專利名稱：陰極射線管陰極及其合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陰極射線管氧化物陰極，它用作通過熱離子作用發(fā)射電子的電子源，尤其涉及形成陰極的基體金屬的組成。
通常的氧化物陰極由一層堿土金屬氧化物如氧化鋇、氧化鍶和氧化鈣的混合物或BaO和SrO的混合物構(gòu)成，它們沉積在由鎳或鎳合金形成的基體金屬上，并含有一或多種還原性的元素，如鎂(Mg)、鋁(Al)、硅(Si)、鉻(Cr)、鋯(Zr)或其他任何能夠還原氧化物的元素。這些堿土金屬氧化物的混合物自身可以添加其他氧化物，如Sc2O3和Y2O3。
一種通常的氧化物陰極是由鎳合金(一般為Ni-Cr)制成的管構(gòu)成，在此管上焊接有基體金屬制的帽。一層Ba和Sr的碳酸鹽的混合物或Ba、Sr和Ca的碳酸鹽的混合物沉積在基體金屬上。這些在空氣中穩(wěn)定的碳酸鹽，隨后在陰極射線管內(nèi)的真空中轉(zhuǎn)化成氧化物。當(dāng)一些BaO轉(zhuǎn)化成鋇金屬時(shí)，此加熱到約800℃的陰極射線管的工作溫度的氧化物層變成電子發(fā)射層。
主要通過以下機(jī)制形成鋇金屬在工作過程中，陰極被加熱到約800℃的溫度，引起還原元素向鎳和堿土金屬氧化物之間的交界面擴(kuò)散。按照下述反應(yīng)，這些還原元素，如Mg、Al和Si與氧化鋇持續(xù)反應(yīng)并將其還原，以形成鋇金屬
2Al+4BaO→BaAl2O4+3Ba，Si+4BaO→Ba2SiO4+2Ba因此，通過與BaO的化學(xué)氧化還原反應(yīng)消耗加到鎳中的還原元素。陰極的壽命直接與這些元素的消耗有關(guān)，所以對(duì)于所選擇的每種加入的還原元素，希望最小含量要能夠理想地保證最大的壽命。另外，已知一些由上述鋇的還原反應(yīng)產(chǎn)生的化合物，如Ba2siO4或BaAl2O4具有高穩(wěn)定性，使得它們能夠積聚在鎳和堿土金屬氧化物的交界面[A.Eisenstein,H.John等，應(yīng)用物理學(xué)雜志T.24,No.5,p.631,1953]。這些化合物由于其高的電阻系數(shù)，所以增加了交界面的阻抗，因此降低了陰極的電流密度。另外，因?yàn)樗鼈冊(cè)陉帢O的工作過程中持久地聚集在交界面處，因而它們使陰極壽命降低。通過聚集，它們限制了還原元素的擴(kuò)散并因而降低后者和BaO之間的反應(yīng)，因而降低所形成的對(duì)于發(fā)射是必需的鋇金屬的數(shù)量[E.S.Rittner,Philips研究報(bào)告，T.8,p.184,1953]。另一主要的缺點(diǎn)是，這些化合物的過度的聚集會(huì)降低堿土金屬氧化物對(duì)鎳的附著。
本發(fā)明的目的是通過適當(dāng)?shù)剡x擇一種形成陰極的基體的材料的組成，以避免這些缺點(diǎn)，此材料由鎳合金構(gòu)成，對(duì)其中的還原元素的含量，必須在按所考慮元素的確定的重量濃度范圍內(nèi)選擇。加入到鎳中的每種還原元素在一由下限和上限確定的濃度范圍內(nèi)，此范圍保證一長(zhǎng)的壽命及最佳的發(fā)射性能和可靠性。為達(dá)到此效果，本發(fā)明的用于制備陰極射線管的陰極的金屬合金，主要含有鎳和鎂，其重量濃度CMg在0.01％-0.1％范圍內(nèi)。進(jìn)而，它還包含鋁，其重量濃度CAl滿足以下關(guān)系CAl≤0.14×(0.1-CMg)其中-CMg是以重量百分比表示的鎂在鎳中的濃度；-CAl是以重量百分比表示的鋁在鎳中的濃度；借助于下述說明和附圖將更清楚地理解本發(fā)明及其各種優(yōu)點(diǎn)，在附圖中-

圖1表示用于陰極射線管的電子槍；-圖2是通過本發(fā)明的氧化物陰極的縱向的切面。
陰極射線管含有至少一個(gè)產(chǎn)生電子束的射線源，該電子束掃描管的屏幕，以使其上的磷光體激發(fā)，用于產(chǎn)生可視圖像。
如圖1所示，射線管的槍1包括至少一個(gè)陰極2和一系列電極(3、4、5、6等)，用于形成一束電子束，或多束電子束7、8、9，并使它或它們聚焦于陰極射線管的屏幕上。
如圖2所示，陰極2一般大致為圓柱形筒狀管10的形狀，由鎳或鎳合金，如鎳-鉻制成。如圖所示，管(10)在一端用帽11封閉，帽11可以是一附著的金屬片或此管整體的一部分。帽由鎳合金制成，用作支持堿土金屬氧化物形成的發(fā)射層12。此層12由燈絲13加熱，成為掃描射線管屏幕表面的電子束的發(fā)射源。
當(dāng)加熱常規(guī)的氧化物陰極的鎳時(shí)，可以形成多種化合物，這不僅作為氧化鋇BaO與還原元素的還原反應(yīng)的結(jié)果，也還通過還原元素與存在于鎳中的殘留氧、或與生產(chǎn)陰極的各步驟中鎳所暴露的氣氛中存在的氧反應(yīng)而形成化合物。例如，陰極的制備通常包括在接近于1000℃在氫中使基體金屬退火這一步驟。氫氣中的水(H2O)含量通常很低，使得在鎳退火溫度下氣氛對(duì)鎳是還原性的。另一方面，即使水對(duì)鎳而言是還原性的，這種水含量也足以氧化出現(xiàn)在鎳中的還原元素，如Mg和Al。因此在退火過程中，在鎳表面形成氧化鎂(MgO)和氧化鋁(Al2O3)。還觀察到兩種還原元素與氧反應(yīng)形成更復(fù)雜的化合物，如MgAl2O4或BaAl2O4。在活化陰極射線管中的陰極的步驟中，研究了這些化合物的形成及其存留時(shí)間。在此活化步驟中，在陰極射線管的真空中(通常P＜10-6乇)，以介于900℃-1100℃的最高溫度將陰極加熱，這樣操作的目的一方面是使碳酸鹽轉(zhuǎn)化成氧化物，另一方面是使陰極的電子發(fā)射最優(yōu)化。對(duì)于含各種Mg和Al組成的鎳，在氫退火步驟中，在帽11的基體金屬和放射性氧化物的包覆層之間的接觸面處形成化合物MgAl2O4。這種化合物是穩(wěn)定的化合物，以部分覆蓋鎳表面的小微晶顆粒的形式存在，并且在陰極的使用壽命內(nèi)具有在接觸面聚集的趨勢(shì)。
因?yàn)榇朔N穩(wěn)定化合物是有害的，必須要盡可能限制其在接觸面的存在，以保持氧化物層對(duì)基體金屬的良好的附著。
通過對(duì)掃描電鏡(SEM)獲得的鎳表面的圖象進(jìn)行圖象分析，確定了微晶的數(shù)量。因?yàn)檫@些微晶在黑色的鎳的背景上顯示白色，所以可以通過圖象分析測(cè)定被微晶覆蓋的表面的百分?jǐn)?shù)。陰極射線管中的活化步驟后，測(cè)量了此百分?jǐn)?shù)；即，它代表存留到活化后并存在于陰極壽命初始點(diǎn)的微晶。
對(duì)一些鎳鑄件活化后存在于基體金屬表面的微晶的覆蓋度的數(shù)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示，穩(wěn)定微晶的覆蓋度的數(shù)量與基體金屬的鎂和鋁的濃度有關(guān)。
此分析的結(jié)果導(dǎo)出了一個(gè)代表表面覆蓋度的這一百分率，因而代表表面微晶的百分率的公式，作為形成基體金屬的合金中鋁含量和鎂含量的函數(shù)Cs=[-2+(50×CMg)+(350×CAl)]％(1)其中-Cs是被微晶覆蓋的鎳表層的百分?jǐn)?shù)；-CMg是以重量百分比的形式表示的鎳中Mg的濃度；-CAl是以重量百分比的形式表示的鎳中Al的濃度；因?yàn)殒V快速還原，并非常快速地?cái)U(kuò)散，所以通常的實(shí)踐中鎳中的鎂含量最小。因而鎂保證了陰極在上述活化過程中快速活化，并保證了在陰極壽命的最初幾百小時(shí)左右內(nèi)正常發(fā)射電子。因?yàn)殒V有此受歡迎的性能，因而為了限制MgAl2O4微晶的數(shù)量，優(yōu)選的是使Al的含量達(dá)到最佳，而不是限制鎂的含量。
可以有利地將鎂的含量設(shè)定在0.01％-0.1％之間。從經(jīng)驗(yàn)得知，認(rèn)為可接受的穩(wěn)定微晶的最大的百分含量，即，使氧化物層能良好地附著在基體金屬上的百分含量，是3％。應(yīng)用從式(1)推導(dǎo)得到的如下公式，從鎂的含量計(jì)算得到本發(fā)明的鎳合金中Al的最大的含量CAl≤0.14×(0.1-CMg)(2)下表顯示氧化物層的附著性能隨基體金屬中鎂和鋁含量的變化而產(chǎn)生的改變。當(dāng)滿足不等式(2)時(shí)，能夠保證得到好的附著。表對(duì)于各種鎳中所含鎂和鋁的量，被微晶覆蓋的鎳表面的百分比(測(cè)量值和從等式(1)計(jì)算所得值)
權(quán)利要求
1．一種用于制備陰極射線管的陰極(2)的金屬合金，主要含有鎳，其特征在于，所述的合金含有鎂(Mg)，鎂的重量濃度CMg介于0.01％-0.1％之間。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬合金，其特征在于，所述的金屬合金還含有鋁，其重量濃度CAl滿足以下關(guān)系CAl≤0.14×(0.1-CMg)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬合金，其特征在于，所述的金屬合金還含有鋁，并且將陰極(2)活化后，在被穩(wěn)定的微晶覆蓋的陰極的發(fā)射層(12)之下的合金表面的百分比小于或等于3％。
4．一種含有基體金屬為上述任一權(quán)利要求所述的金屬合金的陰極(2)，其特征在于，其發(fā)射部分由堿土金屬氧化物層(12)構(gòu)成。
5．一種含有至少一個(gè)陰極(2)的陰極射線管，其中該陰極的基體金屬是權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的金屬合金。
全文摘要
一種制備用于陰極射線管的陰極(2)的鎳合金,含有鎂和鋁,選擇其比例以使發(fā)射氧化物層(12)能良好地附著在由合金構(gòu)成的基體金屬帽(11)上。
文檔編號(hào)H01J1/20GK1323050SQ0112070
公開日2001年11月21日 申請(qǐng)日期2001年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月26日
發(fā)明者J·M·羅夸伊斯, F·波雷特, R·萊多澤, M·保羅 申請(qǐng)人:湯姆森許可公司