DE4206909A1 - THERMIONIC EMITTING CATHODE ELEMENT - Google Patents

THERMIONIC EMITTING CATHODE ELEMENT

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermionisch emittie­ rendes Kathodenelement, welches mindestens ein Metall wie insbesondere Wolfram, Tantal, Rhenium, Iridium, Osmium sowie nanostrukturierte Partikel mit mittleren Durch­ messern <1000 nm enthält.The invention relates to a thermionic emittie rendes cathode element, which at least one metal such in particular tungsten, tantalum, rhenium, iridium, osmium as well as nanostructured particles with medium diameter contains <1000 nm.

Thermionische Elektronenemitter von Vakuumelektronen­ röhren, beispielsweise von Bildröhren, Röntgenröhren und allgemein von Röhren in der Hochfrequenz- und Mikrowellen­ technik sollen wegen steigender Leistungsanforderungen hohe Emissionsstromdichten bei möglichst niedriger Betriebstemperatur, eine hohe Lebensdauer, hohe Resistenz gegenüber Vergiftung durch Restgase und ein stabiles Verhalten bei Elektronenbeschuß aufweisen.Thermionic electron emitters of vacuum electrons tubes, for example of picture tubes, x-ray tubes and generally of tubes in high frequency and microwaves technology should because of increasing performance requirements high emission current densities with the lowest possible Operating temperature, long life, high resistance against poisoning by residual gases and a stable Show behavior when bombarded with electrons.

HDTV-Kathoden müssen Emissionsstromdichten von 20 A/cm2 zulassen, wobei die Betriebstemperaturen deutlich unter 1000°C liegen sollen und Lebensdauern von mehr als 20 000 h gefordert werden. Kathoden moderner Hoch­ leistungsröntgenröhren sollen Emissionsstromdichten von 10 A/cm2 bei relativ hohen Restgasdrücken von bis zu 10-3 mbar und bei intensivem Ionenbeschuß liefern.HDTV cathodes must allow emission current densities of 20 A / cm 2 , whereby the operating temperatures should be significantly below 1000 ° C and lifetimes of more than 20,000 h are required. Cathodes of modern high-performance X-ray tubes are said to deliver emission current densities of 10 A / cm 2 at relatively high residual gas pressures of up to 10 -3 mbar and with intensive ion bombardment.

Wichtigstes Eigenschaftskriterium einer Kathode ist eine über die Lebensdauer gleichbleibend hohe Emissionsstrom­ dichte. Bei einem bekannten Material mit gegebener Aus­ trittsarbeit für Elektronen läßt sich die Elektronen­ emission durch Temperaturerhöhung exponentiell erhöhen. Dadurch können jedoch eine Erhöhung der Verlustleistung, eine Verminderung der mechanischen Stabilität des emit­ tierenden Festkörpers bzw. seines Heizers und infolge Verdampfung des emittierenden Materials eine schnelle Erschöpfung des Vorrats und schädliche Kontaminationen von Systembauteilen einer Röhre (beispielsweise Gitter) ver­ ursacht werden, so daß einer hinsichtlich der Elektronen­ emission vorteilhaften Temperaturerhöhung Grenzen gesetzt sind.The most important property criterion of a cathode is one Consistently high emission current over the service life density. With a known material with a given Aus step work for electrons is the electrons Increase emissions exponentially by increasing the temperature. However, this can increase the power loss,  a reduction in the mechanical stability of the emit solid body or its heater and as a result Evaporation of the emissive material is rapid Exhaustion and harmful contamination of System components of a tube (e.g. grid) ver be caused so that one with respect to the electrons emission advantageous temperature increase set limits are.

Für den Hochtemperaturbetrieb sind nur wenige hochschmel­ zende Metalle, insbesondere W, Re und Ta als Refraktär­ metalle geeignet, da gleichzeitig die Forderung nach einer niedrigen Verdampfungsrate erfüllt werden muß.Only a few are high-melting for high-temperature operation metals, especially W, Re and Ta as refractory suitable metals because at the same time the demand for a low evaporation rate must be met.

Ein Vorteil des Hoch-Temperaturbetriebs reiner Metalle ist die geringe Kontamination (Vergiftung) der Kathodenober­ fläche und die geringe Empfindlichkeit gegenüber Ionen­ beschuß. Allerdings ist selbst reines Wolfram für hohe Emissionsstromdichten <5 A/cm2 und Lebensdauern von <103 h ungeeignet. Demgegenüber können solche Emissions­ bedingungen durch Aufbau geeigneter Oberflächenkomplexe (Adsorbat/Substrat-Dipolschichten) erfüllt werden, wodurch die Elektronenaustrittsarbeit herabgesetzt wird. Damit erreicht man hohe Emissionsstromdichten bei relativ nied­ rigen Betriebstemperaturen und geringe Energieverluste. In der Praxis werden Materialkombinationen von W/ThO2, W/Th, W/Ba, W/BaO, W/Sc2O3/Bao/Cao/Al2O3 verwendet.An advantage of high-temperature operation of pure metals is the low contamination (poisoning) of the cathode surface and the low sensitivity to ion bombardment. However, even pure tungsten is unsuitable for high emission current densities <5 A / cm 2 and lifetimes of <10 3 h. In contrast, such emission conditions can be met by building up suitable surface complexes (adsorbate / substrate dipole layers), whereby the electron work function is reduced. This achieves high emission current densities at relatively low operating temperatures and low energy losses. In practice, material combinations of W / ThO 2 , W / Th, W / Ba, W / BaO, W / Sc 2 O 3 / Bao / Cao / Al 2 O 3 are used.

Erstrebenswert ist dabei eine möglichst uniforme Belegung der emittierenden Fläche mit Komplexen, die eine niedrige Austrittsarbeit bei gleichzeitig geringer Abdampfrate haben. Dieses Ziel versucht man in der Praxis mit Hilfe strukturmodifizierter Kathoden, wie z. B. Imprägnations-, Top-Layer-, Mixed Metal Matrix-, Multilayer- und Controlled Porosity Dispenser-Kathoden zu erreichen. It is desirable that the occupancy is as uniform as possible the emitting area with complexes that have a low Work function with low evaporation rate to have. This goal is tried in practice with the help structure-modified cathodes, such as. B. impregnation, Top layer, mixed metal matrix, multilayer and To achieve controlled porosity dispenser cathodes.  

Die Gründe für die dennoch unzureichende Emission der konventionellen strukturmodifizierten Kathoden sind ein zu geringer Bedeckungsgrad der emittierten Kathodenoberfläche - z. B. mit ba-O bei imprägnierten Kathoden - durch ungenü­ gende Nachlieferung aus den Poren oder Korngrenzen nach Abdampfung/Absputtern oder wegen der Kontamination von Oberflächenplätzen durch Restgase.The reasons for the still insufficient emission of the conventional structure-modified cathodes are too low degree of coverage of the emitted cathode surface - e.g. B. with ba-O in impregnated cathodes - by inaccurate subsequent delivery from the pores or grain boundaries Evaporation / sputtering or because of the contamination of Surface spaces due to residual gases.

Die grundsätzliche Möglichkeit, hohe Emissionsstromdichten über Temperaturerhöhungen einzustellen, wird bei derartigen Kathodenausführungsformen über eine niedrige Lebensdauer erkauft. Im schlimmsten Fall werden Oberflä­ chenplätze irreversibel mit Elementen bzw. Molekülen belegt, welche die Austrittsarbeit sogar noch über den Wert des reinen Matrixmetalles erhöhen. Zwar regenerierbar aber in der Auswirkung ähnlich nachteilig ist der Verlust eines die Austrittsarbeit herabsetzenden Adsorbats (z. B. Sc aus Sc2O3) durch Verdampfung oder Ionenbeschuß.The basic possibility of setting high emission current densities via temperature increases is bought with a cathode embodiment of this type over a short service life. In the worst case, surface areas are irreversibly occupied with elements or molecules that increase the work function even more than the value of the pure matrix metal. Although regenerable, the disadvantage is similarly disadvantageous in the loss of an adsorbate which lowers the work function (for example Sc from Sc 2 O 3 ) by evaporation or ion bombardment.

Eine Dispenser-Kathode mit einem thermionisch emittieren­ den Kathodenelement der eingangs genannten Art ist durch die EP-A-04 42 163 als I-Kathode bekannt. Dabei sind in einer Metallmatrix nanostrukturierte Oxidpartikel wie beispielsweise BaO verteilt. Auf einem derartigen Effusionskathodenelement kann zusätzlich eine Deckschicht (z. B. Os, Ru) vorgesehen sein.A dispenser cathode with a thermionic emit the cathode element of the type mentioned is through EP-A-04 42 163 known as an I-cathode. Here are in a metal matrix nanostructured oxide particles such as for example, distributed BaO. On such Effusion cathode element can also have a cover layer (e.g. Os, Ru) may be provided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kathoden­ element der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß bei gegebener Temperatur höhere Emissions­ stromdichten bei hoher Lebensdauer ermöglicht werden.The invention has for its object a cathode element of the type mentioned at the beginning shape that higher emissions at a given temperature current-tight with a long service life.

Die Lösung gelingt dadurch, daß das Kathodenelement voll­ ständig aus nanostrukturierten Partikeln besteht, welche in homogener Verteilung zu einer Festkörpermatrix verbun­ den sind, daß 5 bis 90% des Gesamtvolumens des Kathoden­ elements aus ungefüllten und zur Umgebung offenen Poren besteht, wobei die von den Poren gebildeten freien Abstän­ de zwischen benachbarten Partikeln kleiner als 1000 nm sind, vorzugsweise 10 bis 500 nm betragen.The solution is achieved in that the cathode element is full constantly consists of nanostructured particles, which combined in a homogeneous distribution to form a solid matrix  that are that 5 to 90% of the total volume of the cathode elements from unfilled pores that are open to the environment exists, the free distances formed by the pores de between neighboring particles smaller than 1000 nm are, preferably 10 to 500 nm.

Ein erfindungsgemäßes Kathodenelement wird im Folgenden als "Effusionskathodenelement" bezeichnet, da Elektronen bei Betrieb aus den oberflächennahen, dicht verteilten Nanoporen und Poren ins Vakuum "effundieren". Ein Effu­ sionskathodenelement im Sinne der vorliegenden Erfindung kann, wenn es selbst keine Erdalkalioxide enthält, als Deckelement z. B. für eine I-Kathode bekannter Art verwen­ det werden. Andererseits kann ein erfindungsgemäßes Effu­ sionskathodenelement auch Partikel aus Erdalkalioxiden enthalten, so daß es dann als vollwertiges I-Kathodenele­ ment verwendbar ist.A cathode element according to the invention is described below referred to as "effusion cathode element" because of electrons when operating from the near-surface, densely distributed "Effuse" nanopores and pores into a vacuum. An effu ion cathode element in the sense of the present invention if it does not itself contain alkaline earth oxides, as Cover element z. B. for an I-cathode known type be det. On the other hand, an effu ion cathode element also particles from alkaline earth oxides included, so that it is then a full I-cathode element ment can be used.

Eine homogene Verteilung der nanostrukturierten Partikel bedeutet, daß in jedem Volumenelement mit einem Volumen (20 )3 die Anzahlen der jeweiligen Partikel mit einem mittleren Durchmesser um weniger als ± 20% voneinander abweichen, wobei als Mittelwert der statistisch streuenden Durchmesser d der Partikel definiert ist.A homogeneous distribution of the nanostructured particles means that in each volume element with a volume (20) 3 the numbers of the respective particles with an average diameter differ from one another by less than ± 20%, the statistically scattering diameter d of the particles being defined as the mean.

Als Durchmesser d von natürlich nicht genau kugelförmig ausgebildeten Partikeln ist der Mittelwert der in verschiedenen Winkellagen gemessenen räumlichen Erstreckung der Partikel zu verstehen.Of course not exactly spherical in diameter d particles formed is the mean of the in spatial angles measured at different angular positions Understand the extent of the particles.

Erfindungsgemäße Effusionskathodenelemente können zusätz­ lich mit an sich bekannten Deckschichten aus insbesondere Os oder Ru versehen sein. Solche Deckschichten sollten aber ebenfalls offenporig gestaltet werden. Effusion cathode elements according to the invention can additionally Lich with known cover layers from in particular Os or Ru can be provided. Such top layers should but can also be designed with open pores.  

Bei einem erfindungsgemäßen Effusionskathodenelement grenzen die für die Elektronenemission wichtigen Elemente und Verbindungen in homogener feiner Verteilung mit einer hohen Gesamtfläche an Poren an. Da die Poren offen und damit auf festkörperfreiem Wege von den Außenflächen des Effusionskathodenelements her zugänglich sind, ist die aktiv wirksame Fläche des erfindungsgemäßen Effusions­ kathodenkörpers erheblich vergrößert. Eine Nachlieferung von Erdalkaliatomen zu oberflächennahen Bereichen wird durch die Poren hindurch erleichtert. Infolgedessen lassen sich hohe Emissionsstromdichten bereits bei relativ niedrigen Betriebstemperaturen erreichen.In an effusion cathode element according to the invention limit the elements important for electron emission and compounds in homogeneous fine distribution with a high total area of pores. Because the pores are open and thus from the outer surfaces of the Effusion cathode element are accessible, is the active area of the effusion according to the invention cathode body significantly enlarged. A subsequent delivery from alkaline earth atoms to near-surface areas relieved through the pores. As a result, let high emission current densities are already at relative reach low operating temperatures.

Eine erfindungsgemäße Anordnung ist auch unempfindlich gegenüber Ionenbeschuß (Sputtern) und gegen Restgas­ belegung (Vergiftung). Die Sputtereffekte betreffen nämlich nur die äußere Oberfläche, nicht aber die ober­ flächennahen Bereiche in der nanoporösen Struktur. Uner­ wünschte Restgasbelegungen im Inneren der Nanostruktur sind unter Betriebsbedingungen erschwert, weil die großen inneren Oberflächen der nanostrukturierten Partikel in hohem Maße mit erwünschten Atomen/Molekülen belegt sind.An arrangement according to the invention is also insensitive against ion bombardment (sputtering) and against residual gas occupancy (poisoning). The sputtering effects affect namely only the outer surface, but not the upper areas close to the surface in the nanoporous structure. Our wanted residual gas occupancy inside the nanostructure are difficult under operating conditions because the big ones inner surfaces of the nanostructured particles in are highly occupied with desired atoms / molecules.

Diese Vorteile kommen insbesondere dann signifikant gegen­ über bekannten Kathoden zur Geltung, wenn das Effusions­ kathodenelement aus Partikeln besteht, von denen mindestens 90% einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 1000 nm, vorzugsweise 30 bis 500 nm aufweisen. Je kleiner die Partikeldurchmesser sind, um so größer wird das Ver­ hältnis der insgesamt verfügbaren aktiven Oberfläche zur äußeren Oberfläche des Effusionskathodenelements. Bei zu kleinen Partikeldurchmessern (d <1 nm) und auch bei zu kleinen Porendurchmessern wird allerdings die Wirksamkeit der Poren zu gering, da Strukturen aus Partikeln mit d<1 nm bei Betriebstemperaturen von 750° nicht auf Dauer stabil bleiben.These advantages are particularly significant over known cathodes to advantage when the effusions cathode element consists of particles, of which at least 90% a diameter in the range of 5 to 1000 nm, preferably 30 to 500 nm. The smaller the particle diameter, the larger the ver ratio of the total available active surface to outer surface of the effusion cathode element. In to small particle diameters (d <1 nm) and also with too Small pore diameters, however, will reduce the effectiveness of the pores is too small, since structures made of particles with d <1 nm at operating temperatures of 750 ° is not permanent  remain stable.

Die metallischen Komponenten sollten einen Anteil von <30%, insbesondere etwa 50-90% des Gesamtvolumens der Festkörperpartikel aufweisen. Ein Wert von etwa 50% hat sich dabei für Erdalkalioxid-Partikel enthaltende erfindungsgemäße Effusionskathodenkörper als vorteilhaft erwiesen. Bei einem Metallanteil von weniger als 30% ist eine genügend gute metallische Leitung des Effusions­ kathodenelements nicht mehr gewährleistet.The metallic components should have a share of <30%, especially about 50-90% of the total volume Have solid particles. Has a value of around 50% itself containing alkaline earth oxide particles effusion cathode body according to the invention as advantageous proven. With a metal content of less than 30% a sufficiently good metallic conduction of the effusion cathode element no longer guaranteed.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die oxidischen Partikel mindestens teilweise von einer dünnen Metallhülle umgeben sind oder daß mindestens ein Teil der metallischen Partikel von einer dünnen oxidischen Deckschicht umhüllt ist. Die Hüllschichten müssen natür­ lich so dünn bzw. so durchlässig strukturiert sein, daß der bedeckte Kern durch die Hülle hindurch aktiv wirksam werden kann.According to a development of the invention, that the oxide particles at least partially from a thin metal shell are surrounded or that at least one Part of the metallic particles of a thin oxidic Top layer is encased. The skin layers must be natural Lich structured so thin or so permeable that the covered core is active through the shell can be.

Besonders hohe Emissionsstromdichten wurden dadurch ermöglicht, daß das Porenvolumen im oberen Teil des Effusionskathodenelements größer als im unteren Teil ist.This resulted in particularly high emission current densities allows the pore volume in the upper part of the Effusion cathode element is larger than in the lower part.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten vorteilhaften Ausführungs­ beispielen näher erläutert.The invention is based on the description of in the Drawing shown advantageous embodiment examples explained in more detail.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Volumenelement eines erfindungsgemäßen Effusionskathoden­ elements, welches W- und Sc2O3-Partikel, aber keine Erdalkalioxid-Partikel enthält und als Auflage für ein I-Kathodenelement (Fig. 3) geeignet ist. Fig. 1 shows a section through a volume element of an effusion cathode element according to the invention, which contains W and Sc 2 O 3 particles, but no alkaline earth oxide particles and is suitable as a support for an I-cathode element ( Fig. 3).

Fig. 2 zeigt eine Ausführung mit Erdalkalioxid- Partikeln, welches als vollwertiges Dispenser­ kathodenelement verwendbar ist. Fig. 2 shows an embodiment with alkaline earth oxide particles, which can be used as a full dispenser cathode element.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Kathodenelement, bei welchem ein Effusionskathodenelement nach Fig. 1 auf einem I-Kathodenelement aufgebracht ist. FIG. 3 shows a section through a cathode element in which an effusion cathode element according to FIG. 1 is applied to an I-cathode element.

Fig. 4 zeigt eine strombeheizte mäanderförmige Aus­ führungsform eines Effusionskathodenelements mit einer Struktur nach Fig. 2. FIG. 4 shows a current-heated meandering form of an effusion cathode element with a structure according to FIG. 2.

Gemäß Fig. 3 ist ein Effusionskathodenelement 1 auf einem I-Kathodenelement 2 aufgebracht. Das I Kathodenelement 2 besteht aus einer porösen W-Matrix 3, welche mit BaCa- Aluminat 4 imprägniert ist. Die Struktur eines Volumenele­ ments des Effusionskathodenelements 1 ist in Fig. 1 an­ gedeutet. Wolfram-Partikel 5 mit einem mittleren Durchmes­ ser von 30 nm bilden ein tragendes Gerüst um Porenräume 6, in welchen bei Betrieb eine Elektronengaswolke entsteht. Eingelagert sind separate Oxidpartikel 7 aus Sc2O3 mit etwa gleichen Durchmessern. Infolge der Lieferung von Ba in Richtung des Pfeils 8 aus dem I-Kathodenelement 2 (Fig. 3) wird bei Betrieb der Kathode bei z. B. 900°C auf zu den Poren hin gerichteten Flächen der W-Partikel 5 ein Ober­ flächenkomplex 9 aus Ba-Sc-O gebildet. Bei 900°C und einer Feldstärke von ca. 4 kV/mm wurde eine Emissionsstromdichte von 110 A/cm2 gemessen (Elektronenstromrichtung gemäß den Pfeilen 10 und 11).Referring to FIG. 3, a Effusionskathodenelement 1 on an I cathode element 2 is applied. The I cathode element 2 consists of a porous W matrix 3 , which is impregnated with BaCa aluminate 4 . The structure of a volume element of the effusion cathode element 1 is indicated in FIG. 1. Tungsten particles 5 with an average diameter of 30 nm form a supporting framework around pore spaces 6 , in which an electron gas cloud is created during operation. Separate oxide particles 7 of Sc 2 O 3 with approximately the same diameter are embedded. As a result of the delivery of Ba in the direction of arrow 8 from the I-cathode element 2 ( FIG. 3), the cathode is operated at z. B. 900 ° C on the pores facing surfaces of the W particles 5, an upper surface complex 9 formed from Ba-Sc-O. At 900 ° C and a field strength of approx. 4 kV / mm an emission current density of 110 A / cm 2 was measured (electron current direction according to arrows 10 and 11 ).

Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind Sc2O3-Kerne 12 und BaO- Kerne 13 (oder auch CaO-Kerne) mit W-Schichten 14a bzw. 14b umhüllt. Auf den zu den Porenräumen 15 gerichteten W- Flächen der zweischichtigen Partikel werden emittierende Schichten aus Ba-Sc-O gebildet. Für den in Richtung der Pfeile 16, 17 fließenden Elektronenstrom wurden Strom­ dichten von 95 A/cm2 bei 850°C und Feldstärken von ca. 4 kV/mm gemessen.In the embodiment of FIG. 2, Sc 2 O 3 cores 12 and BaO cores 13 (or CaO-cores) with W layers 14 a and 14 b wrapped. Emitting layers of Ba-Sc-O are formed on the W surfaces of the two-layer particles facing the pore spaces 15 . Current densities of 95 A / cm 2 at 850 ° C. and field strengths of approximately 4 kV / mm were measured for the electron current flowing in the direction of arrows 16 , 17 .

Fig. 4 zeigt ein mäanderförmig folienartiges Effusions­ kathodenelement 20, mit einer Struktur nach Fig. 2, wel­ ches auf einem vorzugsweise aus W, Ni oder Ti bestehenden Tragblech 21 angeordnet ist. Das Tragblech 21 kann gleich­ zeitig Substrat für die Herstellung der Schicht des Effusionskathodenelements 20 sein. Fig. 4 shows a meandering film-like effusion cathode element 20 , with a structure according to Fig. 2, which is arranged on a support plate 21 preferably made of W, Ni or Ti. The support plate 21 can simultaneously be the substrate for the production of the layer of the effusion cathode element 20 .

Wegen der metallischen Leitfähigkeit erfindungsgemäßer Effusionskathodenelemente und der nanostrukturierten homo­ genen Struktur läßt sich das mäanderförmige Effusions­ kathodenelement 20 auch ohne Tragblech 21 dierekt heizen. Bei einem hindurchgeleiteten Heizstrom (Pfeil 18), kann ein Elektronenstrom in Richtung des Pfeils 19 erzeugt werden.Because of the metallic conductivity of effusion cathode elements according to the invention and the nanostructured homogeneous structure, the meandering effusion cathode element 20 can also be heated directly without a supporting plate 21 . If the heating current is passed through (arrow 18 ), an electron current can be generated in the direction of arrow 19 .

Man kann natürlich auch eine indirekte Heizung vorsehen. Beispielsweise können gemäß Fig. 2 strukturierte Effusionskathodenelemente auf einem Widerstandsheizleiter angeordnet sein.Indirect heating can of course also be provided. For example, structured effusion cathode elements according to FIG. 2 can be arranged on a resistance heating conductor.

Claims (10)

1. Thermionisch emittierendes Kathodenelement, welches mindestens ein Metall wie insbesondere Wolfram, Tantal, Rhenium, Iridium, Osmium sowie nanostrukturierte Partikel mit mittleren Durchmessern <1000 nm enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathoden­ element (1) vollständig aus nanostrukturierten Partikeln (5, 7) besteht, welche in homogener Verteilung zu einer Festkörpermatrix verbunden sind, daß 5 bis 90% des Gesamt­ volumens des Kathodenelements (1) aus ungefüllten und zur Umgebung offenen Poren (6, 15) besteht, wobei die von den Poren (6, 15) gebildeten freien Abstände zwischen benach­ barten Partikeln (5, 7, 14a, 14b) kleiner als 1000 nm sind, vorzugsweise 5 bis 500 nm, insbesondere 10 bis 100 nm be­ tragen.1. Thermionically emitting cathode element which contains at least one metal such as, in particular, tungsten, tantalum, rhenium, iridium, osmium and nanostructured particles with average diameters <1000 nm, characterized in that the cathode element ( 1 ) is composed entirely of nanostructured particles ( 5 , 7 ), which are connected in a homogeneous distribution to form a solid matrix that 5 to 90% of the total volume of the cathode element ( 1 ) consists of unfilled pores ( 6 , 15 ) which are open to the environment, the pores ( 6 , 15 ) Free spaces formed between neighboring particles ( 5 , 7 , 14 a, 14 b) are less than 1000 nm, preferably 5 to 500 nm, in particular 10 to 100 nm. 2. Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nanostrukturierten Parti­ kel aus Metallen (5) und Metalloxiden (7) wie Sc2O3, Y2O3, Eu2O3, La2O3, ThO2 bestehen und auf einem beheizbaren Sub­ strat aufgebracht sind.2. Cathode element according to claim 1, characterized in that the nanostructured Parti kel from metals ( 5 ) and metal oxides ( 7 ) such as Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , Eu 2 O 3 , La 2 O 3 , ThO 2 and are applied to a heatable sub strate. 3. Kathodenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nanostrukturierten Parti­ kel ausschließlich aus Metall (5) und gegebenenfalls Me­ talloxiden (7) wie Sc2O3 bestehen und daß das Kathodenelement (1) auf einem I-Kathodenelement (2) aufge­ bracht ist.3. Cathode element according to claim 1 or 2, characterized in that the nanostructured Parti kel exclusively made of metal ( 5 ) and possibly Me talloxiden ( 7 ) such as Sc 2 O 3 and that the cathode element ( 1 ) on an I-cathode element ( 2nd ) is brought up. 4. Kathodenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nanostrukturierten Partikel aus Metallen (13), gegebenenfalls Metalloxiden (12) und Erdalkalioxiden (13) bestehen.4. Cathode element according to claim 1 or 2, characterized in that the nanostructured particles consist of metals ( 13 ), optionally metal oxides ( 12 ) and alkaline earth oxides ( 13 ). 5. Kathodenelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als vorzugsweise mäander­ förmig verlaufendes Gebilde (Fig. 4) ausgebildet und durch direkten Stromdurchgang (18) geheizt ist.5. Cathode element according to claim 4, characterized in that it is formed as a preferably meandering structure ( Fig. 4) and is heated by direct current passage ( 18 ). 6. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Partikeln (5, 7, 14a, 14b) besteht, von denen mindestens 90% einen Durchmesser im Bereich von 1 bis 500 nm, vorzugsweise 10 bis 100 nm auf­ weisen.6. Cathode element according to one of claims 1 to 5, characterized in that it consists of particles ( 5 , 7 , 14 a, 14 b), of which at least 90% have a diameter in the range from 1 to 500 nm, preferably 10 to 100 nm. 7. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Komponenten (5, 14a, 14b) einen Volumenanteil von 30 bis 100%, insbe­ sondere 50% des Volumens der gesamten Festkörperpartikel aufweisen.7. Cathode element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the metallic components ( 5 , 14 a, 14 b) have a volume fraction of 30 to 100%, in particular 50% of the volume of the total solid particles. 8. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidischen Partikel (12, 13) mindestens teilweise von einer dünnen Metallhülle (14a, 14b) umgeben sind.8. Cathode element according to one of claims 4 to 7, characterized in that the oxidic particles ( 12 , 13 ) are at least partially surrounded by a thin metal shell ( 14 a, 14 b). 9. Kathodenelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der metallischen Partikel von einer dünnen oxidischen Deck­ schicht umhüllt ist.9. cathode element according to one of claims 4 to 7, characterized in that at least part of the metallic particles from a thin oxidic deck layer is covered. 10. Kathodenelement nach einem der Anspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Porenvolumen im oberen Teil des Effusionskathodenelements (1) größer als im unteren Teil ist.10. Cathode element according to one of claims 1 to 9, characterized in that the pore volume in the upper part of the effusion cathode element ( 1 ) is larger than in the lower part.
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