[发明专利]电子管的氧化物阴极

说明书

本发明涉及电子管(如阴极射线管或摄象管)的氧化物阴极，更具体地说，涉及具有长寿命的电子管的新颖氧化物阴极。

对常规的电子管热电子发射阴极来说，有一种“氧化物阴极”，它包括形成在以Ni为主要组分的金属基底上形成的碱土金属碳化物层。这种碱土金属碳酸盐在抽真空过程中被转换成氧化物，因而被称为氧化物阴极。氧化物阴极工作于较低温度(700-800℃)，因为其功函数较低。然而，氧化物阴极的寿命较短。

图1是示意图，显示了常规氧化物阴极的结构。常规的氧化物阴极包括盘状金属基底2、支撑金属基底2的柱形套筒3、用于加热阴极的加热器4、及形成在金属基底2上并以碱土金属氧化物作主要组分制成的电子发射材料层1。这种常规氧化物阴极是通过用金属基底2封闭柱形套筒3的一端、把加热器4插入套筒3、并在金属基底2的表面上形成由至少两种碱土金属氧化物混合制成的电子发射材料层1而制成的。

金属基底2位于套筒3上，并支撑电子发射材料层1。它由诸如镍(Ni)或铂(Pt)的难熔金属制成，并包含还原元素以便于碱土金属氧化物的还原。通常用作还原元素的是还原金属，如钨(W)、镁(Mg)、硅(Si)或锆(Zr)。还原金属通常相互结合使用。

支撑金属基底2并且其中有加热器4的套筒3通常由诸如钼(Mo)、钽(Ta)、钨(W)或不锈钢的难熔金属制成。

位于套筒3中的加热器4通过金属基底2加热电子发射材料层1。它是由覆有氧化铝等的钨丝制成的。

发射热电子的电子发射材料层1是形成在金属基底2上的碱土金属氧化物层。在金属基底2上，涂有碱土金属(Ba、Sr、Ca等)的碳碳盐的悬浮物。当涂层在真空中被加热器4加热后，碱土金属碳酸盐被转换成氧化物。例如，碳酸钡分解成氧化钡：

随后，碱土金属氧化物在900至1000℃的高温下被部分还原，从而使之被活化，以具有半导体的性质。在此活化过程中，包含在金属基底2中的、诸如Si或Mg的还原元素向碱土金属氧化物组成的电子发射材料层1与金属基底2之间的界面扩散，并随即与碱土金属氧化物反应。例如，氧化钡被还原元素还原，产生自由钡：        

从BaO产生的自由钡成为氧空穴型半导体。因此，在700至800℃的工作温度下，在正常状态下获得了0．5至0．8A／cm²的发射电流。

一般氧化物阴极工作于750℃以上的高温，故自由的Ba、Sr或Ca由于高蒸汽压而蒸发，且在工作时电子发射层还原。另外，由于碱土金属氧化物的还原，在电子发射材料层与金属基底之间的界面区形成了诸如MgO和Ba₂SiO₄的氧化物中间层并作为阻挡层。如此形成的阻挡层，阻止了还原元素Mg或Si扩散进电子发射层，因而不能产生足够量的自由钡，且蒸发的Ba、Sr或Ca难于得到补充。另外，电子发射电流也受到中间层的高电阻的限制。因而，中间层造成了阴极寿命的缩短及其他不良效果。另一方面，过多的还原元素供给造成BaO的过度还原，故无法得到稳定的发射电流。

如上所述，传统的氧化物阴极的缺点，在于其工作温度在使用中变高，使发射效率降至其初始特性的约75％，且电子发射材料的消耗缩短了其寿命。

近来显象管向大屏幕和高清晰度方向发展，故要求显象管有更高的亮度和纯度。因此，电子枪的阴极需要有高电流密度的电子发射并寿命要长。然而，常规的氧化物阴极一般寿命较短，故无法满足这些要求。

已知一种浸渍式阴极具有高电流密度和长寿命，是用复杂的方法制作的且工作温度为1100℃或更高，这比氧化物阴极高300-400℃。因此，人们进行了持续的努力，以延长易于制作且工作温度低的氧化物阴极的寿命。