电子管阴极，长寿命电子管器件及其制造方法

本申请根据在日本提出的专利申请No.2001-233241，其内容将在本申请中参考引用。

在基底金属920上设置发射电子材料悬浮物，主要成分是碳酸钡或类似物质，作为氧化钡或类似物质的前体，然后，把组装好的阴极射线管进行抽空处理，在此过程中用加热器940对阴极加热，使悬浮物形成碱土金属氧化物。碱土金属氧化物被部分还原，从而激活成半导体。于是发射极层930形成。

必须要使电子管阴极的电子发射能长时间地稳定，这样才能延长电子管器件的寿命。但是，当基底金属920包括镁，以及发射极层930的主要成分是氧化钡或类似物质时，阴极的电子发射就会伴随有由发射极层930与基底金属920之间界面上的氧化镁或类似物质组成的复合氧化物层(以下简称“中间层”)的形成。这种中间层，除了具有高电阻因而阻碍电流的流动外，主要是阻止基底金属920中的镁向发射极层930扩散，这意味着在发射极层930中不能产生足够的钡。由此带来了问题，不可能具有长时期稳定的发射特性。

对这种现有技术已进行了许多的研究，试图通过确定在发射极层930中采用哪一种材料来解决上述问题。这种现有技术的一个例子是美国专利No.5,146,131，其公开了一种向发射极层中加入0.2至25重量百分数的氧化铕、氧化镱或氧化镏的技术。

但是，开发一种电子管阴极，使其具有更长时期的稳定发射特性来延长电子管装置的寿命，是一个仍未解决的问题。

上述目的是通过一种电子管器件来实现的，其包括一个电子枪，电子枪包括一个发射电子的阴极，阴极包括：基底金属，主要成分是镍，还包括作为还原剂的镁；发射极层，主要成分是氧化钡，还包括作为掺杂物的预定金属和(或)金属氧化物；以及加热器，可加热基底金属和发射极层，其中，(i)镁的克分子数，(ii)钡的克分子数，以及(iii)预定金属和(或)金属氧化物的克分子数，三者之间的比表示为Y∶1000∶X，当Y值和X值表示为XY坐标时，其中X坐标是X值、Y坐标是Y值；X值和Y值位于由连接各点(0.7，6)，(0.8，15)，(3，130)，(3，30)，(2.5，10)，(2，0.1)，以及(1，0.1)的直线限定的范围以内。

由本发明的发明人所进行的研究工作已清楚地表明，与一般的电子管器件相比较，本发明可以延长电子管器件的寿命约20％。

本发明的这些目的和其它的一些目的，以及它的优点和特点，将从以下的介绍中并结合描述本发明特定实施例的附图，可以得到清晰的概念。

在下列附图中：图1是示意性剖面图，显示电子管阴极的结构；图2是剖面图，介绍本发明的电子管阴极的结构；图3显示寿命与饱和发射之间的关系，是包括还原剂和不包括还原剂的基底金属和包括掺杂物和不包括掺杂物的发射极层的各种组合情况下的关系；图4显示一种阴极射线管的结构，作为使用本发明电子管阴极的一个电子管器件的示例；图5显示在X和Y值各种组合条件下寿命与饱和电流剩余比之间的关系；图6显示在X和Y值各种组合条件下寿命与饱和电流剩余比之间的关系；图7显示在X和Y值各种组合条件下寿命与饱和电流剩余比之间的关系；图8显示基底金属中的镁和发射极层中的掺杂物(CaO)的克分子比的适当范围；图9显示发射极层的密度与发射剩余比之间的关系；图10说明寿命与发射剩余比之间的关系，是对于各种类型的掺杂物的关系；图11显示使用铕或氧化铕作为掺杂物的最佳范围；和图12显示使用锆或氧锆作为掺杂物的最佳范围。

图2是示意性剖面图，介绍本实施例的电子管阴极(以下简称“阴极”)的结构。这种阴极包括圆柱形套筒10，盖在圆柱形套筒10一端的基底金属20，以及装在圆柱形套筒10内的加热器线圈40。基底金属20以镍作为主要成分，并包括用作还原剂的预定克分子浓度(％)的镁。注意，在本发明中，基底金属20是按预定的尺寸从100微米厚的镍板切下的，其中包括了预定体积克分子浓度的镁。发射极层30在基析金属20上形成。发射极层30的主要成分是氧化钡或氧化锶，此外，为了获得长时期的稳定发射特性，还包括预定金属和(或)金属氧化物用作掺杂物。发射极层30是通过在基底金属20表面施加悬浮物而形成，悬浮物的主要成分是碳酸碱土金属，如碳酸钡或碳酸锶，作为氧化钡或氧化锶的前体，然后进行从碳酸盐中形成氧化物的工艺过程。在本实施例的发射极层30的形成方法随后作详细介绍。

发明人研究了优化在基底金属20中的还原剂(如镁)与发射极层30中碱土金属氧化物之间的还原反应的各种方法。发现这种反应可以进行优化从而获得长时期稳定发射的特性，方法是在基底金属20中还原剂的克分子数、发射极层30中氧化钡和剩余的碳酸钡(如果有的话)的克分子总数(以下称“钡的克分子数”)，以及掺杂物克分子数之间限定一个适当的比。

更明确地说，当基底金属20中镁的克分子数，发射极层30中钡的克分子数，以及发射极层30中掺杂物的克分子数之间的比表示为Y∶1000∶X，以及X和Y值表示为XY坐标时，其中X坐标是X值，Y坐标是Y值；发明人员发现，如果X值和Y值是在连接各点(0.7，6)，(0.8，15)，(3，130)，(3，30)，(2.5，10)，(2，0.1)，和(1，0.1)的直线所限定的范围内，可以在长时期内获得稳定的发射特性。应当注意，虽然镁的克分子数会随着用作基底金属20的金属板的厚度不同而变化，当厚度是在通常用于基底金属20的范围之内(约80至150微米)时，如果克分子数被规定在上述范围之内，则没有发现特性有重大的不同。

图3所示是寿命与饱和发射电流(安培/平方厘米)之间的关系，是在包括还原剂和不包括还原剂的基底金属20和包括掺杂物和不包括掺杂物的发射极层30的各种组合情况下的关系。图中所示实例是按照下面方法在开始运行和每隔1000小时进行评定得出的。在饱和发射电流的测量中，阴极射线管器件100的电子枪30中的阴极，如图4一个实例中所示，是在例如820℃的温度下和给阳极(一般是G1和G2)施加了足够高的电压脉冲(一次脉冲持续3微秒时间)的条件下运行测量的。在那个点上的阴极电流被认为是饱和发射，值是在示波器上读出的。

在图3中，E线表示当基底金属20包括还原剂和发射极层30包括金属(或氧化金属)掺杂物时的阴极特性。F线表示当基底金属20包括还原剂而发射极层30不包括掺杂物时的阴极特性。G线表示当基底金属20不包括还原剂而发射极层30包括掺杂物时的阴极特性。H线表示当基底金属20不包括还原剂以及发射极层30不包括掺杂物时的阴极特性。

与F，G，以及H线相比较，E线显示出较高的饱和发射电流，同时显示获得长时期的稳定发射特性。这是由于金属(或金属氧化物)掺杂物与还原剂产生部分反应，如果基底金属20包括还原剂的话，造成发射极层30的电阻下降，以及由于施主能级的形成而促进发射增加。

下面介绍本发明的阴极制造方法。

阴极成分的克分子比限定在前面介绍的范围内。换句话说，当基底金属20内的镁、发射极层30内的钡、以及发射极层30内的掺杂物之间的克分子比表示为Y∶1000∶X，Y值和X值表示为XY坐标时，其中X坐标是X值、Y坐标是Y值；X值和Y值位于由连接各点(0.7，6)，(0.8，15)，(3，130)，(3，30)，(2.5，10)，(2，0.1)，以及(1，0.1)的直线所限定的范围内。这种范围的理由将在随后讨论。掺杂物可以是CaO，Zr/ZrO，或Eu/Eu2O3，但是不仅仅限于这些，可以是任何不同类型的金属和(或)金属氧化物。

然后，把碳酸碱土金属的碳酸钡和碳酸锶和掺杂物(在此实施例中是氧化钙)与有机溶剂相混和，有机溶剂由85％碳酸二乙酯和15％硝酸(体积比)组成，从而形成产生发射极层30的悬浮物。此处，碳酸钡与碳酸锶的克分子比是1∶1，或最好是1∶1.02，碳酸碱土金属和掺杂物(在此实施例中是氧化钙)两者的颗粒平均直径都是3微米。应当注意，最好把悬浮物的温度保持在将近20℃，这样可使悬浮物的粘度保持恒定不变，因为恒定的粘度是稳定使用特性的最重要因素。

与此同时，基底金属20，以镍作为主要成分，并且包括如像镁这样的还原剂，被加热器或类似器件加热至40±10℃。下一步，用喷枪把温度约为20℃的悬浮物喷射到已经加热到40±10℃的基底金属20上。这里，压力、时间和喷射次数都得到控制，使发射极层30在干燥后具有0.60至0.75克/立方厘米的密度和50至75微米的厚度。在这个阶段，用目测检查基底金属20和发射极层30，确认发射极层30已牢固地附着在基底金属20上(在各个角上没有缺陷)。

在用作比较而制造的阴极(以下称作“比较阴极”)中，发射极层30具有0.60至0.75克/立方厘米的密度和50至75微米的厚度，但是，喷在基底金属20上的悬浮物不加热至上述温度。从比较阴极中的发射极层30的角上可以看出有与基底金属20剥落的现象。相反，当采用了如上面介绍那样加热至40±10℃的基底金属20时，发射极层30足够牢固地附着在基底金属20上，在各个角上几乎看不到剥落。

下一步，如前面介绍的那样，组装好的阴极射线管要经过抽空过程，其中，加热器40将阴极加热至从碳酸钡中形成氧化钡。氧化钡被部分地还原，从而被激活而成为半导体。至此，本发明的阴极制成。

通过本发明的阴极制造方法制造出的阴极，实际使用了4万小时甚至更长，显示出令人满意的发射特性。更确切地说，已能够生产出这样的阴极，在加速寿命试验中经过4000寿命小时或更长的时间后，能达到50％的饱和电流剩余比，或在加速寿命试验中经过4000寿命小时后，能达到40％或更高的发射剩余比。注意，加速寿命试验是在把阴极的温度提高到820℃，而额定温度是760℃，的条件下进行的。

另外，通过把形成发射极层30的悬浮物喷射到已加热至40±10℃的基底金属20上，使发射极层30的附着强度得到提高。这样就能使制造出来的阴极具有良好的发射电流密度分布，以及改进了所制造的产品产量。

此外，通过使形成的发射极层30具有0.60至0.75克/立方厘米的密度和50至75微米的厚度，由表面最高点来表示(日本工业标准JISB0601-1982)的发射极层30的表面粗糙度，可以达到约10至15微米。这就使得可以制造出具有更好的电子发射电流密度分布的阴极，导致制造的产品产量的提高。

下面介绍一些将肯定本发明效果的实验例子。

许多类型的阴极是按照图2所示的结构制造的。在每个阴极中，发射层30具有约65微米的厚度和约0.6克/立方厘米的密度。此处，发射极层内的钡克分子数表示为1000，用作掺杂物的氧化钙的克分子数表示为X，以及基底金属20的镁的克分子数表示为Y。X和Y值在各个阴极之间是不同的。每个阴极装入阴极射线管后，用于46厘米的计算机显示器，然后在阴极上进行了寿命试验。寿命试验的结果如图5，6，7，9，和10所示。

阴极寿命的评定是用两个术语来表示，一个是“饱和电流剩余比”，根据饱和电流剩余比能够很容易判断阴极性能的质量，另一个是“发射剩余比”，根据发射剩余比就能很容易判断出正在实际工作时阴极的寿命质量。图5，6和7介绍饱和电流剩余比，图9和10介绍发射剩余比。

应当注意，加速寿命试验，如前面提到的，是把阴极温度提高到820℃来进行的，而额定温度是760℃，从阴极中可以获得300微安培的直流电。已经肯定，一个阴极，如果它在4000小时寿命时间之后具有50％或更高的饱和电流剩余比或在4000小时寿命时间之后具有40％或更高的发射剩余比，它就能在实际使用中令人满意地工作40,000小时(此处令人满意的工作是指阴极具有长时期稳定的发射特性)，因此阴极是在此基础上评定的。

这里，“饱和电流剩余比”是每个过去的寿命小时的饱和发射对当作100％的初始饱和发射的百分比。“发射剩余比”是每个过去的寿命小时的发射衰减对当作100％的初始发射衰减的百分比。注意到，发射剩余比是按下面方法评定的。在开始工作时和随后每隔1000小时，向面对阴极的阴极射线管内电子枪的三极管单元的栅极G1和G2施加电压。在初始时测得阴极电流α，随后每隔1000小时测量阴极电流β，以得出100β/α。所得到的发射剩余比是用于按照前面提到的评定基础(40％或更高)判断每一个阴极的质量。注意，为了判断初始发射衰减，测量阴极电流α，然后在5分钟后测量阴极电流γ，以得到被认为是初始发射衰减的100γ/α。

从图5，6和7可以清楚知道，在4000小时的寿命后，传统的阴极的饱和电流剩余比(X＝3.2，Y＝58)，由A线代表，是41％，这就是说，这样的阴极在实际使用中不能令人满意地工作。相反，本发明的18种型号的阴极，由线B1，B2，B3，B4，B5，B6，B7，B8，B9，B10，B11，B12，B13，B14，B15，B16，B17或B18来代表，具有50％或更高的饱和电流剩余比，这就是说，这样的阴极可以在实际使用中令人满意地工作。但是，由C1，C2，C3，C4和C5线所代表团的阴极只有40％或更低的饱和电流剩余比，这就意味着这样的阴极不能在实际使用中令人满意地工作。

在图8中，处于线限定范围内的各个点表示图5至图7中B1至B18线所代表的18种型号的阴极。在XY坐标中，用作掺杂物的氧化钙(金属氧化物)的克分子比X由X坐标来表示，而镁的克分子比Y由Y坐标来表示。18个点的X和Y值是在由连接各点(0.7，6)，(0.8，15)，(3，130)，(3，30)，(2.5，10)，(2，0.1)和(1，0.1)的直线所限定的范围内。这些结果清楚地表明，镁的总量相对掺杂物总量(C2，C3)不要太高是最可取的，以及掺杂物总量相对镁的总量(C4，C5)不要太高也是最可取的。

应当注意到，在图8中，在对角线形成阴影的范围，换句话说在这个范围内X和Y值是在由连接各点(1.5，20)，(1.7，60)，(2.5，100)，(3，80)，(3，30)，(2.5，10)和(2，0.1)的直线所限定的范围内，是最为希望得到的，因为在这个范围内，加速寿命试验经过4000小时后，可以达到60％或更高的饱和电流剩余比。

图9所示是发射极层30的密度与发射剩余比之间的关系。U线代表初始工作时的发射剩余比，V线代表4000寿命小时后的发射剩余比。如U线所示，密度几乎不影响初始发射剩余比。与此相对照，当密度小于0.6克/立方厘米时，4000小时后的发射剩余比小于40％，这就意味着这样的阴极在实际使用中不能令人满意地工作。这是因为当密度小于0.6克/立方厘米时，发射极层30中氧化钡的毛重量是低的，这就是说不能长时期提供足够的发射。此外，由于高密度意味着电子发射层具有低的孔隙率，当密度超过0.75克/立方厘米时，热效率就降低。这也意味着不能长时期提供足够的发射。

注意，当密度超过0.75克/立方厘米时，发射极层30总重量的5％或更多会脱落。这样的高比值意味着这样的阴极不能在实际使用中令人满意地工作。

图10所示是根据本发明的发射极层30中掺杂物的种类的寿命时间与发射剩余比之间的关系。此图列出除了氧化钙以外的一些物质，在试验中介绍的这些物质适用于作为掺杂物来获得4000小时后40％或更高的发射剩余比。这些物质有金属物质铕、钽和锆，以及金属氧化物氧化铕、氧化钽和氧化锆。不用氧化钙而用这些物质可以获得4000小时后的较高的发射剩余比。此外，对不用氧化钙而采用铕、钽、锆、氧化铕、氧化钽或氧化锆作为掺杂物制造的阴极进行了寿命试验，试验确认，在下列范围内可以获得4000小时后50％或更高的饱和电流剩余比，当镁、钡和掺杂物的克分子比表示为Y∶1000∶X，以及X值和Y值表示为XY坐标时，即在连接各点(0.7，6)，(0.8，15)，(3，130)，(3，30)，(2.5，10)，(2，0.1)，以及(1，0.1)的直线所限定的范围内。当采用铕/氧化铕或锆/氧化锆作为掺杂物时其结果详情将在随后作介绍。

注意，当发射极层30薄于45微米时，4000小时寿命时间后的饱和电流剩余比降至50％以下，这就是说这样的阴极在实际使用中不能令人满意地工作。此外，当发射极层30厚于80微米时，它就不能牢固地附着在基底金属20上，这就意味着如果阴极受到碰撞，就会有颗粒轻易地从发射极层30上脱落。

为了既能延长发射极层30的寿命又能防止颗粒从发射极层30上脱落，发射极层30的厚度最好是在至少50微米和不超过75微米的范围内。

最后，介绍一些采用铕/氧化铕或锆/氧化锆作为掺杂物的例子。图11所示是一些采用铕/氧化铕作为掺杂物的例子。图12所示是一些采用锆/氧化锆作为掺杂物的例子。

如图11所示，当采用铕或氧化铕作为掺杂物时，由连接各点(0.5，0.1)，(0.6，20)，(0.7，55)，(1，70)，(1.5，90)，(2，115)，(2.5，130)，(3，140)，(3，20)，(2.75，8)，(2.5，5)，(2，0.1)，(1，0.1)和(0.8，1)的直线所限定的范围是最可取的。已经确认，在这个范围内可以获得4000小时寿命时间后50％或更高的饱和电流剩余比。由对角线形成阴影的这些范围，换句话说，由连接各点(0.6，20)，(0.7，55)，(1，70)，(2，75)，(2.5，100)，(3，80)，(3，60)，(1.3，40)和(1，22)的直线所限定的范围内，或由连接各点(0.6，20)，(0.8，1)和(0.5，0.1)的直线所限定的范围，是特别想要的。在这个范围内，在4000小时寿命时间后的饱和电流剩余比是60％或更高。

此外，如图12所示，当采用锆或氧化锆作为掺杂物时，由连接各点(0.6，10)，(0.8，25)，(1.25，60)，(1.5，75)，(2，115)，(2.5，140)，(3，160)，(3，10)，(2.75，8)，(2.5，5)，(2.4，0.1)和(0.7，0.1)的直线所限定的规范是最可取的。在此范围内，4000小时寿命时间后的饱和电流剩余比是50％或更高。在由对角线形成阴影的范围，也就是由连接各点(1.5，75)，(2.5，100)，(3，80)，(3，10)，(2.75，8)，(2.5，5)，(2.4，0.1)和(2，0.1)的直线所限定的范围是最希望的。在这个范围内，4000小时寿命时间后的饱和电流剩余比是60％或更高。

注意，可以单独采用金属或金属氧化物作为掺杂物，或同时采用金属和金属氧化物。

虽然本发明通过示例的方式并参考附图作了全面介绍，应该注意到，对所属领域的技术人员来说，显然可作各种各样的改变和改进，因此，除非这样的改变和改进不属于本发明的范围，否则应该认为包括在本发明内。