während des Betriebs der Kathode durch das emittierende Teil emittierten Materialien den Heizfaden nicht korrumpieren und die Isolierschicht des Letzteren nicht beschädigen und dadurch den Heizfaden nicht beschädigen und somit denjenigen der Kathode selbst nicht beschädigen können.
• Der die emittierende Substanz darstellende imprägnierte Körper der Kathode muss in Kontakt bleiben mit der Metalloberfläche der Kappe, um so die thermische Wirksamkeit der Kathode zu optimieren. Ein geringer Kontakt, der Zwischenräume zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des imprägnierten Körpers und der Kappe belässt, verringert die thermische Effizienz. Das hat eine Verringerung der Stromdichte zur Folge, die die Kathode emittieren kann. Darüberhinaus bewirkt ein schwacher Kontakt zwischen dem Körper und der Kappe Dispersionen einer unakzeptablen Emissionseigenschaft, wenn diese Kathoden zum Beispiel in Dreiergruppen in die Elektronenkanonen für eine Farbkathodenstrahlröhre eingefügt werden. Nun ist es entsprechend den benutzten Materialien schwierig, den imprägnierten porösen Körper darin entweder durch Löten oder Schweißen in einer vernünftigen Weise mit ausreichender Wiederholbarkeit anzubringen.
• Im Stand der Technik zur Lösung dieser Schwierigkeit wurden mehrere Lösungen beschrieben. Das Patent EP 27 2881 beschreibt die Anwendung von Rhenium-Drähten zwischen dem Körper und der Kappe, um auf diese Weise das Verschweißen dieser beiden Elemente zu verbessern. Die US 5 128 584 beschreibt ein Verfahren, in dem die Imprägnierung des porösen Materials nach dem Betrieb des Laserschweißens des Körpers und der Kappe erfolgt. Schließlich wird die Anwendung eines Zwischenstücks, das die Rolle einer Schnittstelle spielt und das Schweißen zwischen dem Körper und der Kappe verbessert, in der Veröffentlichung mit dem Titel "Temperature and cutoff stabilization of impregnated cathodes", veröffentlicht in den Proceedings of the "SID 96 digest" für die Konferenzen der "Society for Information Display", abgehalten in 1996, sowie in der Patentanmeldung EP 79 8758 beschrieben.
• Alle diese Lösungen sind kostenaufwendig und komplex in der Durchführung, insbesondere wenn die Kathoden sehr kleine Durchmesser aufweisen, zum Beispiel in der Größenordnung von einem Millimeter für den Durchmesser des emittierenden Körpers.
• Die Erfindung schlägt eine einfache und wirtschaftliche Lösung für die Bildung einer einwandfreien Beibehaltung des emittierenden Körpers in seiner Kappe ohne die Nachteile vor, die sich aus der Anwendung der im Stand der Technik verschiedenen Lösungen ergeben.
• Das Verfahren für die Montage oder den Zusammenbau einer Kathode für eine Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 angegeben. Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
• Die Erfindung wird besser verständlich anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung:
• 1 zeigt eine Matrix-Vorratskathode gemäß dem Stand der Technik.
• 2A bis 2C zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung.
• 3A bis 3C zeigen eine andere zweite Ausführungsform der Erfindung.
• 4 ist ein Querschnitt einer Matrix-Vorratskathode, die entsprechend dem Montageverfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist und einen vorteilhaften Aufbau bezüglich der Durchführung der Erfindung aufweist.
• Wie 1 zeigt, enthält eine Matrix-Vorratskathode im allgemeinen eine zylinderförmige Schürze oder Einfassung 2, an deren Ende der obere Teil der Kathode liegt, die aus dem emittierenden Körper 1, im allgemeinen mit Wolfram als Grundmaterial, besteht, eingefasst in deren Trägerteil 13, im allgemeinen eine Kappe aus Tantal oder Molybdän. Das Heizelement 5 ist in das Innere der Einfassung 2 eingefügt. Ein Zylinder dient als Wärmeschild zur Vermeidung des Austritts der durch das Heizelement 5 erzeugten Wärme und erhöht somit die thermische Effizienz der Anordnung. Die zylinderförmige Einfassung 2 wird innerhalb der Abschirmung 4 durch Nasen 3 gehalten, die mit der Einfassung 2 und der thermischen Abschirmung 4 verschweißt sind. Eine der Schwierigkeiten bei der Montage oder dem Zusammenbau der verschiedenen Vor-Bauteile der Kathode besteht in der Verbindung zwischen dem Körper 1 und seinem Träger 13. Diese Verbindung muss mechanisch fest sein, eine ausgezeichnete thermische Übertragung bieten und hinsichtlich der Emissionseigenschaften des Körpers neutral sein, alles dies bei hohen Verarbeitungstemperaturen, die 1200°C übersteigen können. Die Emissionsstabilität, die Lebensdauer, die Startzeit und die Emissions-Schwellwertstabilität sind im Wesentlichen abhängig von der mechanischen Befestigung des Körpers mit dem übrigen Aufbau der Kathode.
• Da der emittierende Körper und sein Träger aus feuerfesten Materialien bestehen, ist es extrem schwierig, die beiden Elemente direkt durch Schweißen miteinander zu verbinden. Die zahlreichen, im Stand der Technik gezeigten Lösungen bieten darüberhinaus keine einfache, zuverlässige und wirtschaftliche Lösung mit Eigenschaften der Wiederholbarkeit, wie sie für die Industrialisierung eines Schlüsselelements für eine Kathodenstrahlröhre benötigt werden. Um einen einwandfreien Kontakt zwischen der feuerfesten Metallkappe 13 und dem emittierenden Körper 1 zu bewirken, welcher Kontakt es ermöglicht, die thermische Leitfähigkeit zwischen dem Heizelement 5 und dem Körper zu optimieren, ist es erforderlich, eine Ver schweißung zu bilden, die die Materialien miteinander verbindet, ohne die Porosität des Körpers zu zerstören und ohne die Emissionseigenschaften zu ändern, um so ein Verschweißen bei einer zu hohen Temperatur zu vermeiden.
• Gemäß einem Montageverfahren gemäß der Erfindung, wie es in den 2A bis 2C dargestellt ist, wird der emittierende Körper 1, der zum Beispiel aus einem durch Sinterung gewonnenen porösen Wolfram besteht, in seine Aufnahme eingefügt, eine Kappe 13 mit einem trichterförmig aufgeweiteten Rand 14 an ihrem Umfang. Dieser Rand ist hauptsächlich dafür vorgesehen, die Einfügung des emittierenden Körpers in die Kappe zu erleichtern. Die Anordnung aus Körper/Kappe wird danach in eines der offenen Enden der Kathodeneinfassung 2 eingefügt. Der Rand 14 stößt gegen die Kante des genannten Endes der Einfassung 2. Der Körper wird während der Schweißphase in konventioneller Weise in seiner Kappe gehalten, indem er zum Beispiel zwischen einem Druckkörper 21 und einer festen Stütze 22 liegt. Der Druckkörper liegt auf der freien Oberfläche des Körpers, während die freie Oberfläche der Kappe auf der festen Stütze 22 liegt. Die Verschweißung erfolgt bei 19, zum Beispiel durch einen Laserstrahl, vorzugsweise an dem Rand, da dieses die Stelle ist, wo man sicher ist, dass die beiden Teile in Kontakt miteinander effizient verschweißt werden (2 und 13). Tatsächlich benötigt das Spiel für die Einführung der Kappe in die zylinderförmige Einfassung das Bestehen eines mechanischen Spiels zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen. Während des Verschweißens mit einem Laser könnte dieses Spiel die Aufweitung der Einfassung verursachen, ohne eine effektive Verschweißung zu bewirken. Örtlich bildet das Verschweißen eine Metallwulst 23, die teilweise in den Zwischenraum zwischen der Kappe und der Einfassung fließt.
• Somit sind mehrere Schweißpunkte 23 um das Ende der Einfassung 2 verteilt. In einer vorteilhaften Konfiguration bilden drei Schweißpunkte bei 120°C zueinander eine gute mechanische Stabilität der Kappe 13 in der Einfassung 2.
• In der darauffolgenden Crimpphase, die in 2B dargestellt ist, wird die Anordnung aus dem emittierenden Körper 1/Kappe 13/Einfassung 2 durch die Druckelemente 20 zusammengedrückt, die eine seitliche Zusammendrückung dieser Anordnung bewirken. Das Profil des Endes 25 der Druckelemente, das auf den Um fang der Körper/Kappen/Einfassung- Anordnung zu liegen kommt, hat eine Form komplementär zu der Außenseite dieser Anordnung.
• Das Crimpen macht es möglich, die innere Oberfläche der Kappe an die gesamte seitliche Oberfläche des Körpers anzupassen. Bei den Schweißpunkten bewirkt das Crimpen aufgrund des die Wulst 23 bildenden Überschussmaterials eine örtliche, kerbenförmige Verformung 24 des porösen Körpers 1. Diese Verformung verankert die Schweißwulst in der Seitenwand des Körpers und befestigt diesen mechanisch innerhalb der Kappe, wie 2C zeigt.
• Das Verfahren ermöglicht eine einfache, endgültige Prüfung durch Überwachung des Ausmaßes des Quetschens der Schweißpunkte durch eine zerstörungsfreie Dimensprüfung, zum Beispiel sichtbar, während das Schweißen oder das Löten zwischen dem Körper und der Kappe eine Zerstörung benötigt, um Zugriff zu dem verborgenen Teil, der Gegenstand dieser Prüfung ist, zu erlangen.
• In einer in den 3A bis 3C dargestellten alternativen Ausführungsform erfolgt das Crimpen mit den Druckelementen, die ein Endprofil 25 aufweisen, gewählt derart, dass der Rand der Kappe an dem Bereich um das Ende der Einfassung 2 getragen wird, die nach dem Crimpen am meisten gequetscht ist. Daher stoßen die Kanten der Kappe und das Ende der Einfassung 2 örtlich gegen die Seitenfläche des emittierenden Körpers derart, dass nach dem Crimpen der Körper an seiner Seitenfläche eine kerbenähnliche Verformung 24 aufweist, die durch das Eindringen der Kanten der Kappe und der Einfassung verursacht sind. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es ein weniger kritisches Verschweißen der Einfassung mit der Kappe bewirkt, insofern, als die Verformung 24 nicht mehr mit der Abmessung der Wulst 23 verknüpft ist, die sich mit den Schweißbedingungen ändern kann oder die Schweißphase selbst erübrigt.
• Die beiden vorangehenden Ausführungsformen sind nicht exklusiv zueinander und können in vorteilhafter Weise kombiniert werden, um dadurch die Sicherung des Körpers in der Kappe zu verbessern.
• Während der Crimpphase wird das poröse Material des Körpers komprimiert, und es kann notwendig sein, sicherzustellen, dass die Umrundung des Bestandmaterials der Kappe diese Kompression absorbiert wird und während des Crimpens ausreichend schrumpfen kann. Anderenfalls kann der auf den emittierenden Körper ausgeübte Druck bewirken, dass Letzterer bricht und die Kathoden unwiederbringlich beschädigen.
• Die kerbenförmige Eigenschaft der Porosität des Materials des Körpers macht es möglich, einen Teil der Kompression zu absorbieren. Das ergibt eine Verringerung dieser Porosität in dem Umfangsbereich. Zusätzlich füllt das Kriechen des Materials der Kappe die Zwischenräume der einander zugewandten Flächen des Körpers und der Kappe. Dieses Kriechen verbessert daher den Kontakt zwischen dem Körper und der Kappe und optimiert daher die thermische Übertragung der Kathode. Durch die untere Stütze 22 wird der thermische Kontakt auch zwischen dem Körper 1 und der Kappe 13 hergestellt.
• Damit eine beachtliche Menge des Materials der Kappe kriechen kann, ist es möglich, auf der festen Stütze 22 eine Aussparung vorzusehen, die zum Beispiel auf dem Umfang dieser Fläche liegt und in einen kerbenähnlichen Bereich 30 resultiert, wie in 4 dargestellt ist. Dieser kerbenähnliche Bereich ermöglicht, die Beanspruchungen zu verringern und einen festen Kathodenaufbau während der Lebensdauer der Röhre zu gewährleisten.
• Dieses Verfahren zum Zusammenbau der Bestandteile der Kathode hat mehrere weitere Vorteile. Es benötigt keine Schweißphase des emittierenden Körpers mit der Kappe und vermeidet dadurch, dass der Schweißvorgang das in dem Körper enthaltene Imprägniermittel beschädigt. Es macht es möglich, ein Abmessungsspiel zwischen dem Körper und der Kappe zu bekommen, da das Spiel durch das Crimpen absorbiert wird. Dieses Spiel ermöglicht Abmessungstoleranzen auf dem Körper und der Kappe und erleichtert daher ihre Herstellung. Es verringert die Anzahl der Montagevorgänge auf zwei einfache Vorgänge, ein Schweißen, gefolgt von einem Crimpen. Diese beiden Vorgänge sind darüberhinaus in der Lage, auf einer und derselben Maschine durchgeführt zu werden. Schließlich verringert es durch Verbesserung des Wärmeübergangs durch die Leitfähigkeit zwischen der Heizung und dem Körper über die Kappe die Startzeit der Kathode, ein wichtiges Werbekriterium für Kathodenstrahlröhren, in denen die derart zusammengebauten Kathoden die Quellen von Elektronenstrahlen sind.

Claims (5)

1. Verfahren zum Zusammenbau einer Kathode für eine Elektronenkanone mit einem Körper (1) aus einem emittierenden Material, einer Kappe (13), in die der Körper aus dem emittierenden Material eingesetzt ist, einer im wesentlichen zylinderförmigen Metalleinfassung (2) mit den folgenden, aufeinanderfolgenden Schritten: Einsetzen der Kappe in eines der offenen Enden der Metalleinfassung und Crimpen der Körper/Kappe/Einfassung- Anordnung durch seitliches Zusammendrücken in einer solchen Weise, dass eine kerbenähnliche Verformung (24) der Seitenfläche des Körpers entsteht.
2. Verfahren zum Zusammenbau einer Kathode für eine Elektronenkanone nach Anspruch 1 mit einer Phase zum Verschweißen der Kappe mit der Einfassung, wobei das seitliche Zusammendrücken in dem Schweißbereich der Kappe (13) mit der Einfassung (2) erfolgt.
3. Verfahren zum Zusammenbau einer Kathode für eine Elektronenkanone nach Anspruch 2, wobei die kerbenähnliche Verformung durch Quetschen der Schweißpunkte gegen die Seitenwand des Körpers erfolgt.
4. Verfahren zum Zusammenbau einer Kathode für eine Elektronenkanone nach Anspruch 2, wobei das Verschweißen der Kappe mit der Einfassung bei wenigstens drei Punkten erfolgt.
5. Verfahren zum Zusammenbau einer Kathode für eine Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei die kerbenähnliche Verformung (24) durch ein geeignetes Profil (25) der das Crimpen bewirkenden Druckelemente erfolgt.