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Kathodenstrahlröhre mit Bildpunkterzeugung durch Abbildung der Öffnung einer Blende.
Das Problem, einen möglichst kleinen und möglichst hellen Bildpunkt zu erreichen, wie es in der Fernsehtechnik und beim Bau von Oszillographen vorliegt, wird bekanntlich durch Abbildung einer Kathodenoberfläche bestimmter Grosse oder der Öffnung einer Zwischenblende mit Hilfe einer elektrischen oder magnetischen Linse auf einem Leuchtschirm gelöst. Es ist bekannt, dass die Punktgrösse erstens durch das Abstandsgesetz der Glasoptik (Bildgrösse : Gegenstandsgrösse = Bildweite : Gegenstandsweite) bestimmt wird und zweitens durch das Verhältnis der Geschwindigkeiten bzw. durch die Wurzel aus dem Verhältnis der Spannungen, welche die Elektronen am Orte des Abbildungsgegenstandes bzw. am Orte der Abbildung beschleunigen.
Vorgeschlagen wurden bisher nur Anordnungen, bei denen die Elektronen die gesamte Strecke von der Blende bis zur ersten Abbildungslinse mit gleichbleibender Geschwindigkeit durchfliegen. Hiebei ist bis zum Ort der ersten Linse meist noch ein Metallrohr angeordnet, welches mit der Blende metallisch verbunden ist. Benutzt man eine elektrostatische Linse, so hat dieses Metallrohr eine niedrigere Spannung als die zweite Elektrode der Linse, welche meist als letzte Anode dient.
Auf diese Weise wird die bekannte Spannungsbeziehung
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für die Grösse s des Bildpunktes in günstigster Weise ausgenutzt, weil die Spannung an der Blende und im Metallrohr naturgemäss stets kleiner ist als die Spannung hinter der Anode (in der obigen Formel bezeichnen bs bzw. (Dbi die Durchmesser von Bildpunkt bzw. Abbildungsobjekt-z. B. Blenden- öffnung-, ! bzw. lb die Abstände der Linse von Schirm bzw. Abbildungsobjekt, und eb bzw. ea die auf Kathodenpotential bezogenen Strahlpotentiale am Orte des Abbildungsobjektes bzw. des Schirmes).
Fig. 1 zeigt eine solche klassische Fernsehröhrenform. Die Blende 1 bildet den Abschluss eines Metallrohres 2. Dieses Rohr befindet sich auf niedrigerer Spannung als die Anode 3. Die Anode 3 hat von dem Schirm 4 den Abstand und von der Blende den Abstand lb und liegt an der vollen Spannung der Batterie 5, also an der Spannung ea, während das Metallrohr an einer Teilspannung eb gegenüber der Kathode 6 liegt.
Die Erfindung bezweckt, einen noch kleineren Bildpunkt zu erhalten, als er aus der oben genannten Gleichung folgt, u. zw. ohne die Längen lb und der Fig. 1 vergrössern zu müssen. Zu diesem Zweck hat die Anmelderin folgende Überlegung angestellt.
Ein in der Öffnung der Blende 1 befindliehes Elektron möge eine gegen die Achsenrichtung abweichende Geschwindigkeitsrichtung v haben. Diese Geschwindigkeit v zerfällt in eine Axiale ! und eine Transversale vy. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, vy d. h. die Quergeschwindigkeit unbeeinflusst zu lassen, Vx aber so klein als möglich bis zur Erreichung der Linse zu halten, so dass die Elektronen eine lange Zeit brauchen, um von der Blende bis zur Linse zu kommen und dann innerhalb der Linse die Geschwindigkeit ! erheblich zu steigern. Das Ideal, welches durch die nachstehende Ausführungsform nicht ganz erreicht wird, aber anzustreben ist, wäre in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 2 ist eine kurze Linse gezeichnet, welche an sich nur in der y-Richtung, also in transversaler Richtung auf die Elektronen einwirkt und die nötige Brechkraft darstellt. Das Linsensystem, welches bereits in dem britischen Patent Nr. 442511, Fig. 3,4 und 5 in einer konstruktiven Form dargestellt wurde, besteht aus zwei Abschlussscheiben 7 und 8 auf gleichem Potential, zwischen denen sich ein Zylinder 9 befindet, welcher auf einem niedrigen positiven Potential steht. Ein Elektronenstrahl, der in diese Linse ein-
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tritt, wird weder beschleunigt noch verzögert, sondern nur gebrochen.
In Verbindung mit dieser Linse denke man sich zum Verständnis der Anmeldung eine elektrische Doppelschicht 10, 11, welche die Eigenschaft haben soll, ausschliesslich in der x-Richtung, also in der Längsrichtung beschleunigend auf die Elektronen zu wirken, welche aber keine Brechkräfte besitzt. Die Belegung 11 der Doppelsehicht ist daher mit der Platte 7 verbunden, die Belegung 10 hat eine niedrigere Spannung. Das Ganze ist gegenüber den Abmessungen von Metallrohr und Schirmabstand als klein anzusehen.
Kommt ein Elektron am Punkte 12 mit der kleinen Geschwindigkeit vlan und ist es vom Ort der Blende 1 hergekommen, so bewirkt zunächst einmal die Doppelschicht 10, 11 eine Beschleunigung nur der x-Kom- ponente, der Geschwindigkeit auf den Wert V x. Die y-Komponente Vy wird durch diese Doppelschicht nicht beeinflusst. Das Parallelogramm der Geschwindigkeiten 12, 13, 14 wird also mit dem Durchtritt durch die Doppelschicht 10, 11 umgeformt in das Parallelogramm 12, 15, 16. Verlängert man die Diagonale 12/16 nach hinten, so erhält man einen neuen scheinbaren Ursprungsort der Elektronen, welcher um das Verhältnis V x : Vx weiter nach hinten von der Linse entfernt zu liegen scheint als 1.
Das glasoptische Gesetz der Abstände (siehe oben) wird daher um den Geschwindigkeitsfaktor korrigiert und es ist gleichzeitig erklärt, wodurch die elektronenoptische Verkleinerung über das erwähnte glasoptische Abstandsgesetz hinaus zustande kommt.
Nach der gegebenen Erklärung wird folgendes als Erfindungsgegenstand angesehen :
1. elektronenoptische Systeme, bei welchen die Elektronen die Blende 1 mit möglichst niedriger Geschwindigkeit durchlaufen und bis zur Erreichung der Linse eine möglichst lange Zeit brauchen und diese niedrige Geschwindigkeit möglichst bis zur Erreichung der abbildenden Linse (der sogenannten Hauptlinse) beibehalten.
2. System mit der vorgenannten Eigenschaft und mit einer abbildenden Linse (Hauptlinse), welche den Elektronen eine möglichst starke Nachbeschleunigung verleiht, so dass sie den Raum bis zum Schirm 4 mit einer erheblich gesteigerten Geschwindigkeit durchfliegen.
Im folgenden werden einige Methoden zur Durchführung dieser physikalischen Bedingungen beschrieben.
Isolierte Anbringung der Blende 1. In Fig. 3 ist das Rohr von Fig. 1 noch einmal gezeichnet, jedoch mit dem Unterschied, dass die Blende 1 gegen das Metallrohr 2 isoliert ist. Es ist daher möglich, an die Blende 1 eine noch niedrigre Spannung anzulegen als an das Metallrohr 2. Zu diesem Zwecke ist die Anodenbatterie 5 zweifach unterteilt. Der höhere Abgriff des Potentiometers 17 liegt am Metallrohr 2 und an die Blende 1 wird eine noch niedrigere Spannung von 17 angelegt. Um die Elektronen nicht zu früh zu beschleunigen, sondern sie möglichst lange auf der niedrigsten Geschwindigkeit zu erhalten, wird ferner der Abstand 18 zwischen dem Rand des Matellrohres 2 und der Blende 1 möglichst gross gewählt.
Um elektrostatische Störungen zu vermeiden, kann die Glaswand 19 der Röhre, von welcher im übrigen angenommen werden soll, dass sie praktisch unendlich weit von den vom Kathodenstrahl berührten Punkten entfernt ist, an ein definiertes Potential angelegt werden, beispielsweise an das Potential der Blende 1. Wesentlich ist, dass der Durchmesser des Rohres und Rohrenhalses, d. h. alle Querabmessungen, gross sind gegen die Dicke des Strahlbüschels, so dass die Äquipotentialflächen für den Strahl ebene Scheiben sind. Unter diesen Umständen durehfliegen die Elektronen den ersten Teil ihrer Bahn geradlinig mit den Gesehwindigkeitsrichtungen, welche sie in der Blenden-
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Für die Erzielung von Ebenen, also nicht gekrümmten oder gewölbten Potentialflächen im Innern des Beschleunigungsrohres 2 lässt sich noch ein anderes Verfahren anwenden, nämlich unter Verwendung von ähnlichen Mitteln, wie sie zu einem andern Zwecke bereits in der britischen Patentschrift Nr. 421050 beschrieben sind. Das Rohr 2 wird nicht aus Metall gefertigt, sondern aus einer schlecht leitenden Widerstandsschicht. Er wird zwischen die beiden Spannungen 1 und 2 mit seinen beiden abschliessenden Querschnitten eingeschaltet. Die Wandpotentiale bilden dann eine geradlinig ansteigende Funktion. Dasselbe gilt für das Innere des Halbleiterrohres.
Da keinerlei transversale Potentialgradienten vorhanden sind, so werden auch in diesem Falle keine Brechkräfte auf Elektronen ausgeübt, welche mit schiefer Anfangsrichtung in ein solches Halbleiterrohr eintreten. Dies ist gerade der durch den allgemeinen Erfindungsgedanken geforderte Idealzustand. Innerhalb des Rohres durchlaufen daher die Kathodenstrahlen eine gekrümmte Bahn, welche der Fallparabel des schiefen Wurfes genau entspricht. Bei diesem Vorgang wird eine scheinbare Vergrösserung der Gegenstandsweite und damit die erwünschte verkleinerte Wirkung auf dem Bildpunkt erzielt, u. zw. in um so stärkerem Masse, je niedriger das Eintrittspotential bei 1 ist.
Es ist inzwischen festgestellt worden, dass man ein solches, aus homogenem Widerstandsmaterial hergestelltes Rohr praktisch auch ersetzen kann durch eine Widerstandsschraube mit enger Steigung.
Eine Widerstandsschraube ist in ihrer Wirkung mit der in dem britischen Patent Nr. 421050 be- schriebenen zusammenhängenden Widerstandselektrode identisch und soll im Zusammenhang mit der Elektronenoptik ebenfalls unter Schutz gestellt werden.
Für die Durchführbarkeit des Verfahrens der niedrig vorgespannten Blende 1 zeigt sich sehr bald eine praktische Grenze. Man kann zwar eine sehr grosse Blendenöffnung sehr gut verkleinern und daher einen scharfen kleinen Lichtpunkt am Schirm 4 herstellen, wobei in die Abbildungsgleichung eine
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niedrigere Spannung für den Ort des Abbildungsgegenstandes eingesetzt werden kann als bei einer
Röhre nach Fig. 1, aber es bereitet Schwierigkeiten, bei so niedriger Vorspannung der Blende 1 einen genügend starken Elektronenstrom von der Kathode 6 zu erreichen. Um dem abzuhelfen, wird die
Einschaltung eines besonderen Schirmgittersystems zwischen der Kathode 6 und der Blende 1 vorgeschlagen.
Es soll also zwischen der Kathode 6, vor welcher auch ein Steuergitter 20 in Form einer
Lochblende angebracht sein kann und der Blende 1 zunächst einmal ein Schutzgitter 21 angebracht werden. Dieses Schutzgitter 21 kann unbedenklich auf einer höheren Spannung stehen als die Blende 1.
Man kann daher einen sehr starken Elektronenstrom aus der Kathode 6 herausholen. Dieser Elektronen- strom wird durch einen Konzentrationszylinder 2. 2 vorkonzentriert. Zu diesem Zwecke muss 22 an einer niedrigeren Spannung liegen als 21. Diese Spannung kann man entweder an einem Potentiometer- abgriff 33 fein einstellen oder aber man kann einen solchen Abgriff auch entbehrlich machen und kann den Zylinder 22 direkt an die Blende 1 anschliessen, wenn man die Abstimmung der Brennweite durch geometrische Abstimmung der Länge bzw. des Durchmesser-Längenverhältnisses von 22 vornimmt.
Die Anordnung 22 und 1 wirkt dann als Verzögerungslinse, welche also die Elektronen konzentriert und gleichzeitig verlangsamt. Es gelingt auf diese Weise, den Elektronenstrom mit guter Stromausbeute und langsamer Geschwindigkeit durch die Öffnung der Blende 1 hindurchtreten zu lassen und grosse
Strommenge aus der Kathode 6 herauszuholen.
Es wurde mit einer solchen Röhre gerechnet, bei welcher die Spannung der Anode 3 gegenüber der
Kathode = 2000 Volt ; die Spannung des Rohres 2 = 800 Volt, die Spannung der Blende 1 nur 100 Volt betrug ; das Schutzgitter 21 hatte 250 Volt und stand auf nur 2 mm Abstand vor einer Kathode von mm Durchmesser der emittierenden Fläche, welche bei dieser Vorspannung und bei einem an Kathode angeschlossenem Steuergitter 20 einen Strom von etwa Y2 Milliamp. hergeben konnte. Der Konzen- trationszylinder 22 war 3 mm lang und 5 mm im Durchmesser und konnte bei dieser Dimensionierung direkt auf die Blende 1 aufgesetzt werden, um bei den angegebenen Vorspannungen und einem Ab- stand P, 1/1 von zirka 1 cm die 250 Volt-Elektronen fast verlustlos durch die 100 Volt-Blende hindurch- zutreiben.
Die Blende hatte eine quadratische Öffnung von 1 mm Durchmesser, welche in der Grösse von 2 mm Durchmesser, also mit einer Linearvergrösserung im Verhältnis 2 : 1 auf dem Leuchtschirm erschien, bei einem 18 : 1b = 6 : 1. Es ist also möglich geworden, eine durch das Abstandsgesetz der
Glasoptik gegebene sechsfache Vergrösserung in eine zweifache effektive Vergrösserung zu verkleinern, was mit der Annahme übereinstimmt, die Elektronen hätten den Raum zwischen 1 und 3 etwa mit
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zwischen Blende und der Kante des Rohres 2 betrug bei der Versuchsröhre ein Drittel der Länge des Rohres 2 von 60 mm und das Vorsehen dieses Abstandes erwies sich als förderlich.
Es scheinen auch andere Methoden möglich, um den Grundgedanken der Erfindung, der in Fig. 2 erläutert ist, durchzuführen, nämlich, den Elektronenstrahl in der Querrichtung ungestört zu lassen und in der Längsrichtung zu beschleunigen. Die Beschleunigung soll dabei zweckmässig erst kurz vor der Linse erfolgen, damit man an der Linse mit möglichst grosser Achsenentfernung ankommt. Das oben erwähnte, aus Widerstandsmaterial hergestellte Rohr kann selbstverständlich auch mit dem soeben beschriebenen Schirmgittersystem im Blendenvorraum kombiniert werden.
Prinzipiell gleichwertig mit einem solchen Halbleiterrohr ist fernerhin eine Röhre, deren Querschnittsdimensionen gross sind gegen die Strahldimensionierung, so dass man sich um die Potentiale der Wand gar nicht zu kümmern braucht und annehmen kann, dass das Feld, welches die Beschleunigung zwischen Blende und Linse besorgt, keine transversalen Komponenten hat, sondern homogen in Strahlrichtung ist.
Die Anwendung der Loehblende niederer Spannung-der Niederspannungsblende-ist nicht darauf beschränkt, dass eine elektrostatische Linse zur Abbildung benutzt wird. Nach dem in Fig. 2 dargestellten Schema tritt die Verkleinerungswirkung der Niederspannungsblende stets dann ein, wenn eine elektrische Doppelschicht vor Eintritt der Elektronen in das Linsensystem für Nachbeschleunigung sorgt. Es kann also die Brechkraft durch eine Magnetspule hergestellt werden, während die Nachbeschleunigung durch eine elektrische Doppelschicht 10/11 am Ort der Magnetspule vor sich geht. Es ist schwierig, bei zwei eng nebeneinander stehenden grossen Blenden eine rein axiale Beschleunigung zu erzielen, ohne dass gleichzeitig störende transversale Effekte, also Linseneffekte, auftreten.
Zur Durchführung der reinen Longitudinalbeschleunigung wird man gezwungen sein, den Abstand zwischen 10 und 11 gross gegenüber dem Lochdurchmesser dieser Blenden zu halten, d. h. also ein Rohr zweckmässig aus Widerstandsmaterial für die Beschleunigung zu verwenden, dessen Grenzkreise an die Grenzspannungen angeschlossen sind.
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In Fig. 4 ist eine so konstruierte Kathodenstrahlröhre für elektrische Nachbeschleunigung und magnetische Konzentration dargestellt. Die Kathode 6 wird durch ein vorzugsweise loehblendenförmiges Gitter 20 gesteuert. Durch ein ebenfalls vorzugsweise lochblendenförmiges Schirmgitter 21 werden Elektronen konstanter Geschwindigkeit und in möglichst grosser Zahl frei gemacht ; durch einen Zylinder 22, der als Kondensator wirkt, wird dieser Elektronenstrom dank negativer Vorspannung des Zylinders gegen den Strahl auf eine Blende 1 konzentriert. Die Blende 1 steht auf einer sehr niedrigen, in der Nähe des Kathodenpotentials liegenden Spannung, gegen welche die Elektronen des Vorraumes anlaufen müssen.
Mit der Blende ist der Eintrittsrand eines Rohres 2 verbunden, welches selbst aus schlechtleitendem Widerstandsmaterial besteht. Das Ende des Rohres 2 kann in diesem Falle direkt mit der Anode 3 verbunden werden. Die Potentialflächen bilden im gezeichneten Falle ebene planparallele Scheiben. Die Beschleunigung findet ausschliesslich in der z-Richtung statt. Die Bewegungen in der y-Richtung verlaufen ungestört, so dass sich eine schiefe Wurfparabel ergibt. Über den Abschluss 3 des Widerstandsrohres 2 ist eine kurze, eventuell gesc11Îrmte Magnetspule 23 angeordnet, welche für die transversale Brechkraft sorgt, so dass ein Elektronenbild auf dem Schirm 4 zustande kommt.
Die dieses Bild erzeugende Abbildung gehorcht wiederum dem Gesetz :
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(Diese in dieser Formel verwendeten Indizes entsprechen den Bezugszeichen der Fig. 4. ) Die miig- lichen Vorspannungen einer solchen Röhre sind in Fig. 4 an die Elektroden angesehrieben. Kathode Null, Steuergitter : schwach negativ bis Null, Schirmgitter 21 : zirka 300 Volt, Kondensorzylinder 22, schwach positiv, zirka Null bis 100 Volt je nach Länge und Durchmesser, Blende 1 = 100 Volt. Bei noch niedrigeren Blendenspannungen treten mitunter starke Reflektionseffekte auf und verbieten eine zu weit getriebene Verkleinerung mit diesen Systemen. Anode 3 = 2000 bis 5000 Volt und mehr.
Die Leitfähigkeit des Rohres 2 sei so gross, dass der durch das Rohr fliessende Strom den maximalen Strahlstrom um etwa eine Grössenordnung übertrifft. Die Wand des Kolbens kann durch einen mit der Anode verbundenen Belag 24 gleichen Potentials wie die Anode gebildet werden.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Kathodenstrahlröhre mit Bildpunkterzeugung durch Abbildung der Öffnung einer Blende, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (1) mit der elektronenoptisch abzubildenden Öffnung auf einem nur etwa ein Zwanzigstel der Anodenspannung betragenden Potential liegt, dass zwischen der Kathode und der Blende (1) eine auf höherem Potential als die Blende befindliche Elektrode (21) zur Freimachung der erforderlichen Kathodenemission vorgesehen ist, so dass die Elektronen durch die Blende (1) eine starke Bremsung erfahren, und dass eine nachfolgende Beschleunigung der Elektronen vorgesehen ist, welche erst ihren vollen Wert erreicht, nachdem die Elektronen eine grössere Wegstrecke in einem feldfreien Raum, und mit der durch das Potential der Blende (1)
gegebenen niedrigen Geschwindigkeit, durchlaufen haben, indem der Abstand der Beschleunigungsmittel von der Blende gross gegen den maximalen Durchmesser des Elektronenstrahlbiindels gemacht wird, und/oder in dem Be- schleunigungsmittel zur Anwendung kommen, welche ein in axialer Richtung auf den Strahl einwirkendes Beschleunigungsfeld erzeugen, u. zw. derart, dass, während die Querbewegung der Elektronen unbeeinflusst bleibt, die Längsbewegung allmählich und über den ganzen Strahlquerschnitt homogen be- schleunigt wird.