專(zhuān)利名稱(chēng)：氧化物陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電子管例如陰極射線(xiàn)管的氧化物陰極，更具體地說(shuō)，涉及一種具有改進(jìn)的電子發(fā)射特性和長(zhǎng)壽命的新型氧化物陰極。
在傳統(tǒng)的用于電子管的電子槍的熱電子發(fā)射陰極中，廣泛采用的是一種放在主要成分為鎳的金屬基座上的具有堿土金屬的碳酸鹽氧化物陰極，這種陰極之所以稱(chēng)為氧化物陰極是因?yàn)閴A土金屬的碳酸鹽在電子管的生產(chǎn)過(guò)程中的抽空工藝中變?yōu)橐环N氧化物的緣故。
氧化物陰極具有工作溫度較低(700-800℃)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗幸粋€(gè)低的功函數(shù)。另一方面，當(dāng)電子發(fā)射濃度增加時(shí)，由于該材料是半導(dǎo)體并具有高導(dǎo)電率，因焦耳熱造成的自加熱會(huì)使原始材料蒸發(fā)或熔化。因此，這使陰極退化。另外因長(zhǎng)時(shí)間工作，在金屬基座和氧化層之間形成一個(gè)中間層而縮短陰極壽命。


圖1示出了一個(gè)傳統(tǒng)的氧化物陰極的橫截面圖。整個(gè)氧化物陰極具有一個(gè)盤(pán)形基座2，一個(gè)支撐金屬基座2的圓柱形套筒3，一個(gè)放在套筒中用于加熱陰極的加熱器4，以及一個(gè)電子發(fā)射材料層1，其包含主要成分為堿土金屬氧化物并被涂敷和形成在金屬基座2上。
也就是說(shuō)，由金屬基座2封住中空的圓柱形筒3，在套筒3中插入用于加熱陰極的加熱器4，并在金屬基座2的表面上形成至少兩種堿土金屬成分的混合物的電子發(fā)射材料層1，由此制成氧化物陰極。
這些部件中，在套筒上面的金屬基座承載電子發(fā)射材料層。金屬基座采用耐熱金屬材料如鉑和鎳等，并由包含至少一種還原劑的合金制成，以便幫助其表面上形成的堿土金屬氧化層還原。至于還原劑，所采用的還原金屬通常為W，Mg，Si，Zr等，其附加量根據(jù)其還原性而定。為了改善陰極特性可同時(shí)采用兩種以上的金屬。
套筒支撐金屬基座并支持其中的加熱器?？紤]到熱特性如導(dǎo)熱性，耐熱金屬如鉬，鉭，鎢，不銹鋼等可作為套筒的原始材料。
套筒中的加熱器用于加熱涂敷在金屬基座上的電子發(fā)射材料，以便從金屬基座中發(fā)射熱電子。加熱器由涂覆氧化鋁的金屬絲如鎢制成，以便形成電絕緣層。
發(fā)射熱電子的電子發(fā)射材料層形成于金屬基座的表面并通常由堿土金屬(Ba，Sr，Ca，等)氧化層構(gòu)成。制造該氧化層是通過(guò)在金屬基座上涂敷一個(gè)堿土金屬碳酸鹽的擴(kuò)散層，并在真空下用加熱器加熱，使該碳酸鹽變?yōu)閴A土金屬氧化物，該層在高溫(900-1000℃)下部分還原，以激發(fā)堿土金屬氧化物改善其半導(dǎo)體特性。
至于堿土金屬氧化物，摻有SrO和/或CaO的BaO具有比單一的BaO氧化物更好的電子發(fā)射特性。其原因如下，Sr和Ca與Ba在元素周期表中處于同族，而且Sr和Ca與Ba離子一樣變?yōu)橄嗤亩r(jià)的陽(yáng)離子并占有Ba離子曾占有的空間。此時(shí)，由于Sr和Ca的原子半徑與Ba不同，其周?chē)h(huán)境在某中程序上被打擾，從而給氧離子增加了高電位而使它們不穩(wěn)定。這樣，在高溫處理的還原過(guò)程中便很容易被激活而產(chǎn)生一個(gè)有利的老化。
包含在金屬基座中的還原劑如Si和Mg等在活化過(guò)程中擴(kuò)散從而移向堿土金屬氧化物的電子發(fā)射材料層與金屬基座的交界處并與堿土金屬氧化物進(jìn)行如下反應(yīng)。通過(guò)反應(yīng)，含有電子發(fā)射材料層中的氧化鋇由金屬基座中的還原劑Mg，Si還原產(chǎn)生游離的鋇。游離的鋇為電子發(fā)射源。
如上所述，來(lái)自BaO的游離的鋇起欠氧半導(dǎo)體的作用，如果，即可獲得在700-800℃高溫下0.5-0.8A/CM的發(fā)射電流。
但是，由于氧化物陰極的工作溫度過(guò)高(大約750℃或更高)，Ba，Sr，Ca等因氣化壓力而蒸發(fā)，電子發(fā)射能力經(jīng)歷一定工作時(shí)間即降低。
同時(shí)，反應(yīng)式中所示，在游離的鋇的產(chǎn)生過(guò)程中，金屬基座中的還原劑也被氧化變?yōu)檠趸锶鏜gO，Ba2SiO4等。這些金屬氧化物是電絕緣的并在電子發(fā)射材料層與金屬基座之間形成一個(gè)中間層成為一個(gè)阻擋層。這樣形成的阻擋層產(chǎn)生焦耳熱增加了工作溫度。阻擋層也會(huì)影響還原劑如Mg，Si，等的擴(kuò)散從而抑制游離的鋇的產(chǎn)生。此外，中間層影響了蒸發(fā)的Ba，Sr或Ca的補(bǔ)充而縮短陰極的壽命。因中間層具有高電阻，也影響了電子發(fā)射電流的流動(dòng)。
也就是說(shuō)，對(duì)于傳統(tǒng)的氧化物陰極，游離的鋇在熱電子發(fā)射溫度下連續(xù)產(chǎn)生，使電子發(fā)射伴隨游離的鋇的部分蒸發(fā)。如果大量的游離的鋇蒸發(fā)并被消耗陰極的電子發(fā)射功能會(huì)突變劣，陰極工作立即中止。
在決定陰極壽命的各種參數(shù)中，伴隨陰極工作的鋇成分的還原以及上述的中間層的成長(zhǎng)是重要的參數(shù)。因此，已經(jīng)進(jìn)行了通過(guò)更換電子發(fā)射材料成分或包含特殊的成分而改善陰極壽命的研究。
美國(guó)專(zhuān)利4797593披露了一種改進(jìn)電子發(fā)射特性和陰極壽命的技術(shù)，即在電子發(fā)射材料層中包含了稀土金屬氧化物。
因?yàn)檠趸镪帢O具有制造上的優(yōu)點(diǎn)和良好的特性，氧化物陰極已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，氧化物陰極被廣泛用于電子發(fā)射源。但是，近來(lái)，大的和精細(xì)的電子管越來(lái)越需要，這樣就需要具有電子發(fā)射的增強(qiáng)特性和長(zhǎng)壽命的電子管陰極。由于傳統(tǒng)的氧化物陰極因上述問(wèn)題而不能滿(mǎn)足要求，所以需要近一步改進(jìn)。
本發(fā)明是考慮到傳統(tǒng)氧化物陰極的上述特性和問(wèn)題而作出的。因此本發(fā)明的目的就是提供一種具有改進(jìn)的電子發(fā)射特性和壽命而在電子發(fā)射材料層中不包括附加材料而是在電子發(fā)射材料層上形成一個(gè)薄層，限制游離的鋇蒸發(fā)的氧化物陰極。
為達(dá)到本發(fā)明的目的，所提供的氧化物陰極包括一個(gè)金屬基座，一個(gè)形成于金屬基座上的電子發(fā)射材料層，其包括鋇作為主要成分，以及一個(gè)加熱器，用于加熱電子發(fā)射材料層，其特征在于，一個(gè)電子發(fā)射材料層上形成一個(gè)由鈦構(gòu)成的鋇蒸發(fā)限制層。
本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)參照附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述而更為明顯。
圖1為傳統(tǒng)氧化物陰極的橫截面圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的氧化物陰極的橫截面圖。
圖3示出了傳統(tǒng)氧化物陰極和本發(fā)明的氧化物陰極MIK相對(duì)于工作時(shí)間的變化曲線(xiàn)，其中，曲線(xiàn)a代表傳統(tǒng)氧化物陰極，曲線(xiàn)b代表本發(fā)明的氧化物陰極。
本發(fā)明的氧化物陰極，通過(guò)在電子發(fā)射材料層上形成一個(gè)含有鈦的薄層，在陰極工作中限制鋇蒸發(fā)而具有較長(zhǎng)的壽命。
圖2是本發(fā)明的氧化物陰極的橫截面圖。通過(guò)與圖1的傳統(tǒng)的氧化物陰極比較，可以看出在電子發(fā)射材料層1上形成有鋇蒸發(fā)限制層5。鋇蒸發(fā)限制層5通過(guò)限制鋇蒸發(fā)延長(zhǎng)了陰極壽命，該層的形成應(yīng)使得對(duì)鋇的電子發(fā)射功能的副作用最小。
Ba蒸發(fā)限制層是用最好從CaTiO3和SrTiO3中選出的含鈦化合物制成的，Ba蒸發(fā)限制層的最佳厚度為10-10，000 。如果該層的厚度小于10 ，限制Ba蒸發(fā)的作用就太弱，如果厚于10，000 ，電子發(fā)射的數(shù)量就會(huì)因?yàn)閷?duì)電子發(fā)射的副作用而減少。因此上述的Ba蒸發(fā)限制層的厚度范圍是最佳的。
對(duì)于電子發(fā)射材料，三碳化合物(Ba，Sr，Ca)CO3或二碳化合物如(Ba，Sr)CO3可被采用。此時(shí)，三碳化合物一般通過(guò)在蒸餾水中溶解硝酸鹽Ba(NO3)2，Sr(NO3)2和Ca(NO3)2來(lái)制備并通過(guò)加入脫溶劑如Na2(NH4)2CO3等使其沉淀成碳酸鹽。如此得到的三碳化合物通過(guò)浸漬，噴鍍，濺射或電鍍而加到金屬基座上。
下一步，在形成的碳酸鹽涂敷層上形成Ba蒸發(fā)限制層，例如，利用CaTiO3和/或SrTiO3采用RF濺射的方法形成10-10，000 的層。形成該層的方法并無(wú)限制。
制成的陰極被插入并固定在一個(gè)電子槍中，一個(gè)用于加熱陰極的加熱器被插入并固定在套筒中。電子槍被封在電子管的玻殼中。用于加熱陰極的加熱器使電子發(fā)射材料層的碳酸鹽在排氣過(guò)程的真空中分解為氧化物，然后，根據(jù)制造電子管的通常方法，激發(fā)氧化物產(chǎn)生游離的鋇使其可以發(fā)射電子。
本發(fā)明的最佳實(shí)施例將在下面詳細(xì)描述。所舉實(shí)例用于說(shuō)明本發(fā)明而不是對(duì)其限制。
實(shí)例1為了使Ba(NO3)2和Ca(NO3)2的混合溶液中Ba∶Sr∶Ca的混合比為50∶40∶10，Na2CO3被加入以制備Ba，Sr和Ca的沉淀的碳酸鹽。
碳酸鹽在有機(jī)溶劑中分散，通過(guò)噴濺的方法使其涂敷在含有Si和Mg的Ni金屬基座上，然后烘干制成涂層。
接下來(lái)，在涂層上通過(guò)RF濺射涂敷CaTiO3形成厚度為50 的Ba蒸發(fā)限制層。
實(shí)例2除形成的SrTiO3的厚度為5，000 以外，其工序與圖1所述方式相同。
為了檢驗(yàn)具有在電子發(fā)射材料層上形成有Ba蒸發(fā)限制層的氧化物陰極的壽命特性，制成的陰極被插入并固定到一個(gè)電子槍中。然后，一個(gè)用于加熱陰極的加熱器被插入并固定在套筒中。制成的電子槍被封在電子管的玻殼中，而玻殼的內(nèi)部在抽空過(guò)程中被抽成真空，同時(shí)用加熱器加熱電子發(fā)射材料層使碳酸鹽變?yōu)檠趸铩Ｈ缓?，利用與制造電子管的傳統(tǒng)的方法相同的工藝激發(fā)陰極從而檢測(cè)到陰極的電子發(fā)射特性。
電子發(fā)射特性是以最大陰極電流(MIK)，其是在特定條件下陰極發(fā)射的最大電流來(lái)決定的，而限極的壽命特性是通過(guò)在給定時(shí)間后的MIK保持的程度測(cè)算的。本發(fā)明的氧化物陰極的壽命特性是通過(guò)使陰極工作一定的時(shí)間同時(shí)檢測(cè)電子發(fā)射電流的下降來(lái)決定和測(cè)算的。
圖3為顯示傳統(tǒng)氧化物陰極和本發(fā)明的氧化物陰極的MIK，相對(duì)于工作時(shí)間的相對(duì)值(%)的曲線(xiàn)，其中，曲線(xiàn)“a”對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)氧化物陰極，曲線(xiàn)“b”對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的實(shí)例1的氧化物陰極。
從圖3中可以看出，本發(fā)明的氧化物陰極的壽命比傳統(tǒng)的氧化物陰極增加20%或更多。
總之，本發(fā)明的在電子發(fā)射層上具有Ti層的氧化物陰極與傳統(tǒng)的氧化物陰極相比具有改進(jìn)的電子發(fā)射特性和較長(zhǎng)的壽命。
但是，對(duì)于用其優(yōu)點(diǎn)實(shí)施例詳細(xì)表示和描述的本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該了解，只要不偏離由從屬權(quán)利要求限制的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其進(jìn)行各種變化。
權(quán)利要求
1.一種氧化物陰極包括一個(gè)金屬基座(2)，一個(gè)在所述金屬基座上形成的含有鋇作為主要成分的電子發(fā)射材料層(1)，以及一個(gè)用于加熱電子發(fā)射材料層的加熱器(4)，其特征在于，在所述的電子發(fā)射材料層(1)上形成有含鈦的Ba蒸發(fā)限制層(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種氧化物陰極，其中所述的Ba蒸發(fā)限制層(5)包含從CaTiO3和SrTiO3中選出的至少一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種氧化物陰極，其中所述Ba蒸發(fā)限制層(5)的厚度在10-10000 的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種氧化物陰極包括一個(gè)金屬基座(2)，一個(gè)在所述金屬基座上形成的含有鋇作為主要成分的電子發(fā)射材料層(1)，以及一個(gè)用于加熱電子發(fā)射材料層(1)的加熱器(4)。在所述的電子發(fā)射材料層(1)上形成有含鈦的Ba蒸發(fā)限制層(5)。因此，陰極的電子發(fā)射特性和壽命得以改善。
文檔編號(hào)H01J1/144GK1099513SQ93120838
公開(kāi)日1995年3月1日 申請(qǐng)日期1993年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月23日
發(fā)明者崔龜錫, 崔鐘書(shū), 孫景千, 朱圭楠, 李相沅 申請(qǐng)人:三星電管株式會(huì)社