194646. lajstromszámú szabadalom • Eljárás elektronemissziós izzókatód előállítására
1 194 646 2 teken végzett reaktív lecsapással WFÖ + H2 és Thdiketonátból, különösképpen Th-acetil-acetonátból, előnyösen Th-triflzuor-acetil-acetonátból vagy Th-hexafluor-acetil-acetonátból vagy még Thheptafluor-dimetil-oktán-dionból vagy Th-dipiva- 5 loil-metánból növeszthetünk előnyösen akár váltakozva, akár egyidejűleg volfrámot és tóriumot, illetve Th02-t. A telítő berendezést, amely a kiindulási Th-vegyületet por alakban tartalmazza, kevéssel annak olvadáspontja alá hevítjük és iners gázt, 10 különösképpen argont vezetünk át rajta. A készletező övezet rétegstruktúrája általában közelítőleg 1-10 pm vastagságú alapanyag rétegekből és közelítőleg 0,1-1 pm vastagságú emit- 15 tálóanyag rétegekből épül fel. A rétegek sorozatából álló készletező övezetet úgy visszük fel a találmány szerinti eljárás egy előnyösen megvalósítható változatánál, hogy a 30-tól 300 pm, különösképpen a 100 pm vastagságú, struktúrastbilizáló adalékot 20 tartalmazó CVD hordozórétegre, CVD-eljárással kevés elektronemittáló anyagot és lehetőség szerint stabilizáló adalékot is tartalmazó magas olvadáspontú fém réteget váltakozva viszünkfel az elektronemittáló anyagot nagy koncentrációban 25 tartalmazó, valamivel vékonyabb, a szemcsék nagyságrendjébe eső vastagságú fémréteggel. Nevezetesen egy-egy réteg vastagsága 5 tömeg%-ig terjedő emittáló anyagtartalom esetén 0,5—10 pm és 3Q 5-50 tömeg% emittáló anyagtartalom esetén pedig 0,1-2 pm. Az emittáló anyag átlagos koncentrációja előnyösen 15-20 tömeg%. Végül a tároló, illetve készletező zónát egy előnyösen orientált bevonóréteggel látjuk el, ami meg- 35 növelt emissziót biztosít. Ez a bevonóréteg állhat ugyanolyan anyagból, mint az alap vagy valamilyen eltérő anyagból, amelyet úgy választunk meg, hogy az emittáló rétegnek és a bevonórétegnek a kilépési munkája jóval kisebb legyen, mint az emit- 40 táló és az alapanyag kombinációjának a kilépési munkája. A bevonóréteg általában olyan fémből áll, amelynek nagy a kilépési munkája, ami az emittáló vékony réteg és a bevonóréteg közötti kilépési munkát is csökkenti a köztük levő nagy dipólusmo- 45 mentum miatt. Az elektropozitív emittáló vékony rétegen levő dipólusmomentum nagysága nemcsak az anyagtól, hanem az azon levő bevonó réteg krisztallitjainak felületi orientációjától is függ. A szubsztraktív dipólerőtér további erősítésének és 50 ezzel az emisszió növelésének egyik eszköze az, hogy textúranélküli felület helyett megfelelően orientált, polikristályos felületi réteget képezünk ki. Az említett előnyös orientációjú réteget alapjában véve csak a gázfázisból tudjuk lecsapatni, előnyö- 55 sen jól elkészített felületekre. A <(l 11 j> orientációjú volfrámra helyes a tórium egyatomos réteget leválasztani. A kialakított felületi rétegnek azonban további feltételeket is ki kell elégítenie^ Egy fontos további követelmény, hogy igen finom kristályok- 60 ból álljon. Ezt az alábbiak szerint érhetjük el. Mivel a szokásos emittáló anyagok legtöbbje csak kevéssé oldódik azokban a magas olvadáspontú anyagokban, amelyekből a katód hordozó 65 bázisa és a bevonórétege áll, az emittáló anyag a katód belsejéből a szemcsehatárokon keresztül diffundál a felületre. Azért, hogy az emittáló anyag párolgása következtében előálló veszteséget, illetve a megfelelő felületi bevonatot elegendő anyagnak a felületre juttatásával pótolni lehessen, a felület egységére vonatkoztatott szemcsehatárok száma nem lehet túl kevés, és a felületre vezető diffúziós utak hossza nem lehet túl nagy. Ez a követelmény a mérsékelten magas hőmérsékleten üzemelő konvencionális katódbknál általában teljesül. De a magasabb hőmérsékleteken, amelyeken rendszerint nagyobb lesz az emisszió, az emittáló anyag deszorpciója a felületre való diffúzióhoz képest jelentősen megnövekszik, és így nincs többé biztosítva a kielégítő minőségű egyatomos réteg-bevonat. Az emisszió csökkenése erősen függ a szemcsék átlagos átmérőjétől, és annál magasabb hőmérsékleten következik be, minél kisebb az átlagos szemcseméret. Az 1 pm vagy annál kisebb átlagos szemcseméretű tóriumos volfrámkatódoknál ez azt jelenti, hogy a hasznos hőmérséklettartomány ^2400 K-ig terjed ki. A stabil működéshez szükséges ilyen kisméretű szemcsék lényegében csak CVD-eljárásokkal és csak a CVD eljárás paramétereinek helyes megválasztásával készíthetők. Az említett felületi struktúrának szintén ki kell elégítenie azt a követelményt, hogy hosszabb ideig tartó hőterhelés alatt is stabil maradjon. Ha például a katód működése során a szemcsenagyság a rekrisztallizáció folytán túlságosan megnövekszik, ennek következtében végül lecsökken az emissziós áram, és az egyatomos bevonat pusztulása folytán csökken az élettartam is. Ugyanez a stabilitási követelmény vonatkozik az orientációra is, ami azt jelenti, hogy a felület előnyösen beállított orientációjának fenn kell maradnia az üzemelés során. A hordozóréteg rekrisztallizációja a mechanikus stabilizálással analóg módon megelőzhető egy olyan anyag gázfázisra lecsapatás alatti hozzáadásával, amely nem oldódik a gázfázisból lecsapott bevonóréteg anyagának kristályrácsában. Volfrám bevonóréteg vagy alapanyag esetén a szilárd volfrámban kévéssé oldódó Th, Th02, Zr, ZrOz, U02, Y, Se, Y203, Sc203 és Ru adalékok alkalmasak. 2000 K üzemelési hőmérsékletet feltételezve (amelyhez képest az adalék olvadáspontjának magasabbnak kell lennie) a Th02, Zr02, Y203, Sc203 és a Ru lesznek az egyszerűen kezelhető, előnyös CVD-adalékok. Néha, ha az emittáló egyatomos réteget Th, Y vagy Se képezi, az adalékanyag meg is egyezhet az emittáló anyaggal. A krisztallitok növekedésének a megelőzése egyúttal a struktúra stabilizálását is jelenti, ami az adalékok nélkül a legtöbb esetben már az aktiválási fázisban tönkremegy. A tiszta anyagok textúrájának magasabb hőmésékleten bekövetkező pusztulását okozhatja kevésszámú krisztallitnak az előnyösen orientált többség rovására bekövetkező tetemes növekedése vagy az, hogy a krisztallitok növekedése a nemorientált alapról indul ki. Ilyen módon előnyösen orientált bevonórétegü katódok állíthatók elő, amelyeknek egyúttal nagy 7
