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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe eines Verfahrens
zum Herstellen einer imprägnierten Kathode sowie einer mittels
dieses Verfahrens hergestellten Kathode zugrunde. Sie kommt bei
der Herstellung von Kathoden für Elektronenröhren und
insbesondere, aber nicht ausschließlich, für
Anzeige-Kathodenstrahlröhren zur Anwendung.
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Imprägnierte Kathoden werden üblicherweise verwendet, um
elektronische Stromdichten in der Größenordnung von bis zu 1 bis 2
A/cm² bei Gleichstrom und noch höhere Stromdichten im Falle von
Stoßstrom zu liefern.
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Die nach dem Stand der Technik bekannten imprägnierten Kathoden
bestehen aus einem porösen Körper aus hitzebeständigem Metall,
wie beispielsweise reinem Wolfram oder aber einer Mischung aus
Wolfram und entweder einer natürlichen Metallegierung aus der
Platingruppe (gemischte Matrix), wie sie zum Beispiel aus der
Druckschrift FR A 2 356 263 bekannt ist, oder mit Scandiumoxid
oder anderen seltenen Erden mit schwacher Konzentration (3 bis
5 Gewichtsprozent).
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Dieser poröse Körper wird in der Regel durch Pressen eines
feinen Pulvers aus Metall (oder einer Mischung aus Metallen)
mit Hilfe einer isostatischen oder einer einachsigen Presse
hergestellt.
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Die auf diese Art und Weise hergestellten massiven Körper
werden anschließend unter Wasserstoff bei hoher Temperatur
erhitzt, um die Teilchen zusammenzusintern und um die Dichte des
porösen Körpers zu erhöhen.
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Um die Bearbeitung des porösen Körpers zu erleichtern, wird
dieser mit Kupfer oder Plastikmasse getränkt und anschließend
so bearbeitet, daß man die gewünschte Form erhält. Im Anschluß
hieran wird das Kupfer bzw. die Plastikmasse durch Auflösen in
einer Säure oder durch Erhitzen wieder entzogen.
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Der in der nun gewünschten Form erhaltene poröse Körper wird im
folgenden auf einen Mantel aus Molybdän gelötet, welcher dazu
dient, auf der einen Seite die emittierende Pille und auf der
anderen Seite einen in Aluminiumoxid eingetopft Glühfaden zu
halten, der das Erhitzen der Kathode ermöglicht. Sobald sich
der Glühfaden an Ort und Stelle befindet, können die Poren des
porösen Körpers mit Aluminaten von Barium und Calcium gefüllt
werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, der Körper wird mit
diesen Aluminaten, die die emittierende Substanz der fertigen
Kathode bilden, imprägniert.
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Für diesen Vorgang wird der poröse Körper in engem Kontakt mit
einer unter Reduktionsatmosphäre auf eine über ihrem Schmelz
punkt gelegene Temperatur gebrachte Mischung gehalten. Der
Kontakt wird entweder dadurch gewährleistet, daß der poröse Körper
in das Aluminat eingetaucht oder dadurch, daß das Aluminat auf
dem porösen Körper aufgebracht wird. Im Augenblick des
Schmelzens dringt nun das Aluminat durch Kapillarwirkung oder Fließen
in das Innere der geöffneten Poren ein und füllt diese. Die
Kathode wird anschließend mechanisch und chemisch gereinigt, um
die noch an den Oberflächen haftenden Aluminatrückstände zu
entfernen.
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Schließlich wird die Kathode im Vakuum bei einer Temperatur
angeregt, bei welcher das Wolfram das Barium- und Calciumaluminat
reduziert, um das Bariumoxid freizusetzen. Metallisches Barium
wird in den Bereichen gebildet, in denen das Aluminat mit dem
hitzebeständigen Metall in Kontakt ist (Poren). Das metallische
Barium gelangt zum Ende der Poren und breitet sich auf der
gesamten emittierenden Oberfläche aus, wo es mit dem Sauerstoff
eine einlagige Oberflächenschicht bildet, die das elektronische
Emissionsvermögen begünstigt, indem die
Elektronen-Austrittsarbeit vermindert wird.
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Weiterhin kann der Überzug auf der emittierenden Oberfläche
dieser imprägnierten Kathoden, welcher aus einer dünnen, eine
Dicke von einigen Tausend Angström aufweisenden Osmium-,
Iridium- oder Rutheniumschicht oder aus einer Legierung dieser
Metalle besteht, das Emissionsvermögen in etwa um einen Faktor 3
verbessern.
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Die Kathode mit gemischter Matrix, die mit einer dünnen Schicht
aus hitzebeständigem Metall überzogen ist, ist aus der
Druckschrift FR 4 2 469 792 im Namen der Anmelderin bekannt.
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Die erzielten Leistungen der mittels der nach dem Stand der
Technik bekannten Verfahren hergestellten Kathoden sind für die
meisten professionellen Anwendungen ausreichend, da hohe
Stromdichten im Verlaufe einer Lebensdauer erzielt werden können,
die die Lebensdauer der Ausrüstung, in welcher die Kathode oder
die die Kathode enthaltende Elektronenröhre eingebaut wird,
nicht begrenzt.
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Dennoch sind die nach dem Stand der Technik bekannten und im
vorangegangenen kurz zusammengefaßten Verfahren langwierig,
kompliziert und kostspielig, da sie zahlreiche Arbeitsschritte
ganz unterschiedlicher Arten umfassen, deren Durchführung zudem
hinsichtlich der Qualität des fertigen Produktes kritisch ist.
Diese Nachteile führen dazu, daß ihr Preis für großangelegt
öffentliche Anwendungen, bei denen der Preis in der Regel mit
zunehmender Anzahl von hergestellten Kathoden sinken soll,
unerschwinglich wird.
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Weiterhin ist aus dem Patent WO89/09480 bekannt, imprägnierte
Kathoden in einem einzigen Schritt, und zwar durch Pressen
einer Mischung aus Wolframpulvern und Aluminaten herzustellen.
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Dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung liegt also die
Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben. Zu diesem Zweck
empfiehlt die Erfindung ein besonderes Verfahren, das die
Vorteile der imprägnierten Kathoden mit sich bringt, und das es
ermoglicht, Kathoden gleicher Qualität jedoch mit einem,
verglichen mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren
wesentlich einfacherem Verfahren herzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die in Anspruch 1
aufgeführten Merkmale auf.
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Gemäß der Erfindung wird das Wolframpulver oder das Pulver aus
einer Mischung von Wolfram und einer natürlichen Metallegierung
der Platingruppe oder aus Scandiumoxid oder den drei Stoffen
mit einem Pulver aus Aluminaten von Barium und Calcium in den
gewünschten stöchiometrischen Verhältnissen gemischt,
anschließend wird diese Mischung in Form von Pillen unter
Wasserstoffatmosphäre bei einer über der Schmelztemperatur der Aluminate
gelegenen Temperatur gepreßt und gesintert. Man erhält nun eine
gut zu handhabende Gangmasse mit einer dem porösen Körper
entsprechenden Konsistenz, die durch leichtes Pressen in einen
Träger aus Molybdän oder Tantal eingebracht wird.
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Gemäß eines Merkmals der Erfindung enthält die Mischung
Wolframpulver oder Pulver aus Wolfram und anderen, wie im
vorangegangenen erwähnten Stoffen, mit Carbonaten von Barium- und
Calcium und Aluminiumoxid in den gewünschten stöchiometrischen
Verhältnissen. Diese Mischung wird anschließend bei gleicher
Temperatur wie zuvor gepreßt und gesintert. Auf diese Weise
bildet sich das Aluminat im Verlaufe des Sinterns in der
ursprünglichen Lage.
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Gemäß eines weiteren Merkmals der Erfindung wird die
emittierende Oberfläche der entsprechend dem Verfahren der
Erfindung hergestellten Pille mit einer dünnen Schicht aus Osmium,
Iridium oder Rhenium überzogen, um deren Emissionseigenschaften
zu verbessern.
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Anschließend wird der Glühfaden hinzugefügt und auf
herkömmliche Art und Weise eingetopft, und die Kathode wird auf die
gleiche Weise wie zuvor angeregt.
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Somit ermöglicht das Verfahren gemäß der Erfindung, all die
nach dem Stand der Technik bekannten Vorteile der imprägnierten
Kathoden - ganz gleich ob mit einfacher (reines Wolfram) oder
gemischter Matrix, ob mit oder ohne Überzug - zu erhalten,
jedoch mit vereinfachter, zeitsparenderen sowie billigeren
Verfahren, mit einer gegenüber dem Stand der Technik ganz
wesentlich verminderten Anzahl von Arbeitsschritten, wodurch die
Möglichkeit gegeben ist, eine gleichwertige Qualität des
Fertigproduktes mit weniger kritischer Handhabung und folglich mit
weniger Kontrollen zu erhalten.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist demzufolge besonders
geeignet für eine kostengünstige und schnelle industrielle
Produktion von Kathoden mit hoher Stromdichte und einer relativ
langen Lebensdauer, wodurch es möglich ist, deren Verwendung in
Anlagen in Betracht zu ziehen, die in großem Maße eingesetzt
werden sollen.
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Genauer gesagt, liegt der Erfindung also die Aufgabe eines
Verfahrens zum Herstellen einer imprägnierten Kathode zugrunde,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß durch Pressen und Sintern
einer Mischung aus wenigstens einem Pulver aus hitzebeständigem
Metall und einem Pulver aus Aluminaten von Barium und Calcium
oder Carbonaten von Barium und Calcium mit hinzugefügtem
Aluminiumoxid eine emittierende Pille hergestellt wird.
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Das am 20. Juli 1990 angemeldete Patent EP-A-0 409 275, welches
eine japanische Priorität vom 21. Juli 1989 beansprucht und am
23. Januar 1991 unter Benennung Frankreichs, Deutschlands und
der Niederlande veröffentlicht wurde, beschreibt ein Verfahren
zum Herstellen einer imprägnierten Kathode, bei der eine
emittierende Pille durch Pressen und Sintern einer Mischung aus
einem Pulver aus hitzebeständigem Metall und Carbonaten von
Barium und Calcium mit hinzugefügtem Aluminiumoxid unter
Argonatmosphäre hergestellt wird.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe einer imprägnierten
Kathode zugrunde, welche man unter Anwendung des im
vorangegangenen beschriebenen Verfahrens erhält.
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Hilfsweise liegen der Erfindung Varianten von imprägnierten
Kathoden zugrunde, die ausgehend von dem soeben beschriebenen
Verfahren hergestellt werden können; wie zum Beispiel nach dem
Verfahren der Erfindung hergestellte Kathoden, die anschließend
mit einer dünnen Schicht der natürlichen Metallegierung der
Platingruppe oder einem anderen Material überzogene werden, um
ihr elektronisches Emissionsvermögen zu erhöhen oder um die
Betriebstemperatur bei gleichzeitiger Konstanthaltung des
Emissionsvermögens zu senken. Der Erfindung liegen weiterhin
Varianten von imprägnierten Kathoden zugrunde, die ebenfalls
ausgehend von dem Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt werden können, wie beispielsweise nach dem Verfahren der
Erfindung hergestellte Kathoden, wobei jedoch als Ergänzung zu
der Mischung aus dem Pulver eines hitzebeständigen Metalls und
den Aluminaten oder den Carbonaten von Barium und Calcium
Scandiumoxid oder seltene Erden hinzugefügt werden. Weitere
Varianten des Verfahrens gemäß der Erfindung wären leicht denkbar und
könnten vom Fachmann auf eifache Weise realisiert werden, um
die durch die Erfindung erhaltenen Vorteile mit besonderen im
übrigen bekannten Vorteilen für ganz spezifische Anwendungen
zusammenzutragen.
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Die Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
anhand der nun folgenden Beschreibung, der in keiner Weise
einschränkend zu verstehenden, lediglich zur Verdeutlichung
gegebenen Beispiele sowie anhand der beigefügten Zeichnungen
besser verständlich, hierin zeigen:
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- Figur 1 auf schematische Art und Weise die wichtigsten
Schritte eines vereinfachten erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen einer imprägnierten Kathode;
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- Figur 2 eine mögliche Anwendung dieser Kathoden als Emitter
für Kathodenstrahlröhren;
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In Figur 1 sieht man ein Beispiel einer imprägnierten Kathode,
die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist, von
dem in dieser Figur 1 die wesentlichen Schritte dargestellt
sind.
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Die emittierende Pille (1) wird auf eine herkömmliche Art und
Weise durch Pressen (c) und Sintern (d) einer Mischung (b) aus
einem Pulver (w) aus wenigstens einem hitzebeständigen Metall
und einem Pulver (y) aus Aluminaten von Barium und Calcium oder
Carbonaten von Barium und Calcium mit Aluminiumoxid
hergetellt.
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Wenigstens eines der Ausgangspulver (w) ist ein Pulver aus
bekannten Elementen wie beispielsweise Wolfram, Molybdän, Tantal,
Rhenium oder diese Elemente enthaltende Legierungen, oder ein
Pulver aus einem Element, das in der Lage ist, die
elektronische Emission zu verbessern, wie zum Beispiel Osmium,
Ruthenium, Iridium oder die wenigstens eines dieser Elemente
enthaltenden Legierungen, oder schließlich auch ein Pulver aus
Scandiumoxid oder aus Scandium enthaltenden Oxidteilchen.
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In Figur 1 (e) sieht man die emittierende Pille in einer Schale
eingekapselt, welche anschließend in einen Mantel (4) aus
Molybdän oder Tantal eingesetzt wird (f). Nun muß lediglich noch
ein mit einer dünnen (nicht dargestellten) isolierenden Schicht
überzogener Glühfaden (5) aus Rhenium-Wolfram hinzugefügt und
in dem Mantel (4) durch einen "Potting"-Körper aus
Aluminiumoxid (6), wie er in Figur 1 (g) zu sehen ist, gehalten
werden.
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Zur Erläuterung können die im folgenden aufgeführten Parameter
herangezogen werden:
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- die zu mischenden Pulver werden gesiebt und auf eine
Korngröße in der Größenordnung von 5 bis 10 Mikrometern
gebracht. Sie werden anschließend in den gewünschten
stöchiometrischen Verhältnissen gemischt, um die erforderlichen
Qualitäten der Kathode zu erhalten. Diese entsprechenden
Verhältnisse werden durch Versuche für eine ganz bestimmte
Anwendung festgelegt, sie können jedoch beispielsweise
folgendermaßen aussehen: W = 80 %, Sc&sub2;O&sub3; = 2 %, BaO = 12 %, CaO
= 3 %, Al&sub2;O&sub3; = 3 %; oder das Wolframpulver könnte aber auch
durch eine Mischung aus Wolframpulvern und einem anderen
Metall ersetzt werden, wie zum Beispiel: W = 45 %, Os = 35 %.
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- Die gemischten Pulver werden in einer isostatischen oder
einachsigen Presse unter einem Druck in der Größenordnung
von beispielsweise 10 t/cm² zusammengepreßt (c), um eine
Pille zu formen.
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- Die Pille wird bei hoher Temperatur (in der Größenordnung
von beispielsweise 2000º C) unter Wasserstoffatmosphäre
gesintert (d). Die gewählte Temperatur wird ausreichend
sein, um die Schmelztemperatur der in der Pille enthaltenen
Aluminate zu erreichen.
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- Die auf diese Weise hergestellte emittierende Pille wird
dann mechanisch auf einem Mantel (4) aus Mo oder Ta
angebracht, eventuell mit Hilfe einer Schale (3), in welcher die
Pille durch leichtes Pressen eingesetzt wird.
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Der Mantel (4) kann durch Aufsetzen (f) auf die Schale (3) mit
dem Aufbau zu einem Ganzen zusammengefügt werden.
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Im Anschluß hieran kann der zuvor mit einer (nicht
dargestellten) dünnen Schicht aus Aluminiumoxid überzogene Glühfaden in
den Mantel eingesetzt und mittels eines im allgemeinen unter
dem englischen Begriff "potting" bekannten Körpers (6) aus
Aluminiumoxid an Ort und Stelle gehalten werden. Dieser "potting"-
Vorgang kann zum Beispiel durch Sintern eines mit Hilfe einer
Suspension um den Glühfaden herum im Inneren des Mantels
abgelagerten Pulvers aus Aluminiumoxid bei einer Temperatur von
1800º C unter Wasserstoff erfolgen.
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Die emittierende Pille könnte eventuell mit einer dünnen
metallischen Schicht mit einer Dicke beispielsweise zwischen 10 und
30.000 Angström überzogen werden, wobei das metallische
Material aus der Gruppe ausgewählt werden kann, in welcher Osmium,
Ruthenium und Iridium sowie die Legierungen enthalten sind, die
eines dieser Elemente aufweisen. Diese dünne Schicht kann mit
Hilfe herkömmlicher Mittel wie Sputtering, Ablagerung im Vakuum
oder mit jedem anderen geeigneten Mittel abgeschieden werden.
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In Figur 2 ist schematisch und im Schnitt ein möglicher Aufbau
einer gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellten Kathode
für eine Anwendung als Elektronenemitter für eine
Kathodenstrahlröhre dargestellt.
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Für diese Anwendung muß der imprägnierten Kathode, wie sie in
der Figur 1 (g) abgebildet ist, lediglich ein Träger (7)
hinzugefügt werden, um die Gesamtanordnung an dem gewünschten Ort in
der Anlage zu halten. Da die Kathode in der Regel bei hoher
Spannung in einer Elektronenkanone arbeitet, wird dieser Träger
(7) wahrscheinlich elektrisch isolierend sein, also
beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Keramik bestehen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung bietet im Vergleich zum Stand
der Technik den Vorteil, daß es mit einer wesentlich geringeren
Anzahl von Arbeitsschritten sowie mit für die Qualität des
Produktes weitaus weniger kritischen Handhabungen durchgeführt
werden kann. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit einer besseren
Produktionsleistung bei gleichzeitig erhöhtem Produktionstempo
sowie einem geringem Stückpreis.
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Aufgrund all dieser Vorteile kann die Verwendung dieser
Kathoden, die hinsichtlich der Leistung mit denjenigen auf Grund der
hohen Kosten lediglich für den professionellen Einsatz
bestimmten
zuvor erwähnten Kathoden vergleichbar sind, für weitaus
größere Anwendungen und eventuell für großangelegte öffentliche
Anwendungen in Betracht gezogen werden.