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Mit einem Kathoden- oder Ionenstrahlenbündel arbeitende Entladungsröhre, insbesondere Fernsehbildröhre
Die Erfindung betrifft elektrische Entladungsröhren, insbesondere Fernsehbildröhren, die mit einem in der Röhre erzeugten Kathoden- oder Ionenstrahlenbündel arbeiten. Zweck der Erfindung ist der Schutz der Kathode solcher Röhren.
Bei Kathodenstrahlenröhren, insbesondere bei Fernsehbildröhren, bedarf bekanntlich der Schirm eines Schutzes gegen die negativen Ionen, welche im Falle des Nichtvorhandenseins eines solchen Schutzes den Schirm bald funktionsunfähig machen und hiedurch die Lebensdauer der Röhre stark vermindern würden. Als solcher Schutz wird üblicherweise eine sogenannte Ionenfalle und ein Aluminiumüberzug am Schirm verwendet. Hiedurch wird der Schirm bekanntlich so wirksam geschützt, dass die Lebens- dauer der Röhre vorwiegend nur mehr durch die Lebensdauer ihrer Kathode bedingt ist.
Es ist nun bekannt, dass zur Zerstörung der Kathode grösstenteils die die Kathode bombardierenden positiven Ionen beitragen. Diese positiven Ionen stammen von den im Vakuumraum angeordneten Bestandteilen der Röhre und dem in der Röhre verbleibenden Restgas. Ein Teil der aus diesen Quellen stammenden positiven Ionen wird in dem zur Beschleunigung der Elektronen verwendeten Potentialraum beschleunigt und gelangt zur Kathode.
Erfindungsgemäss wird nun die Kathode gegen diese schädliche Bombardierung der positiven Ionen weitgehend dadurch geschützt, dass man vor der Kathode, möglichst nahe derselben, eine Potentialwand positiven Potentials, nachstehend kurz "Schutzpotentialwand" genannt, vorsieht, wodurch die in der Höhe notwendigerweise entstehenden positiven Ionen grösstenteils daran gehindert werden, die Kathode zu erreichen.
Die Erfindung besteht hiebei im wesentlichen darin, dass die zwischen der Kathode und der letzten Elektrode des Elektrodensystems angeordnete und als Kathodenschutzelektrode ausgeführte, d. h. in das Elektrodensystem der Potentialverteilung entsprechend eingefügte und ausgebildete Elektrode, betriebsmässig eine Gleichspannung erhält, die die höchste derjenigen Spannungen ist, welche den einzelnen Elektroden der Röhre zugeführt werden, und daher auch grösser als die Gleichspannung der nächsten Elektrode des Elektrodensystems ist. Hiebei werden im Sinne der Erfindung die einzelnen Elektroden von der Kathode weg in der Fortbewegungsrichtung des Ladungsträgerbündels gezählt, so dass also die Kathode die niedrigste Ordnungszahl, die von der Kathode am weitesten abliegende Elektrode die grösste Ordnungszahl besitzt. Diese letzte Elektrode kann z.
B. die Aluminiumschicht eines Schirmes sein, oder in einem andern Fall der Aquadagüberzug oder auch die letzte metallische Elektrode.
Durch die erfindungsgemässe Massnahme wird ein sicherer Schutz der Kathode gegen positive Ionen erreicht. Diejenigen positiven Ionen nämlich, die in dem hinter der Schutzpotentialwand liegenden, d. h. in dem von der Kathode abgewandten Raum der Röhre entstehen, werden durch diese Wand daran gehindert, die Kathode zu erreichen. Demzufolge kann die Kathode nur von denjenigen positiven Ionen erreicht werden, die im Raumteil zwischen der Kathode und der Schutzpotentialwand entstehen, und auch nur dann, wenn die Anfangsbedingungen für ihre Bewegungsbahn günstig sind.
Bekanntlich entsteht ein Teil der positiven Ionen entlang der Elektronenbahn durch Stossionisation.
Infolge der Ablenkung durchziehen die Elektronenbahnen den ganzen hinter der Schutzpotentialwand liegenden Raum, so dass praktisch jeder Punkt dieses Raumes von einer Elektronenbahn getroffen wird. Infolge dieser Tatsache, und weil der hinter der Schutzpotentialwand liegende Raum viel grösser ist, als der zwischen der Kathode und der Schutzpotentialwand liegende Raum, ferner infolge der Tatsache, dass die Längen der Elektronenbahnen in diesen beiden Räumen voneinander ebenfalls abweichen, ist die Wahrscheinlichkeit einer Stossionisation im obgenannten zweiten Raumteil um mehrere Grössenordnungen grösser. Demzufolge entstehen die positiven Ionen nahezu ausschliesslich hinter der Potentialwand.
Ein anderer Teil der positiven Ionen wird durch Flächen emittiert, die durch Elektronen und negative Ionen bombardiert werden. Als Beispiele solcher bombardierter Flächen können bei Kathodenstrahlenröhren das Elektrodensystem der Elektrodenkanone, der Schirm und die Leuchtschicht genannt werden. Beim bekannten Aufbau der Kathodenstrahlenröhren befinden sich die derart bombardierten Flächen zum weitaus überwiegenden Teil, von der Kathode aus gesehen, hinter der Potentialwand. Demzufolge entsteht der obengenannte Teil der positiven Ionen nahezu zur Gänze ebenfalls hinter der Potentialwand.
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Die einschlagenden Elektronen und Ionen verursachen auch eine Bremsröntgenstrahlung. Diese den Entladungsraum erregende Röntgenstrahlung erzeugt positive Ionen, aber ebenfalls hinter der Potentialwand.
Positive Ionen werden ferner von den Oberflächen verschiedener Werkstoffe, hauptsächlich infolge der Wirkung der Temperaturbewegung, auch ohne Elektronen- und Ionenbombardierung emittiert, doch entstehen diese positiven Ionen ebenfalls hinter der Potentialwand.
Demzufolge kann die Potentialwand tatsächlich einen sehr weitgehenden und wirksamen Schutz der Kathode gegen die positiven Ionen bieten, insbesondere, wenn sie möglichst nahe der Kathode angeordnet ist. Wie bereits erwähnt, entsteht unter der Voraussetzung eines üblichen Röhrenaufbaues der weitaus überwiegende Teil der positiven Ionen hinter der Potentialwand, weil der überwiegende Teil der Bestandteile und des Entladungsraumes der Röhre sich eben hinter der Potentialwand befindet.
Die erfindungsgemässe Massnahme, eine Elektrode als Kathodenschutzelektrode auszuführen, d. h., sie in das Elektrodensystem der Potentialverteilung entsprechend einzufügen und auszubilden, ist so zu verstehen, dass einerseits durch diese Kathode ein Potentialberg erreicht werden soll, welcher die Kathode vor den positiven Ionen schützt. Anderseits aber soll die normale Funktion der Röhre durch die Ausbildung dieses Potentialberges nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Eine allgemeine Richtlinie für die Ausbildung der Kathodenschutzelektrode lässt sich nicht geben, da die Ausbildung der Kathodenschutzelektrode von der Röhrenart und von der Bauweise der Röhre abhängig ist.
Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Kathodenschutzelektrode die positiven Ionen abfangen kann und dass durch das Aufprallen der positiven Ionen auf die Wände der Kathodenschutzelektrode nicht neue Ladungsträger erzeugt werden, welche durch Aufprallen auf die Kathode oder andere Elektroden die Funktion der Röhre beeinträchtigen.
Wie erwähnt, ist die Erfindung nicht auf Kathodenstrahlröhren beschränkt. Die Erfindung kann nämlich bei sämtlichen Geräten verwendet werden, die mit Elektronenstrahlenbündeln oder Ionenstrahlenbündeln arbeiten, und bei denen die Elektronenquelle (Kathode) der Bombardierung von Teilchen ausgesetzt ist, die eine der Ladung der Teilchen des nützlichen Strahlenbündels entgegengesetzte Ladung besitzen.
Demzufolge kann die Schutzpotentialwand gegebenenfalls auch negatives Potential zum Schutz gegen negative Ladungsträger besitzen, obzwar sie zumeist, wie z. B. bei für Messzwecke bestimmten Kathodenstrahlenröhren, bei sogenannten "Beam-Röhren" und sonstigen Kathodenstrahlenröhren, bei denen die Teilchen des Strahlenbündels negative Ladungen besitzen, ein positives Potential besitzen muss. Als weitere Beispiele obiger Röhren seien die Bildaufnahmeröhren, wie z. B. Orthikon, Emitron, Vidikon genannt.
Die den Potentialberg erzeugende Kathodenschutzelektrode kann gegebenenfalls auch von mehreren Einzelelektroden bzw. einem Elektrodensystem gebildet sein, das die zur Erzeugung des Potentialberges nötige Gleichspannung aufgedrückt erhält. In den meisten Fällen genügt es jedoch, die Kathodenschutzelektrode als eine einzelne Elektrode auszubilden.
Im Rahmen der Erfindung kann die Anordnung so getroffen sein, dass die zweite Anode des Elektrodensystems der Entladungsröhre als Kathodenschutzelektrode ausgebildet ist und daher an die höchste der den Elektroden zugeführten Spannungen gelegt wird. Es ist jedoch gemäss einer andern Ausführungsform der Erfindung auch möglich, die erste Anode des Elektrodensystems der Entladungsröhre als Kathodenschutzelektrode auszubilden, welche an die höchste der den Elektroden zugeführten Spannungen angewendet wird. Falls die zweite Anode des Elektrodensystems als Kathodenschutzelektrode wirken soll, wird dieselbe zweckmässig als eine mit einer zentralen Öffnung (Apertur) versehene Scheibe ausgebildet.
Jedenfalls ist es aber zweckmässig, wenn die Potentialdifferenz zwischen der Kathodenschutzelektrode und der nächstfolgenden Elektrode des Elektrodensystems der Röhre mindestens 200 Volt beträgt.
Die erfindungsgemässen Röhren können mannigfaltig gestaltet sein. Jedenfalls besitzen sie aber eine als Kathodenschutzelektrode wirkende Elektrode, die mit einer Zuführung versehen ist, mittels welcher sie an die entsprechende hohe Spannung, die ja die höchste der den Elektroden der Röhre zugeführten Gleichspannungen ist, gelegt werden kann. Demzufolge besitzt die Kathodenschutzelektrode normalerweise eine eigene gesonderte Zuführung, die seitlich durch die Röhrenwandung geht, also nicht durch den üblichen Quetschfuss der Röhre. Falls man auch eine andere Elektrode der Röhre mittels dieser Zuführung mit Spannung zu versorgen wünscht, ist es von Vorteil, den den erforderlichen Spannungsabfall erzeugenden Widerstand innerhalb der Röhre anzuordnen und die betreffende Elektrode dementsprechend innerhalb der Röhre an diesen Widerstand anzuschliessen.
Die Erfindung wird nachstehend in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in der einige beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Elektrodensystem einer Röhre ; Fig. 2 und Fig. 3 sind Diagramme, die die Potentialverteilung in der Röhre veranschaulichen ; Fig. 4 zeigt ein anderes Elektrodensystem und Fig. 5 die Potentialverteilung bei diesem Elektrodensystem in Diagrammform.
Eine sehr einfache konstruktive Gestaltung der erfindungsgemässen Röhre erhält man, wenn man das üblicherweise als Einzellinse"bezeichnete Elektrodensystem zur Verzögerungslinse gestaltet, wie dies bei der Elektrodenanordnung gemäss Fig. 1 der Fall ist.
Bei der Anordnung gemäss Fig. 1 besitzt die Röhre die übliche Kathode 1, die von der Steuerelektrode 2 umgeben ist. Hienach folgt die erste Anode 3 und die zweite Anode 4. Die Fokussierungselek-
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trode 5 befindet sich im Raum zwischen der zweiten Anode 4 und der letzten Anode 6, welche in der üblichen Weise mit dem leitenden Überzug 7 der nicht dargestellten Röhrenwand verbunden ist, welcher aus einem an der Innenwandfläche des Röhrenkolbens angeordneten Aluminiumüberzug, Graphitüberzug, od. dgl. bestehen kann.
Fig. 2 zeigt, dass das Achsenpotential der Einzellinse"bei den bekannten ähnlichen Anordnungen der Elektroden vor und nach der Linse denselben Wert < 4 = 4)6 besitzt.
Erfindungsgemäss wird hingegen die Elektrode 4 mit einem höheren Potential versehen als die Elektrode 6 und dementsprechend bildet sich bei der Elektrode 4 die Schutzpotentialwand aus. Demzufolge wird bei dieser erfindungsgemässen Anordnung das Achsenpotential (dader durch die Elektroden 4, 5 und 6
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Wenn man nun die bei Bildempfängerröhren im allgemeinen verwendete Anodenspannung von 14 KV betrachtet, die also als das Potential4)4 anzusehen ist, bedeutet dieser Abfall des Endpotentials (D, um 300 Volt prozentuell nur einen Abfall von 2, 14%, was also recht gering ist. Noch günstiger gestaltet sich die Lage, d. h. der prozentuelle Spannungsabfall wird noch geringer, wenn die Anodenspannung der Röhre bei
Röhren mit grösserem Schirmdurchmesser noch höher ist.
Bei der obigen Anordnung bildet demzufolge die bekannte, bereits vorhandene Elektrode 4, die Katho- denschutzelektrode, und die Ebene der Schutzpotentialwand ist die Ebene der Blenda dieser Elektrode 4.
Die relativen Abmessungen der Elektroden sind aber von den bekannten zumeist verschieden, da ja hier die Elektroden nicht die üblichen Potentiale erhalten. Die ganze Anordnung ist daher unter Be- rücksichtigung dieser Tatsache zu bemessen.
Eine andere beispielsweise Ausführungsform des Elektrodensystems der Röhre veranschaulicht Fig. 4, in der die mit denen der Fig. 1 identischen Bezugszeichen identische Bestandteile bezeichnen. Bei dieser
Elektrodenanordnung ist die Kathodenschutzelektrode die mit einer Apertur versehene Scheibe 4.
Bei der Elektrodenanordnung gemäss Fig. 4, ebenso wie bei sämtlichen ähnlichen Anordnungen, muss das positive Potential in einem zwischen der Kathode und der letzten Elektrode des Elektrodensystems liegenden Punkt der Symmetrieachse (Längsachse) der Röhre den grössten Wert des Achspotentials be- sitzen, damit der Schutzpotentialberg tatsächlich vorhanden ist. Demzufolge ist die Potentialverteilung entlang der Längsachse, wie dies aus Fig. 5 ersichtlich ist, so, dass nach diesem Punkt maximalen Po- tentials sich nur Punkte geringeren Potentials befinden, ebenso wie nach der Ebene der Elektrode 4.
Die Wirkung der Anordnung wird, soweit sie den Schutz der Kathode gegen Ionenbombardement betrifft, mit Ausnahme des durch die Elektrode 4 hervorgerufenen grössten Achspotentialwertes, durch die Werte des Achspotentials vor und nach der Elektrode 4, nicht berührt.
Der Schutzpotentialberg kann auch durch die erste Anode, die in den Fig. 1 und 4 mit dem Bezugs- zeichen 3 bezeichnet ist, erzeugt werden. In diesem Fall ergeben sich aber meistens Abweichungen von der üblichen geometrischen Anordnung.
Aus den obigen Beispielen geht der Erfindungsgedanke, bzw. das Prinzip, mittels welchem der ge- wünschte Schutz der Kathode erfindungsgemäss erreicht wird, klar hervor und es ist auch ersichtlich, dass es möglich ist, auf Grund des Erfindungsgedankens die jeweils vorhandene Aufgabe mittels entsprechen- der Röhrenkonstruktion stets zu lösen.
Die Erfindung besitzt daher bezüglich ihres Wesens weniger einen schaltungstechnischen Charakter, sondern ist vorwiegend eine Röhrenkonstruktion, die auf Grund der erfindungsgemässen Erkenntnis den jeweiligen röhrentechnischen Erfordernissen entsprechend gestaltet wird. Die Röhren bekannter Bauart können mit der erfindungsgemässen Potentialverteilung nicht verwendet werden, da sie entweder überhaupt funktionsunfähig sind, oder ihre Wirkungsweise so weitgehend von der erforderlichen abweicht, dass die Röhren praktisch unbrauchbar werden.
Es ist daher klar, dass sich bei der Bemessung des Elektrodensystems der erfindungsgemässen Kathodenstrahlröhre Unterschiede gegenüber der Bemessung der Elektrodensysteme bekannter Röhren ergeben. Nachstehend werden beispielsweise einige bei der Bemessung des Elektrodensystems der erfindungsgemässen Röhre zu befolgende Regeln angegeben.
Bei der Röhrenkonstruktion gemäss Fig. I ist es erforderlich, dass die Verzögerung des Elektronenstrahles nicht bedeutend ist, aber die Schutzpotentialwand sich doch entsprechend ausbildet. Zu diesem Zwecke kann das Elektrodensystem, wie nachstehend erwähnt, auf mehrere voneinander verschiedene Arten ausgebildet bzw. bemessen werden.
Eine dieser Möglichkeiten besteht darin, den entlang der Symmetrieachse des Elektrodensystems gemessenen Abstand zwischen den Elektroden 4 und 5 zu erhöhen, da ja in diesem Falle die Wirkung der Elektrode 5 im Feld der Elektrode 4 verringert wird.
Eine andere Möglichkeit ist, die Länge der Elektrode 4 zu erhöhen, oder aber ihren Durchmesser zu verringern. All dies verfolgt den Zweck, die Potentialwerte im Feld der Elektrode 4 überwiegend durch das Potential der Elektrode 4 zu bestimmen.
Selbstredend bedingt jede Konstruktion gemäss den oben angegebenen Möglichkeiten auch eine Änderung der Eigenschaften des aus den Elektroden 4, 5 und 6 bestehenden Fokussierungssystems. So wird z. B. die Brennweite, die sphärische Aberration usw. hiedurch verändert. Demzufolge muss ausser
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der Geometrie der Elektrode 4 auch die Geometrie der Elektroden 5 und 6 verändert werden, damit die
Röhre richtig arbeiten kann. Die Art dieser Änderungen folgt aber aus dem Zweck des Elektrodensystems, und bedarf daher keiner ausführlichen Erläuterung. Dennoch sei erwähnt, dass z.
B. bei der Konstruktion gemäss Fig. 4, bei welcher sich nach der Elektrode 4 mindestens noch eine Elektrode befinden muss, die ein geringeres Potential als die Elektrode 4 besitzt und gegebenenfalls auch durch den leitenden Überzug der Innenwand des Kolbens gebildet werden kann, die Bohrung der Elektrode 4 derart bemessen werden muss, dass zwar das Elektronenstrahlbündel unbehindert durch diese Bohrung durchtreten kann, aber trotzdem das Achspotential genügend gross ist. Da aber das Feld der Elektroden 3 und 4 ja auch eine elek- trische Linse bildet, muss selbstverständlich auch das Emissionssystem verändert werden.
Wenn aber die Röhre derart gestaltet ist, dass die erste Anode (also in den Fig. 1 und 4 die Elektrode 3) als Kathodenschutzelektrode dient, muss selbstverständlich das Emissionssystem der Elektronenquelle vom Triodentyp sein. Der übrige Teil der Elektronenkanone muss dementsprechend derart konstruiert werden, dass er sich dem Emissionssystem des Triodentyps anpasst.
Durch obige Beispiele ist es klar, auf Grund welcher Grundsätze das Elektrodensystem der erfin- dungsgemässen Röhre konstruiert und bemessen werden muss, um entsprechend arbeitende Röhren zu erhalten. Erwähnt sei noch, dass die tatsächliche Bemessung ausser auf Grund der dem Fachmann bekann- ten Berechnungen notgedrungen auch unter Berücksichtigung von Versuchsergebnissen zu erfolgen hat, da ja bekanntlich der Einfluss einiger Faktoren bei den Berechnungen mit hinreichender Sicherheit und
Genauigkeit beim heutigen Stand der Wissenschaft noch nicht berücksichtigt werden kann.
Die erfindungsgemässe Röhre weist noch den Vorteil auf, dass, da der Kathodenschutz mittels einer
Schutzpotentialwand erzielt wird, diese Schutzpotentialwand mit sehr verschiedenen geometrischen
Anordnungen der Elektroden erreicht werden kann. Falls das Elektrodensystem irgendeine Symmetrie aufweist, muss diese Symmetrie nicht gestört werden. Ferner ist als Ionenschutz die Verwendung eines Magnetfeldes, zur Aufrechterhaltung dessen ein ziemlich beträchtlicher Materialaufwand und ein oft auch nicht unbeträchtlicher Energieverbrauch erforderlich ist, nicht notwendig. Die erfindungsgemässe Anordnung verursacht keine Schwierigkeiten in der Behandlung der Röhre und ist mit keiner Gewichts- erhöhung und mit keinem zusätzlichen Materialaufwand und Energieverbrauch verbunden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass von etwaigen Montagefehlern oder Abweichungen von den vorgeschriebenen Abmessungen stammende Fehler durch Veränderung der Spannung der Elektroden stets beseitigt werden können.
Die Zuführung der zur Schaffung der Schutzpotentialwand erforderlichen Hochspannung erfolgt in der üblichen Weise, d. h. durch eine in der Nähe des Schirmes durch die Röhrenwand gehende, in das Glas eingeschmolzene Zuführung. Im allgemeinen erfordert die erfindungsgemässe Kathodenschutzionenfalle, wie oben bereits erwähnt, zwei Hochspannungen, die voneinander um einige hundert Volt abweichen. Obzwar es möglich ist, mehrere Zuleitungen für die Hochspannungen in der Röhre anzuordnen, ist es im allgemeinen zweckmässiger, nur eine solche Zuleitung anzuordnen und die erforderliche etwas geringere zweite Hochspannung in der Röhre selbst, d. h. mit einem innerhalb des Röhrenkolbens angeordneten Widerstand zu erzeugen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mit einem Kathoden- oder Ionenstrahlenbündel arbeitende Entladungsröhre, insbesondere Fernsehbildröhre, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der Kathode und der letzten Elektrode des Elektrodensystems angeordnete und als Kathodenschutzelektrode ausgeführte, d. h. in das Elektrodensystem der Potentialverteilung entsprechend eingefügte und ausgebildete Elektrode, betriebsmässig eine Gleichspannung erhält, die die höchste derjenigen Spannungen ist, welche den einzelnen Elektroden der Röhre zugeführt werden, und daher auch grösser als die Gleichspannung der nächsten Elektrode des Elektrodensystems ist.