专利名称：电子枪中阴极的安装的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如阴极射线管(CRT)一类的装置的电子枪。更具体地说，涉及可以使用现有的电子枪的改进零件来安装场发射装置的装置和方法。
背景技术：
现有的电子枪利用热离子发射极作为电子源。图1表示使用热离子发射极的电子枪的下部零件的普通结构。标号10表示具有一个阴极和二个栅极的电子枪的零件。两个栅极，与其他栅极一起，通常在形成整个电子枪的结构上“串接”在一起。利用灯丝12加热发射涂层14，引起电子发射。与阴极柄部18连接的阴极盖16，支承着发射涂层14(通常为钡、锶或碳酸钙中的一种或多种的综合，这些物质在CRT中转换为氧化物)。阴极柄部18通常与界面圆环20焊接在一起。界面圆环20可与陶瓷阴极支架22作成一个整体。陶瓷阴极支架22在控制栅极24上自由滑动，但在最终装配电子枪过程中，用焊接固定。利用控制栅极24(G1)和控制栅极26(G2)来使发射涂层14产生的电子聚焦和加速。栅极被电偏置，以形成电子源。电子可进一步由其他栅极聚焦和调制，以满足CRT的要求。
近年来开发了用基于场发射电子的冷阴极(场发射装置或FED)代替基于热离子发射的阴极的技术。在冷阴极中，电子是从由钼、硅或最近还由碳基材料制成的微型尖端发射的。利用集成电路制造技术(参见“最终应用场合的先进的CVD金刚石微型尖端装置”，材料研究学会技术讨论会论文集(MAT.RES.SOC.SYMP.PROC)509卷(1998))，已经证明了可将碳基材料或金刚石一样的材料与自对准结构中的控制栅极电极作为一个整体，成为一个单片。使用带有内装式的引出控制栅极的场发射装置，不需要在基于热离子发射的电子枪中的二个电极(图1中的G1和G2)。取消这二个电极可使电子枪变得简单和减小其长度。整体的用如碳一样的材料制成的阴极和电极在电子枪中的应用已在1999年7月19日，发明者RichGorski和Keifa D.Jamison提出的，题为“紧凑的场发射电子枪和聚焦透镜”的正在审查中和按普通程序授予的专利申请S.N.09/356851号中作了说明。这里引入所述专利申请供参考。在Keith D.Jamison和Donald E.Patterson1999年12月31日提出的、题为“场发射阴极中的动态束校正的分段控制栅极驱动”的正在审查中和按普通程序授予的专利申请S.N.09/476051号中公布了一种分段的阴极。这里引入所述专利申请供参考。在Rendolph D.Schueller，Kent R.Kalar和AnthongA.K1oba 2000年1月28日提出的、题为“在电子枪中安装场发射装置的插件结构”的正在审查中和按普通程序授予的专利申请S.N.09/493379号中，公布了一种用于将场发射阴极安装在电子枪中的插件结构。这里引入所述专利申请供参考。
将场发射阴极装入电子枪中的结构是已知的，但这些结构需要重新制造或更换热离子发射极的电子枪的零件，或新设计的零件。电子枪设计的改变和制造电子枪零件的工具的改造都是成本高和费时间的。使用场发射装置(FED)作为阴极，在阴极射线管(CRT)工业中是新事物，它比使用现有的方法，或需要高成本和费时的改变电子枪设计的装置的CRT有许多优点。一旦FED的优点显示出来，则改变所需的花费也是值得的所需要的只是对使用热离子发射的商业上销售的电子枪的零件作很小的，改进的结构和方法，即不需要对电子枪的设计和制造其零件的工具作重大改变，即可满足FED的所有要求。在CRT中使用所述结构可使与CRT的电气连接改变最少。
发明内容
本发明提供了带有一个整体的引出栅极的使用场发射阴极的电子枪结构。所述结构包括一个放在一个空心件中的弹簧，所述空心件可以是现有的电子枪的栅极(G1)。所述弹簧作用在可以是通常的电子枪的阴极柄部的一个柄部上，将在发射阵列周围的电气触点区压紧第二表面。所述第二表面可以是通常的电子枪的栅极(G2)。所述电气触点区电气上与场发射阵列的引出栅极连接。所述栅极可与所述阵列的发射极作成一个整体。所述场发射阵列在一个基片上形成，并最好由碳基材料制成。在另一个实施例中，在所述基片下面放置一块支承板，以增加阴极差与FED基片之间的机械接触面积。在又一个实施例中，切去阴极柄部，这可在某些应用场合减小角度安装误差。
为了更好地理解本发明及其优点，现结合附图进行说明。附图中相同的标号表示相同的零件，其中图1表示利用热离子发射极的现有技术电子枪下部零件的结构；图2表示包括适用于电子枪的场发射阵列的阴极；图3表示使用一个场发射阴极的电子枪的一个实施例；图4表示使用场发射阴极的电子枪的第二实施例；图5表示使用场发射阴极的电子枪的第三实施例。
具体实施例方式
参见图2，阴极用标号30表示。在基片34上形成场发射阵列32。如在下列按普通程序授予的和正在审查中的专利申请-1998年10月12日提出的SN 09/169908和SN 09/169909，1999年7月19日提出的SN 09/356856，1999年12月31日提出的SN 09/476651，和2000年1月28日提出的SN09/493379号中，公布了基于碳的材料制成的场发射阵列。这里引入这些专利申请供参考。所述阵列最好由炭基发射极36和整体作出的控制栅极层38构成。在控制栅极触点层38上可以形成可为黄金短柱凸块的凸块40，所述凸块可用作电气触点以及机械支座，以防止当使用下述的安装过程时，基片边缘变短。绝缘层37将控制栅极层38与发射极36隔开。
参见图3，使用如图1所示的热离子发射的电子枪零件，已经改造为使用FED的电子枪50。使用通常的方法将零件“串”在一起。图1中的发射涂层14已从阴极盖16中除去或省掉，而场发射阵列基片34则与阴极盖16粘接，形成阴极盖16与场发射阵列32之间的电气触点。导电石墨涂层或“Aquadag”，或高温导电粘接剂(例如ABLEBOND 71-1或ABLEBOND2106)可以提供具有制造CRT所需要的电气、高温和高真空性质的粘接剂。图1中的控制栅极24(G1)的孔已经扩大，形成一个圆筒52，它可使连接基片34通过所述孔。当然，可以使用任何适当尺寸的空心件用作圆筒52。在将组件插入圆筒52中之前，将阴极柄部18与界面圆环20焊接。将陶瓷阴极支架22放入圆筒52中，然后将螺旋弹簧54放入圆筒52中，并将弹簧保持圆盘56插入和固定(优选是焊接)在圆筒52中。如图3所示，由座圈56固定在螺旋弹簧54，以一定的力将凸块40压紧在圆筒58上，与控制栅极层触点42电气上接触。改造的电子枪由图3所示的零件和可能需要的任何其他栅极构成。利用通常的方法，将改造的电子枪密封在CRT中。
图4表示使用FED阴极的电子枪的第二实施例。在用标号60表示的这个实施例中，图1所示的阴极柄部18和阴极盖16切去，与陶瓷阴极支架22的顶面在一个水平高度上。金属支承板62(最好为镍或不锈钢)与金属和陶瓷界面圆筒20的露出末端点焊在一起。利用导电石墨涂层或“Aquadag”或高温导电粘接剂例如ABLEBOND 171-1或ABLEBOND2106将支承板62与陶瓷阴极支架22的顶部粘接在一起。这可使支承板62与陶瓷阴极支架22机械固定，并使支承板62与金属和陶瓷界面圆环20和阴极柄部18电气上连接。利用上述的粘接剂，可将场发射基片34与金属支承板62粘接在一起。这样，在支承板62和场发射阵列32与阴极柄部18之间建立电气接触。在某些应用场合，利用支承板来增大电气接触面积。
图5表示带有FED阴极的电子枪的第三实施例。在这个用标号70表示的实施例中，冷阴极发射阵列32和基片34与陶瓷阴极支架22连接。利用上述的导电粘接剂，直接将基片34粘接在陶瓷阴极支架22上。这可使冷阴极阵列32与金属和陶瓷界面圆环20及阴极柄部18电气上连接。在每一个实施例(图3，4和5)中，螺旋弹簧54和弹簧保持组件56插入陶瓷阴极支架22后面的圆筒52或72的体中，并且弹簧座圈56用焊接或用其他方法固定。这样可以固定阴极组件，并使凸块40和圆筒58的表面之间的力稳定。如同在CRT中使用电子枪的当前方法中一样，在将电子枪在CRT中密封之前，可将一个金属带或金属丝(没有示出)焊接在阴极柄部18和所有栅极与相应的杆状插头之间。然后，利用通常的方法，将改造的电子枪密封在CRT中。
为了操作在完成的CRT中带有FED的电子枪，可将控制栅极电位加在现在与圆筒58电气上连接的图1所示的控制栅极26(G2)的先前的杆状插头上，同时使图1中的控制栅极24(G1)和阴极柄部18的先前的杆状插头共同连接和接地。另一种方法是，可以给控制栅极24和阴极柄部18的先前的杆状插头以一个负的偏压，而控制栅极26的先前的插头接地。所有其他的电子枪连接可以不改变。对于改造的电子枪，不需要阴极加热器或灯丝。不需要时现有的电子枪设计作很大改变，可以将场发射阴极与热离子阴极互换使用。
根据上述的方法，改造现有的电子枪，可形成图3所示的带有用如碳一样的材料制成的场发射阵列的装置。参见图1，控制栅极24的孔被扩大，足以使改造过的组件自由通过(或从0.005英寸扩大至0.250英寸)。去掉了灯丝12。去掉了发射涂层14。
陶瓷阴极支座22与阴极柄部18焊接。
现参见图3，利用ABLEBOND 71-1将场发射阵列基片34与阴极盖16连接。所述基片和阵列为用碳基材料制成，并根据上述的按普通程序授予和正审查中的专利申请中所述的方法制造。触点的尺寸和结构经过改造，以形成图2所示的零件。将陶瓷阴极支架22插入圆筒52中，并使凸块40与圆筒58接触。然后，将螺旋弹簧54放入圆筒52中，将弹簧保持组件56放入和焊接在规定位置上。将电气接头与阴极柄部和所有的电子枪栅极连接，并在实验室的真空腔中试验所述电子枪。结果证明，电子枪工作令人满意。
本发明的上述说明只是示例性的，在不偏离本发明的精神的条件下，可对所述装置的结构和工作与装配方法进行各种改变。
权利要求
1.一种以场发射装置作为阴极的电子枪，其中包括第一空心细长壳体，所述壳体包含有保持组件和弹簧，弹簧可将力加在一个阴极支架上，所述阴极支架可在第一细长的壳体中滑动，并支承一个阴极柄部，所述柄部支承着一个场发射阵列基片，所述基片上有一个场发射阵列并与第一壳体电气上连接；所述阵列具有一个引出栅极，所述引出栅极电气上与许多凸块连接，所述弹簧使所述凸块与第二壳体电气上连接，所述第一和第二壳体与阴极射线管的插头电气上连接。
2.如权利要求1所述的电子枪，其特征为，为场发射阵列更是以碳为基础的材料制成的。
3.如权利要求1所述的电子枪，其特征为，第一空心细长壳体是由使用热离子发射的电子枪的控制栅极(G1)改造而成的。
4.如权利要求1所述的电子枪，其特征为，第二壳体是由使用热离子发射的电子枪的控制栅极(G2)改造而成的。
5.如权利要求1所述的电子枪，其特征为，所述弹簧为螺旋弹簧。
6.如权利要求1所述的电子枪，它还包括一个放置在阴极柄部和场发射阵列基片之间的金属支承板。
7.一种以场发射装置作为阴极的电子枪，其中包括第一空心细长壳体，所述壳体包含有保持组件和弹簧，弹簧可将力加在一个阴极支架上，所述阴极支架可在第一细长的壳体中滑动，并支承一个场发射阵列基片，所述基片上有一个场发射阵列并与第一空心细长壳体电气上连接；所述阵列具有一个引出栅极，所述引出栅极电气上与许多凸块连接，上述弹簧使所述凸块与第二壳体电气上连接，所述第一和第二壳体与阴极射线管的插头电气上连接。
8.如权利要求7所述的电子枪，其特征为，所述场发射阵列为用碳基材料制成。
9.如权利要求7所述的电子枪，其特征为，第一空心细长壳体是由使用热离子发射的电子枪的控制栅极(G1)改造而成的。
10.如权利要求7所述的电子枪，其特征为，第二壳体是由使用热离子发射的电子枪的控制栅极(G2)改造而成的。
11.如权利要求7所述的电子枪，其中，所述弹簧为螺旋弹簧。
12.一种电子枪用的阴极，其中包括上面有一个场发射阵列的场发射阵列基片，所述阵列具有发射极和一个引出栅极，所述引出栅极与发射极隔开一个它们之间的绝缘层的距离，并与一个控制栅极触点层连接；和放置在所述控制栅极触点层上，并与所述基片隔开一定距离的凸块；另外还包括与所述凸块电气上接触的壳体。
13.如权利要求12所述的阴极，其特征为，所述凸块为黄金短柱凸块。
14.一种装配利用场发射装置作为阴极的电子枪的方法，其中包括(a)提供一块上面有场发射阵列的基片，所述阵列具有一个引出栅极，所述引出栅极电气上与许多凸块连接；(b)提供第一空心细长壳体，具有电气触点区域的第二壳体，弹簧和保持组件，可在第一空心细长壳体内滑动的阴极支架，和一个柄部；(c)将第一和第二壳体连接起来；(d)将所述基片与所述柄部连接，和所述柄部与阴极支架连接；(e) 将阴极支架，弹簧和保持组件插入第一空心细长壳体中，使弹簧将凸块压在第二壳体上，并使保持组件与第一空心细长壳体连接，以固定弹簧；和(f)使基片和第一及第二壳体电气上连接。
15.如权利要求14所述的方法，其中，第一空心细长壳体是由使用热离子发射的电子枪的控制栅极(G1)改造得来的。
16.如权利要求14所述的方法，其中，第二壳体是由使用热离子发射的电子枪的控制栅极(G2)改造得来的。
17.如权利要求14所述的方法，它还包括在基片和阴极柄部之间放置一个金属支承板，和用导电涂层或粘接剂粘接柄部、金属支承板和基片的步骤。
18.如权利要求14所述的方法，其中，在步骤(d)中，利用导电涂层或粘接剂，使基片与阴极柄部连接。
19.一种装配利用场发射装置作为阴极的电子枪的方法，其中包括(a)提供一块上面有场发射阵列的基片，所述阵列具有一个引出栅极，所述引出栅极电气上与许多凸块连接；(b)提供第一空心细长壳体，具有电气触点区域的第二壳体，弹簧和保持组件，可在第一空心细长壳体内滑动的阴极支架；(c)将第一和第二壳体连接起来；(d)将所述基片与所述阴极支架连接；(e) 将阴极支架，弹簧和保持组件插入第一空心细长的壳体中，使弹簧将凸块压在第二壳体上，并使保持组件与第一空心的细长壳体连接，以固定弹簧；和(f)使基片和第一及第二壳体电气上连接。
全文摘要
本发明提供了在电子枪中安装具有发射极和一个引出栅极的场发射装置的装置和方法。所述装置可由现有的使用热离子发射极的电子枪零件改造制成。利用由弹簧压紧在导电表面例如现有的电子枪中的第二控制栅极上凸块，可与栅极电气上连接。
文档编号H01J29/04GK1428000SQ01809063
公开日2003年7月2日 申请日期2001年3月12日 优先权日2000年3月24日
发明者安东尼·A·克洛巴, 伦道夫·D·许勒, 戴维·A·德尔古齐, 唐纳德·E·帕特森, 基思·D·贾米森, 肯特·R·卡拉 申请人:尖端设备公司