專利名稱：電子發(fā)射陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子發(fā)射陰極以及真空電子管，尤其涉及陰極射線管。
背景技術(shù)：
電子發(fā)射陰極用在真空電子管中，例如用在傳統(tǒng)電視機中或者電子束光刻器件中。在所謂的浸漬(I)陰極和氧化物(O)陰極之間存在區(qū)別。由于它們的金屬特性，所謂的I陰極(＝儲備式陰極)可以持久地提供比O陰極高很多的電流密度。生成的電流大小取決于發(fā)射物質(zhì)的電子功函數(shù)和工作溫度。用于生成10A/cm2區(qū)域中的電流密度的常規(guī)Os/Ru I陰極的工作溫度是960℃。產(chǎn)生這種溫度需要復(fù)雜的且由此而高成本的陰極結(jié)構(gòu)，由于降低導(dǎo)熱性的措施，該結(jié)構(gòu)的機械穩(wěn)定性導(dǎo)致了大規(guī)模生產(chǎn)中陰極和陰極射線管的壞品率的增加。另外，這種溫度造成在真空電子管工作期間，發(fā)射物質(zhì)以高蒸發(fā)率蒸發(fā)到電子波導(dǎo)管的多個部分上，這在電子束波導(dǎo)管器件(也稱為電子束光學(xué)器件)中頻繁地在用于聚焦和偏轉(zhuǎn)電子束的引發(fā)電壓上造成絕緣問題，該電壓經(jīng)常達到幾千伏特。
文獻DE19961672A1描述了鈧系儲備式陰極，與傳統(tǒng)的I陰極相比，因為由在鎢金屬體上的錸和鈧組成的復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，該鈧系儲備式陰極能夠在960℃的工作溫度上提供非常高的電流密度。在該鈧系儲備式陰極中的1.42eV的功函數(shù)仍然需要大于700℃的工作溫度來產(chǎn)生大于10A/cm2的電流密度，對于要提供大于100A/cm2的任何峰值電流需要大于850℃的工作溫度，參考文檔2000年7月的Technical Digest，IVESA Conference Orlando，F(xiàn)lorida(USA)，10-13，P-27。在這些工作溫度上，由于工作期間電子發(fā)射物質(zhì)的蒸發(fā)造成的電子束光學(xué)器件中的絕緣問題僅僅能夠適度降低。工作溫度僅僅略低于市場上的Os/Ru I陰極，沒有造成加熱器件的任何實質(zhì)上的簡化，而是導(dǎo)致錸/鈧氧化物多層結(jié)構(gòu)的高制造成本。對于如何能夠進一步降低陰極的工作溫度且同時保持相同的高發(fā)射電流和相同的使用壽命，現(xiàn)有技術(shù)沒有提供任何的提示。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種節(jié)約成本并且可靠的電子發(fā)射陰極，其能夠在避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點的同時，以恒定的且可再現(xiàn)的方式在很長的時間內(nèi)提供足夠高的電流密度。
該目的是通過電子發(fā)射陰極實現(xiàn)的，包括加熱器件，用于產(chǎn)生高于300℃的工作溫度；導(dǎo)電陰極支架，連接到所述加熱器件；以及陰極涂層，設(shè)置在所述陰極支架上，由包含從鈉、鉀、銣和銫組成的組中選出的至少一種堿金屬的電子發(fā)射物質(zhì)組成，并且在300℃到600℃的工作溫度上具有發(fā)射電流密度≥10A/cm2。工作溫度≥300℃通過表面雜質(zhì)的熱蒸發(fā)保證了對電子發(fā)射物質(zhì)的表面的持續(xù)清潔，所述雜質(zhì)例如為氧，其對于電子發(fā)射具有負作用。依靠優(yōu)越的電子發(fā)射物質(zhì)，即使是在工作溫度≤600℃時，也可以實現(xiàn)電子電流密度≥10A/cm2，因此實現(xiàn)了相當簡單且由此而節(jié)約成本的陰極設(shè)計；尤其是，所述陰極支架能夠以機械上堅固且由此可靠的方式連接到所述加熱器件上，這不需要任何特殊材料和/或者熱反射涂層。由于工作溫度≤600℃，因此電子束光學(xué)器件僅僅是被蒸發(fā)的物質(zhì)輕微弄臟。
在一個優(yōu)選實施例中，電子發(fā)射物質(zhì)包括堿金屬供應(yīng)源，用于維持發(fā)射電流密度。在工作期間，這種陰極對于諸如氧、濕氣或者二氧化碳之類的臨界氣體非常不敏感，因為蒸發(fā)的或者污染的電子發(fā)射物質(zhì)持續(xù)地被替代。
具有包括用于容納電子發(fā)射物質(zhì)的容器的陰極支架的陰極是有利的，其中，所述電子發(fā)射物質(zhì)包括多孔基體(matrix)以及結(jié)合到孔隙中的堿金屬合金，該多孔基體由鋯晶粒(grain)和金屬晶粒的混合物組成，所述金屬晶粒優(yōu)選地為鎢、鎳、錸和/或者鉑，并且該多孔基體的孔隙率在20％到40％之間，所述堿金屬合金用于為多孔基體表面提供堿金屬和/或者堿金屬氧化物的覆蓋層。這種陰極(儲備式陰極)可以在大于10000小時的工作時間內(nèi)均勻地提供高電流密度≥10A/cm2。
更為有利的是使用一種堿金屬合金，該堿金屬合金包含由堿金屬鉻酸鹽、堿金屬-硅合金、堿金屬-錫合金組成的組中的至少一種物質(zhì)，尤其是Cs2Cr2O7、CsSik或者CsSnk，其中1＜k＜4，并且將這種堿金屬合金作為位于孔隙中的物質(zhì)，用于為多孔基體表面提供堿金屬和/或者堿金屬氧化物的覆蓋層。
特別有利的是，在陰極的首次工作之前保存(handle)該陰極的是施加到電子發(fā)射物質(zhì)上的一個保護層，尤其是，該保護層包含由W、Re、Ir、Pt、Ni、Zrc、TaC組成的組中的至少一種物質(zhì)，該保護層保護電子發(fā)射物質(zhì)免受環(huán)境影響，尤其是在保護層的厚度為0.3μm到3.0μm之間時。
在另一個優(yōu)選實施例中，電子發(fā)射物質(zhì)包含致密層，該致密層被堿金屬和/或者堿金屬氧化物的單層所覆蓋，該致密層包含由堿金屬氮化物、堿金屬鋁酸鹽、堿金屬錫酸鹽、堿金屬金化物、津特耳相(Zintlphase)組成的組中的至少一種物質(zhì)，并且具有高于300℃的熔化溫度，該溫度用于提供堿金屬和/或者堿金屬氧化物的單層。
如果該致密層的厚度在10nm到100nm之間，從而使得該層的導(dǎo)電性足以實現(xiàn)發(fā)射電流密度≥10A/cm2，則是特別有利的。
如果從電子束方向上看，陰極支架包括在電子發(fā)射物質(zhì)上方覆蓋部分電子發(fā)射物質(zhì)的保護器件，則是更加有利的。這樣，從被加熱的陰極上蒸發(fā)的部分物質(zhì)沉積在位于電子發(fā)射物質(zhì)之上的保護層的側(cè)面，由此不會污染陰極的環(huán)境。
本發(fā)明還涉及一種真空電子管，其至少包含前面的權(quán)利要求中任意一個所述的陰極。


將參考在附圖中示出的實施例的示例進一步描述本發(fā)明，然而本發(fā)明并不局限于此。
圖1示出了具有加熱器件的陰極；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的陰極支架的示意性結(jié)構(gòu)，其包括用于容納電子發(fā)射物質(zhì)的容器；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的具有保護層的陰極支架的示意性結(jié)構(gòu)，其包括用于容納電子發(fā)射物質(zhì)的容器；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的具有保護層的陰極支架的示意性結(jié)構(gòu)，其包括致密電子發(fā)射物質(zhì)；以及圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的具有保護器件的陰極。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的安裝在真空電子管中的陰極的一個實施例，其典型地包括用于電子束生成和電子束聚焦與電子束偏轉(zhuǎn)的功能組，對于該陰極施加通常有幾千伏特的工作電壓。用于電子束聚焦與電子束偏轉(zhuǎn)的器件也稱為電子束光學(xué)器件。根據(jù)該實施例，真空電子管還包括將電子束打在其上的熒光膜或者目標對象。電子束生成系統(tǒng)包含由至少一個陰極組成的配置。例如，電子束生成系統(tǒng)可以是一個或多個點狀陰極，或者由一個或多個線狀陰極、帶狀陰極或扁平陰極組成的系統(tǒng)。這些陰極不需要在其整個表面進行發(fā)射。該陰極包括由加熱線圈1和陰極軸2組成的加熱元件以及導(dǎo)電陰極支架3，并且電子發(fā)射物質(zhì)4被施加到陰極支架3上。圖1所示的加熱元件的形狀僅僅表示加熱元件的一個示例，所述加熱元件也可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員采用不同的形式實現(xiàn)。在工作期間從電子發(fā)射物質(zhì)4發(fā)射的電子13由導(dǎo)電陰極支架3提供。電子發(fā)射物質(zhì)的加熱通過采用來自加熱線圈1的熱傳導(dǎo)或輻射熱的方式或者采用經(jīng)由陰極支架3的熱傳導(dǎo)的方式對陰極支架3進行加熱來實現(xiàn)。陰極支架的溫度和由此的電子發(fā)射物質(zhì)的溫度可以通過加熱線圈的工作電壓進行調(diào)節(jié)。
由于根據(jù)本發(fā)明的陰極的相對低的工作溫度，與典型的I陰極相比減少了電子發(fā)射物質(zhì)的蒸發(fā)，如果陰極支架3包含保護器件17(參見圖5)，則能夠進一步減少電子發(fā)射物質(zhì)的蒸發(fā)，其中，保護器件17覆蓋了電子發(fā)射物質(zhì)4的由于電子束聚焦與偏斜器件的場分布而不進行發(fā)射卻處于工作溫度上的區(qū)域。由此，從不發(fā)射區(qū)域蒸發(fā)的物質(zhì)沉積在保護器件17的面向電子發(fā)射物質(zhì)的一側(cè)上。這樣，就可以避免對電子束聚焦與偏斜器件的部件15的污染，并且由此避免絕緣問題。電子發(fā)射物質(zhì)4的發(fā)出電子束5的區(qū)域不被覆蓋。然而，電子束聚焦與偏斜器件的部件15的位于發(fā)射區(qū)域之上的部分的污染并不十分關(guān)鍵，這是因為開口16位于此處用于電子束引導(dǎo)，并且由于幾何原因使得物質(zhì)鮮有沉積在該開口的邊緣上。
圖2示出示出了在容器11中的根據(jù)本發(fā)明的電子發(fā)射物質(zhì)4，該容器11設(shè)置在陰極支架3上，或者形成陰極支架3的一部分。容器11填充了多孔基體，該多孔基體由鋯晶粒6和金屬晶粒7的混合物組成，金屬晶粒7尤其為鎢、鎳、錸和/或者鉑。該基體通常通過對粉末狀原料壓縮而制成。也可以通過對合適的合金進行發(fā)泡和冷卻來制造該基體。該基體的孔隙率優(yōu)選地為20％到40％，以便保持對于陰極的工作時間而言足量的堿金屬合金8。在堿金屬合金(孔隙物質(zhì))的熔點以上的溫度上，將堿金屬合金以液體狀態(tài)引入基體，優(yōu)選地在保護氣體的保護下。通常，生產(chǎn)孔隙物質(zhì)的熔化物，并將多孔基體添加到該熔化物中。在足夠的時間之后，孔隙就完全充滿了孔隙物質(zhì)，然后將基體從熔化物中取出，并冷卻到室溫。在升高的溫度上，例如在工作溫度上，堿金屬合金8與基體表面反應(yīng)，形成單質(zhì)堿金屬(elemental alkali metal)10，其覆蓋電子發(fā)射物質(zhì)的表面，并且相當程度上降低了電子發(fā)射物質(zhì)的功函數(shù)。例如，鎢表面的CS-O2覆蓋層將功函數(shù)從4.5eV(對于鎢而言)降低到1.2eV。另一種具有類似功函數(shù)的適當物質(zhì)是在釕上的Rb氧化物。包含堿金屬和/或者堿金屬氧化物的覆蓋層9在升高的溫度上，例如在工作溫度上揮發(fā)，從而使得在陰極工作期間，必須持續(xù)地從堿金屬合金8與基體6和7的化學(xué)反應(yīng)中形成單質(zhì)堿金屬10。例如，在重鉻酸銫合金與基體的鋯晶粒之間的化學(xué)反應(yīng)釋放單質(zhì)銫，如下Cs2Cr2O7+2Zr→2Cs+2ZrO2+Cr2O3所釋放的銫10向著電子發(fā)射物質(zhì)4的表面散射，并且與來自基體或者來自安裝陰極的器件的殘余氣體的氧氣一起，在多孔基體表面上形成降低功函數(shù)的堿金屬和/或者堿金屬氧化物9。盡管如此，也可以通過基體物質(zhì)與其他合金，例如CsSik或者CsCnk(其中1＜k＜4)的化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生銫。在該容器和未氧化的鋯表面中包含的堿金屬合金的量以及工作溫度決定了在此作為示例進行描述的包含Cs的陰極的可能工作時間，其中，能夠?qū)崿F(xiàn)大于10000小時的工作時間。
在一個優(yōu)選實施例中，將電子發(fā)射物質(zhì)涂敷保護層12，如圖3示意性所示。堿金屬化合物的特征在于它們與氧氣、水和CO2進行反應(yīng)的習(xí)性，如果沒有保護層12，該習(xí)性將會對陰極的制造和存儲期間的環(huán)境條件以及對于將陰極安裝在真空電子管中的安裝過程及其過程條件提出很高的要求。將陰極保存在惰性氣體中或者干燥氮氣中是可以實現(xiàn)的，但是卻是復(fù)雜的。相比較而言，保護層12，尤其是厚度為0.3μm到3.0μm之間的保護層12，保護電子發(fā)射物質(zhì)4免受環(huán)境影響。保護層12厚度的上限取決于進一步的工作要求。由于保護層12覆蓋了全部電子發(fā)射物質(zhì)4，在該狀態(tài)下，沒有堿金屬原子10能夠到達電子發(fā)射物質(zhì)4的表面。例如在所謂的高于300℃的活化(activation)溫度上，依靠對在真空電子管中處于已安裝狀態(tài)的陰極進行合適的熱處理，使得保護層分解，堿金屬和/或者堿金屬氧化物9能夠覆蓋電子發(fā)射物質(zhì)4的表面和/或者保護層12的表面。因此，如果保護層12包含由W、Re、Ir、Pt、Ni、ZrC、TaC組成的組中的至少一種物質(zhì)，將會是有利的。例如，可以對覆蓋Cs的TaC層獲得0.85eV的功函數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的陰極在低工作溫度上給出了非常好的發(fā)射電流密度，例如對于包含Cs的陰極而言，在480℃工作溫度上具有大于14A/cm2的發(fā)射電流密度。這與具有相同發(fā)射屬性的傳統(tǒng)I陰極相比，相當于工作溫度的大約500℃的降低。在590℃的工作溫度上，獲得大于130A/cm2的發(fā)射電流密度，這即使是與鈧系儲備式陰極相比，也相當于工作溫度的大約300℃的降低。
在另一個實施例中，不采用多孔基體來保存和釋放堿金屬，而是所使用的電子發(fā)射物質(zhì)4是致密層13，致密層13由包含堿金屬的物質(zhì)組成，該包含堿金屬的物質(zhì)用于為該致密層13形成堿金屬和/或者堿金屬氧化物覆蓋層9，參見圖4。層13具有足夠高的熔化溫度和足夠高的化學(xué)穩(wěn)定性，以在工作溫度上形成穩(wěn)定的致密層。用于根據(jù)本發(fā)明的陰極的合適的物質(zhì)包括堿金屬氮化物(例如NaBa3N、Na5Ba3N)、堿金屬鋁酸鹽、堿金屬錫酸鹽(例如K41Sn12O16、K4SnO3)、堿金屬金化物(例如NaAu2、K2Au3、RbAu、CsAu、NaAuGe、Rb3AuO)、津特耳相(例如NaSi、CsSi、K3P)組成的組中的至少一種物質(zhì)。這些化合物具有300℃以上的熔化溫度，適合于熱釋放9b的堿金屬和/或者堿金屬氧化物。在該情況下，所需要的任何氧氣也可以來自真空電子管的殘余氣體。例如，CS-Au的熔點為590℃。因此Cs-Au能夠在300℃到550℃的溫度范圍內(nèi)用作電子發(fā)射物質(zhì)。Cs-Au中的銫的蒸汽壓力允許一定速率下的Cs釋放9b，該速率實現(xiàn)了Cs-Au表面的在很長時間內(nèi)恒定的充足的覆蓋層9，并且該蒸汽壓力補償蒸汽損耗9c。層13的優(yōu)選厚度為10nm到100nm之間，從而使得該物質(zhì)具有充足的導(dǎo)電性，以將從陰極發(fā)射的電子供給到發(fā)射表面。在必要時，可以將增加導(dǎo)電性的滲雜質(zhì)添加到致密層13。
參考附圖和描述解釋的這些實施例僅僅是用于真空電子管的電子發(fā)射的陰極的示例，不應(yīng)理解為將本發(fā)明的權(quán)利要求限制在這些示例中。其他可替換實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員也是可能的并且也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。從屬權(quán)利要求的數(shù)量并不意味著權(quán)利要求的其他組合不能構(gòu)成本發(fā)明的具有優(yōu)勢的實施例。
權(quán)利要求
1.一種電子發(fā)射陰極，包括加熱器件(1、2)，用于產(chǎn)生高于300℃的溫度；導(dǎo)電陰極支架(3)，連接到所述加熱器件(1、2)；以及陰極涂層，涂敷在所述陰極支架(3)上，由包含從鈉、鉀、銣和銫組成的組中選出的至少一種堿金屬的電子發(fā)射物質(zhì)(4)組成，并且在300℃到600℃的工作溫度上具有發(fā)射電流密度≥10A/cm2。
2.如權(quán)利要求1所述的電子發(fā)射陰極，其特征在于，所述電子發(fā)射物質(zhì)(4)包含用于維持所述發(fā)射電流密度的堿金屬供應(yīng)源。
3.如權(quán)利要求2所述的電子發(fā)射陰極，其特征在于，所述電子發(fā)射物質(zhì)(4)包括多孔基體和結(jié)合到所述基體的孔隙中的堿金屬合金(8)，所述多孔基體由鋯晶粒(6)和金屬晶粒(7)的混合物組成，所述金屬晶粒優(yōu)選地為鎢、鎳、錸和/或者鉑，并且所述多孔基體的孔隙率在20％到40％之間，所述堿金屬合金(8)用于為所述多孔基體表面提供堿金屬和/或者堿金屬氧化物覆蓋層(9)，并且所述陰極支架(3)包括用于容納所述電子發(fā)射物質(zhì)(4)的容器(11)。
4.如權(quán)利要求3所述的電子發(fā)射陰極，其特征在于，所述堿金屬合金(8)包含由堿金屬鉻酸鹽、堿金屬-硅合金、堿金屬-錫合金，尤其是Cs2Cr2O7、CsSik或者CsSnk，其中1＜k＜4，組成的組中的至少一種物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求3或4所述的電子發(fā)射陰極，其特征在于，將保護層(12)施加到所述電子發(fā)射物質(zhì)，所述保護層(12)尤其包含由W、Re、Ir、Pt、Ni、ZrC、TaC組成的組中的至少一種物質(zhì)，所述保護層保護所述電子發(fā)射物質(zhì)(4)免受環(huán)境影響。
6.如權(quán)利要求5所述的電子發(fā)射陰極，其特征在于，所述保護層(12)的厚度為0.3μm到3.0μm之間。
7.如權(quán)利要求2所述的電子發(fā)射陰極，其特征在于，所述電子發(fā)射物質(zhì)(4)包含致密層(13)，所述致密層(13)被堿金屬和/或者堿金屬氧化物的單層(9)所覆蓋，所述致密層包含由堿金屬氮化物、堿金屬鋁酸鹽、堿金屬錫酸鹽、堿金屬金化物、津特耳相組成的組中的至少一種物質(zhì)，并且具有高于300℃的熔化溫度，所述溫度用于提供堿金屬和/或者堿金屬氧化物的單層(9)。
8.如權(quán)利要求7所述的電子發(fā)射陰極，其特征在于，所述致密層(13)的厚度在10nm到100nm之間。
9.如以上任意一項權(quán)利要求所述的電子發(fā)射陰極，其特征在于，所述陰極支架(3)包括從電子束方向(5)上看，在所述電子發(fā)射物質(zhì)(4)上方覆蓋部分所述電子發(fā)射物質(zhì)(4)的保護器件(17)。
10.一種真空電子管，包含至少一個如以上任意一項權(quán)利要求所述的陰極。
全文摘要
一種電子發(fā)射陰極，包括加熱器件(1、2)，用于產(chǎn)生高于300℃的溫度；導(dǎo)電陰極支架(3)，連接到所述加熱器件(1、2)；以及陰極涂層，涂敷在所述陰極支架(3)上，由包含從鈉、鉀、銣和銫組成的組中選擇的至少一種堿金屬的電子發(fā)射物質(zhì)(4)組成，并且在300℃到600℃的工作溫度上具有發(fā)射電流密度＞10A/m
文檔編號H01J1/20GK101073134SQ200580042011
公開日2007年11月14日 申請日期2005年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月9日
發(fā)明者G·格特納, C·R·龍達 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司