Elektronenlinsenanordnung in einem Elektronenstrahlgerät Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenlinsenanordnung in einem Elektronen- strahlgerät, mit Korrekturmitteln, welche einer De- fokussierung des Strahls bei verschiedenen Ablenk- winkeln entgegenwirken,
wobei die Elektronenlinsen- anordnung zwischen der Elektronenquelle und der Ablenkvorrichtung angebracht ist und ein gleich mässig kleiner Kathodenstrahlfleck auf dem Auf fangschirm bei beliebiger Strahlablenkung erzeugt wird und wobei die Elektronenlinsenanordnung ein Paar Elektroden für die Erzeugung einer sphärischen Linse enthält.
Beim Betrieb von Kathodenstrahlröhren wird ein Elektronenstrahl von gewünschtem Querschnitt auf einen Auffangschirm gerichtet, auf welchem die auf treffenden Elektronen,<B>je</B> nach der gewünschten Ver wendungsart, einen visuellen oder elektrischen Ein druck hinterlassen. Hierbei wird der Elektronenstrahl meistens durch geeignete elektrostatische oder elek tromagnetische Mittel abgelenkt, und trifft auf dem Auffangsschirm ein bestimmtes aus einer Vielzahl möglicher Flächenelemente, deren jedes ein be stimmtes Ausgangssignal liefert. Bei einer derartigen Ablenkung treten schwierige Probleme auf, wenn der kleinstmögliche Querschnitt und genau gleiche Ge stalt des Querschnitts des Elektronenstrahls an jedem einzelnen Auftreffpunkt verlangt wird.
gehende Auch Elektronenstrahl wenn der von der richtig Elektronenkanone auf den Mittelpunkt aus- messers des Auffangschirmes fokussiert ist,
als tritt Kreisscheibe bei der Ablenkung kleinen Durch- des Strahls aus dem Mittelpunkt des Schirmes eine un- runde Vergrösserung infolge Defokussierung des Strahls auf. Dieser Effekt zeigt sich bei elektro statischer Ablenkung stärker als bei magnetischer Ablenkung.
Ein gewisses Ausmass solcher Ablenk- fehler ist in vielen Anwendungen zulässig und kann hierfür mittels bekannter Korrekturverfahren auf den höchstzulässigen Betrag beschränkt werden. Diese Korrekturverfahren verwenden meist verschieden artige ElektronenÜnsen und Kombinationen von solchen Elektronenlinsen mit einer dynamischen Korrektur, bei welchen das mittlere Potential eines Ablenkplattenpaares in Abhängigkeit von einer nicht linearen Funktion der Ablenkspannung relativ zu den Elektronenlinsen verändert werden kann.
Durch derartige Korrektionsverfahren wird meist die. Ver zerrung in der einen Richtung vermindert, jedoch ergibt sich gewöhnlich eine Verzerrung in einer anderen Richtung, welche einen Teil der Gesamt- korrektion wieder aufhebt. Bei Geräten, welche eine ganz gleiche Steuerung eines Elektronenstrahls von extrem kleinem Querschnitt verlangen, wie dies bei spielsweise bei Speicherröhren mit elektrostatischer Ablenkung der Fall ist, reicht die mögliche Korrek- tion der Ablenkfehler durch die bekannten Mittel jedoch nicht aus.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer verbesserten Elektronenlinsenanordnung in einem Elektronenstrahlgerät. Insbesondere soll hier bei der Elektronenstrahl denselben kleinen Quer schnitt an jeder Stelle des Auffangschirmes bei jeder gewünschten Ablenklage ergeben. Ferner soll, trotz Gewährleistung ganz gleichen Strahlquerschnitts, eine besonders gedrängte Speichereinrichtung ermöglicht werden, die mit einem einfachen, aber wirksamen elektronenoptischen System ausgerüstet ist. In die sem Elektronenstrahlgerät wird vorzugsweise eine dynamisch regelbare Elektronenlinse verwendet, die mit der Steuerung des Ablenksystems gekoppelt ist.
Ein Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenstrahl-Speicherröhre derSperrgitterbauart,die mit einerzwischenderElek- tronenkanone, und- dem elektrostatischen Ablenk- systein längs desStrahls angeordnetenElektronenlinse versehen ist.
Das Elektronenlinsensystem umfasst eine Anzahl von Elektroden, die mit aufeinander aus gerichteten öffnungen längs des Strahlwegs an geordnet sind und derart gespeist werden, dass in den öffnungen elektrische Felder entstehen, die bestrebt sind, den passierenden Elektronenstrahl konverg gieren zu lassen.
Es ist bei der Verwendung derartiger Röhren zu Speicherungs- und ähnlichen Zwecken notwendig, dass die Gesamtabinessungen solcher Röhren mög lichst klein gehalten werden. Zur Erzielung solcher kleiner Abmessungen unter gleichzeitiger Gewähr leistung einer einheitlichen Strahlfokussierung in allen Ablenkpositionen, müssen verschiedene Ein- flussgrössen beachtet werden:, von denen die wich tigsten nachstehend kurz beschrieben sind.
Die Ablenkfehler sind umgekehrt proportional zur Länge des Ablenkfeldes, das der Elektronenstrahl passieren muss. Dementsprechend ist es vorteilhaft, das Ablenksystem so lang als möglich zu machen, so weit dies die Gesamtlänge der Röhre zulässt. Die Ablenk- fehler steigern sich mit grösser werdenden Strahl- ablenkwinkeln, so dass der grösste erforderliche Ab- lenkwinkel möglichst klein bleiben sollte.
Unter Berücksichtigung der Gesamtlänge der Röhre ist es also zweckmässig, den Abstand zwischen dem Ab- lenksystem und dem Auffangschirm möglichst gross zu machen, um einen möglichst kleinen maximalen Ablenkwinkel zu erhalten.
Also vereinfacht sich das Problem der Verkleinerung von Ablenkfehlern durch Vergrösserung der Länge des Ablenksystems und des Strahlweges vom Ablenksystein zum Auffangschirm. Sollen dieseGesichtspunkteberücksichtigtwerdenund trotzdem die Gesamtlänge der Röhre möglichst ver ringert werden, dann muss jener Teil der Röhre, wel cher die Elektronenkanone, die Linsen und das Ab- lenksystem -enthält, möglichst kurz gehalten werden.
Anderseits bewirkt aber die Verkürzung der Röhre zwischen der Kathode und der Linse eine Erhöhung des Vergrösserungsgrades , was zu einer Vergrösse rung des Auftrefffleckes auf dem Auffangschirm führt. ZurErzielung einer befriedigendenWirkung derLinse muss der Abstand zwischen der Kathode und der Linse grösser sein als die halbe Gesamtlänge der Linse. Dies zeig ,t,
dass die besten Verhältnisse ge- schaffen werden, wenn eine Linse mit geringst- möglicher Länge verwendet wird.
Eine wirksame Elektronenlinse ist z. B. eine sogenannte Einzelinse, die zur Bündelung eines Elek tronenstrahls bis auf einen kreisförmigen Punkt im Zentrum des Auffangschirmes einer Kathodenstrahl röhre geeignet ist. Eine solche Linse besteht nor malerweise aus zwei Elektroden mit kreisförmigen Löchern, die ein hohes positives Potential gegen über der Kathode besitzen, sowie aus einer da- zwischen angeordneten Elektrode mit kreisförmiger Öffnung, deren Potential zwischen dem der Kathode und jenem der beiden äusseren Elektroden gelegen ist.
Diese Anordnung entspricht einer sphärischen Linse der Lichtoptik und liefert einen fadenförmigen Strahl, dessen Querschnitt durch die äusseren Elek troden bestimmt ist, und der unter der Wirkung des niedrigen Potentials der inneren Elektrode in Ver bindung mit dem hohen Potential der beiden äusseren Elektroden konvergiert. Eine derartige Einzellinse aus drei Elektroden kann aber die Ablenkfehler eines in einer einzigen Koordinate abgelenkten Strahls nicht vollständig kompensieren.
Die Korrektur längs einer einzelnen Koordinate ist besser möglich durch eine Linse, welche schlitzförmige öffnungen an Stelle der runden öffnungen besitzt, und die Verwendung zweier solcher Linsen ermöglicht die Gewähr leistung gleicher Dimensionen eines in zwei Koordina- tenrichtungen abgelenkten Strahls. Jedoch ist bei solchen Schlitzöffnungen, entsprechend einer Zylin derlinse, die Aberration grösser als bei einer sphä rischen Linse der gleichen Brennweite, und eine für zwei Koordinaten eingerichtete Linse mit sechs Elektroden würde, um diese Linse richtig anpassen zu können, eine wesentlich grössere Gesamtlänge der Röhre erfordern.
In dem weiter unten beschriebenen Ausführungs beispiel des erfindung emässen Elektronenstrahl- gerätes wird diese Schwierigkeit überwunden und einerseits die Länge der Linse so weit vermindert, dass eine kleinere Gesamtlänge der Röhre möglich ist, während anderseits an allen Punkten des Auftreff- körpers der gleiche kleine Durchmesser des Strahls gewährleistet ist.
Die Erfindung besteht darin, dass bei einer Elek- tronenlinsenanordnung der eingangs genannten Art zwischen den Elektroden für die Erzeugung einer sphärischen Linse ein Paar Fokussierungselektroden mit quer zueinander verlaufenden Langlöchern mit längs ihrer Achse kontinuierlich sich ändernder Breite vorgesehen ist, die auf die Öffnungen der Steuer elektroden ausgrichtet sind.
Die Elektronenlinsen- anordnung kann dabei so ausgebildet werden, dass sich ein Linsensystem kurzer Länge bei Aufrecht erhaltung eines gleichmässig kleinen Kathodenstrahl- flecks auf dem Auffangschirin ergibt.
Die Erfindung ist nachstehend in einigen Aus führungsbeispielen anhand der Fig. <B>1</B> bis<B>7</B> näher erläutert. Hiervon zeigt: Fig. <B>1</B> einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Sperrgitter-Speicherröhre, Fig. 2 eine perspektivische, vergrösserte Wieder gabe des Ablenksystems und des Linsensystems für ein Ausführungsbeispiel nach Fig. <B>1,</B> Fig. <B>3</B> und 4<B>je</B> eine perspektivische Darstellung eines unabgelenkten bzw. eines abgelenkten Elek tronenstrahls,
Fle-. <B>5</B> bis<B>7</B> je eine schematische Wiedergabe eines Quadranten des Auftreffkörpers mit Darstellungen der Auftrefffläche eines Elektronenstrahls ohne Korrekturmittel für die Ablenkfehler bzw. mit einer Einzellinse und einem Linsensystem nach Fig. <B>1</B> und 2 für die Korrektur der Ablenkfehler.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. <B>1</B> zeigt eine Sperrgitter-Speicherröhre <B>10.</B> Wie bekannt, enthält eine solche Röhre<B>10</B> innerhalb eines evakuierten Kolbens, etwa aus Glas, eine Elektronenkanone, be stehend aus der Kathode<B>11</B> und dem Heizfaden 12, ein Steuergitter<B>13,</B> die Beschleunigungsanode 14, die als Elektronenlinse ausgebildeten Fokussierungselek- troden <B>15,</B> die Ablenkplatten <B>16</B> und<B>17,</B> eine Blende <B>18,</B> eine Abschirmung<B>19</B> und einen Auffangschirm 20.
Der dreiteilige, scheibenförmige Auffangschinn 20 besteht hier aus einer Grundplatte 22, einem dielektrischen Film<B>23</B> und einem unmittelbar vor dem dielektrischen Film<B>23</B> angeordneten Sperr gitter 24.
Der dielektrische Film<B>23</B> speichert eine auf seiner Oberfläche durch den Elektronenstrahl er zeugte elektrostatische Ladung während längerer Zeit, welcher Effekt für die Speicherfunktion der Röhre ausgewertet wird. Die vom Sperrgitter 24 isolierte Rückplatte 22 kann in ihrem Potential variiert werden und steuert das Ladungsmuster, wel ches seitens des Elektronenstrahls auf dem Film erzeugt wurde. Die auf einer bestimmten Stelle des dielektrischen Films<B>23</B> aufgebrachte Ladung wird anschliessend durch einen über diese Stelle ge führten Elektronenstrahl abgetastet.
Grösse und Dichte der einzelnen Speicherelemente auf einer gegebenen Speicheroberfläche sind zum Teil abhängig von der Grösse, der Intensität und der Gleichmässigkeit des auftreffenden ElektronenstraWs. Notwendigerweise wird der Strahl zur Erreichung jedes einzelnen der Speicherelemente abgelenkt, wo bei aber mit der elektrostatischen Ablenkung ein gewisses Ausmass an Strahl defokussierung auftritt, wodurch die AnzahYder möglichen einzelnen Spei cherelemente beschränkt ist.
Wie aus Fig. <B>3</B> ersichtlich ist, konvergiert ein Elektronenstrahl auf einem Punkt<B>37</B> auf dem Auf fangschirm<B>36.</B> Vor dem Durchlaufen der Ablenk- platten <B>35</B> ist der Querschnitt des Strahls praktisch kreisförmig, wie durch die schraffierte Fläche an gedeutet ist. Besitzen die beiden vertikalen Ablenk- platten <B>35</B> das gleiche Potential, dann wird der Strahl durch dieselben nicht beeinflusst und alle Elektronen treffen im Brennpunkt<B>37</B> auf den Schirm.
Besteht zwischen den Ablenkplatten <B>35</B> eine Potentialdiffe renz, so erfährt, wie in Fig. 4 angedeutet, der gleiche Elektronenstrahl eine vertikale Ablenkung. Nunmehr konvergiert der Strahl nicht mehr in -einem Punkt der Auftreffebene <B>36,</B> sondern zeigt infolge des Ablenkfeldes einen Schnittpunkt der einzelnen Elek tronenbahnen in einer vor der Zielebene<B>36</B> gelegenen senkrechten Ebene, so dass sich keine kreisförmige, sondern eine längliche Auftrefffläche <B>38</B> ergibt, die gegenüber der Auftrefffläche der Fig. <B>3</B> wesentlich vergrössert ist.
Somit wirken die Ablenkplatten wie eine zylindrische<B>-</B> Sammellinse, so dass die ein zelnen Speicherelemente, gegen den Rand des Auf- fangschirines zu, einen genügend grossen gegen seitigen Abstand aufweisen müssen, um trotz des vergrösserten Strahlquerschnitts eine überlappung zu vermeiden, was zu einer Verringerung der in einer solchen Speicheröhre zu verarbeitenden, Speicher menge führt. Beim Auftreten -einer überlappung werden die Informationen in einander benachbarten Speicherelementzn der dielektrischen Oberfläche ge stört.
Ein Weg zur Umgehung dieser Schwierigkeit besteht darin, dass der Auffangschirm. genügend weit von den Ablenkplatten entfernt angeordnet wird, so dass der Ablenkwinkel der zur Erreichung des Randes des Auffangschirmes erforderlich ist, verringert wird. Zur Verringerung der Ablenkfehler ist es ferner möglich, die Ablenkplatten in Richtung der Strahl- achse zu verlängern. Jedoch führen die beiden ge nannten Massnahmen zu einer merklichen Verlänge rung der Röhre, was für manche Anwendungen un erwünscht ist.
Durch die nachstehend beschriebene Elektronen- linsenanordnung werden sowohl die Erfordernisse einer sehr klein-en Auftrefffläche bei allen notwen digen Ablenkwinkeln als auch, einer Verringerung der Gesamtlänge der Röhre erfüllt, ohne dass der Ablenkwinkel im Vergleich mit anderen Röhren dieser Art zu stark vergrössert wird.
Die Fig. 2 zeigt in vergrössertem Massstab die wesentlichen Teile des Ausführungsbeispiels nach Fig. <B>1,</B> die zur Erzielung der gewünschten Korrektur der Ablenkfehler in einem Zweikoordinaten-Ablenk- systern erforderlich sind. Die wiedergegebene Elek tronenlinse besteht aus einer ersten Aussenelektrode <B>25</B> mit kreisföriniger,öffnung, die ein hohes positives Potential gegenüber der Kathode führt.
Die<B>Elek-</B> troden<B>26</B> und<B>27</B> besitzen elliptischeÖffnungen und erhalten<B>je</B> eine variable Spannung von<B>je</B> einer Ablenkspannungsquelle für die betreffende Koordi nate über eine nichtlineare Schaltung, welche Span- nun-gen vorzugsweise zwischen jener der Kathode und jener der Elektrode<B>25</B> gelegen sind. Die Elektrode <B>26,</B> die mit der kleinen Achse ihrer elleptischen Öffnung senkrecht angeordnet ist, weist eine Ver bindung über die nichtlineare Schaltung<B>31</B> mit dem Eingangsstromkreis<B>32</B> für das vertikale Ablenk- system auf.
In gleicher Weise ist die Elektrode<B>27,</B> bei der die kleine<B>Achse</B> der elliptischen Öffnung horizontal verläuft, über die nichtlineare Schaltung <B>33</B> mit dem Eingangsstromkreis 34 für das horizon tale Ablenksystern verbunden. Die letzte Elektrode<B>28</B> entspricht der ersten Elektrode<B>25,</B> schliesst die Elek tronenlinse ab und weist das. gleiche Potential wie die Elektrode<B>25</B> auf.
Bei Abwesenheit eines Ablenkfeldes bewirken die Elektroden<B>25, 26, 27</B> und<B>28</B> die Fokussierung des Elektronenstrahls aus den seitens der Glühkathode der Röhre ausgesendeten Elektronen, in einem Punkt <B>g</B> geringster Ausdehnung im Zentrum des Auffang schirmes. In diesem Falle ist die Fokussierungswir- kung dieser Elektroden vergleichbar mit jener einer oder mehrerer sphärisch geformter optischer Linsen bzw. mit der bekannten elektrostatischen Einzellinse. Zur Erzielung dieser Fokussierungswirkung wird eine Potentialdifferenz zwischen benachbarten Elektroden aufrechterhalten.
Ferner ist in gewissem Ausmasse der gegenseitige Abstand der Elektroden voneinander von Einfluss. Die Elektronenlinse ist aber ohne Än derung ihres körperlichen Aufbaus, durch Verände- rungr der absoluten und relativen Spannungswerte beeinflussbar.
Die beiden mit elliptischen Öffnungen versehenen Elektroden<B>26</B> und<B>27</B> zeigen eine ähnliche Wirkungs weise wie optische Zylinderlinsen, und weisen wie diese parallele Konvergenzebenen auf, wobei die Hauptachse der Ellipsen jeweils senkrecht zu diesen parallelen Ebenen gerichtet ist. Eine idealssierte elektronische Zylinderlinse bündelt nur in einer Rich tung und besteht aus zwei in der gleichen Ebene gelegenen unendlich ausgedehnten PTatten, deren Kanten mmmmen einen unendlich ausgedehnten Schlitz bilden, in welchem das fokussierende elektro statische Feld herrscht.
In Wirklichkeit ist natürlich die grösstmögliche Länge des Schlitzes durch die grösstmöglichen Abmessungen der vorgesehenen Röhre begrenzt, und an Stelle des unendlich aus gedehnten Schlitzes wird eine rechteckige Öffnung verwendet. Durch einen solchen Kompromiss ergibt sich jedoch eine Sumination zweier fokussierender Wirkungen, nämlich einerseits in der gewünschten und anderseits in der hierzu senkrechten Ebene. Dieses unerwünschte Zusammenwirken zweier fokus sierender Richtungen kann dadurch vermieden wer den-, dass die Öffnung an Stelle eines Rechtecks die Gestalt einer Ellipse erhält, also sämtliche scharfen Ecken vermieden. werden, welche für das Entstehen der unerwünschten Fokussierung verantwortlich sind.
Auch eine unerwünschte Rückwirkung der beiden zylindrisch fokussierenden Elektroden<B>26</B> und<B>27</B> in folge ihres relativ geringen Abstandes kann vermieden werden, indem das Verhältnis von Hauptachse zu kleiner Achse der elliptischen Öffnungen sowie die Ellipsenfläche und der Elektrodenabstand geeignet gewählt werden.
Wird den Ablenkplattenpaaren <B>16</B> bzw. <B>17</B> ein Signal zugeleitet, so wird der Elektronenstrahl ab gelenkt und trifft auf die dielektrische Schicht des Auffangschirmes an eineni anderen Punkt als dem Zen trum auf.
Wie in den- Fig. 4 und<B>5</B> dargestent, bewirkt der zylindnsche Fokussierungseffekt der Ablenk- platten <B>16</B> bzw. <B>17,</B> dass eine Verzerrung des Strahls insofern erfolgt, als an Stelle eines kreisförmigen Flecks auf dem Auftreffkörper im Zentrum desselben, eine um so grössere elliptische Auftrefffläche entsteht, <B>je</B> weiter der Strahl aus dem Zentrum abgelenkt wird.
Die vom Ablenksystein allein herrührende Strahl- verzerrung nimmt, wie in Fig. <B>5</B> angedeutet ist, mit wachsendem Ablenkwinkel zu, und zwar propor- tional mit dem Quadrat des mittleren Ablenkwin- kels.
Wird eine Einzellinse aus Elektroden mit kreis förmigen Öffnungen vor den Ablenkplatten der Röhre angeordnet, so ergeben sich die Ablenkfehler gemäss Fig. <B>6.</B> Das in einer solchen Linsenanordnung herr schende elektrostatische Feld wirkt wie eine sphä rische Sammellinse und ergibt eine Vorfokussierung des Strahls, wodurch der zylindrische Effekt der Ab- lenkplatten teilweise kompensiert wird.
Dementspre chend kann bei richtiorer Einstellung der Feldstärke der Linse der nachteilige Einfluss des Ablenkfeldes auf die Grösse der Auftrefffläche in ggewissem Aus masse korrigiert werden.
Das System der Einzellinse weist jedoch zwei Hauptnachteile auf. Durch eine solche sphärische Sammellinse wird ein fadenförmiger Strahl zum Ab- lenksystem geleitet, wodurch aber die Ablenkfehler eines solchen nur in einer Koordinatenrichtung ab lenkenden Feldes nicht an allen Punkten des Auf fangschirmes korrigiert werden können.
Die Korrek tur ist an jenen Stellen am schlechtesten, die eine maximale Ablenkung des Strahls in der einen Koordi- natenrichtuna und aar keine Ablenkuna desselben in der anderen Koordinatenrichtunor bedingen, also an den Stellen<B>60</B> und<B>61</B> in Fig. <B>6.</B>
Durch Verwendung einer Einzellinse, bestehend aus drei mit Rechtecköffnungen versehenen Elektro den für jede Ablenkrichtung, die mit einer geeigneten dynamischen Korrekturschaltung verbunden sind, kann die erstgenannte Schwierigkeit beseitigt werden, jedoch bedingt die Unterbrin gung der sechs einzelnen Elektroden im erforderlichen gegenseitigen Abstand eine solche Länge der Röhre, dass dieselbe für eine grosse Zahl von Anwendungen solcher Speicherröhren ungeeignet ist.
Ein Ausgleich des grösseren Platz bedarfes für diese Linse durch Verkürzung der Ab- lenkplatten und ihres Abstandes vom Auffang schirm würde, wie oben bereits erläutert, eine wei tere Steigerung der Schwierigkeiten bezüglich der Ab- lenkfehler mit sich bringen. Ausserdem ist die Aberration in solchen Elektroden mit Rechteck- öffnungen für Zylinderlinsen grösser als bei Ver wendung von Elektroden mit kreisföriniger Öffnung für sphärische Linsen.
Die mit einer Anordnung gemäss dem Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 2 erzielbaren Resultate zeigt die Fig. <B>7.</B> Im Zentrum des Auffangschirmes wird hierbei ein Fokussierunasfleck für den Strahl von solch geringen Abmessungen erreicht, dass die stren gen, Anforderungen an Sperrgitterspeicherröhren für die Speicherung grosser Zahlen durchaus erfüllt wer den, ausserdem werden an allen Stellen des Auffang- schirines und in jeder Lage des abgelenkten Strahls die gleichen kleinen Auftreffflächen, erzielt.
Die ge zeigte Anordnung mit gekreuzten elliptischen Linsen verwendet<B>je</B> eine einzige elliptische Linsenelektrode für jede Koordinatenrichtung, die eine Bündelung des Strahls nur in dieser Richtung bewirkt und beim nicht- abgelenkten Strahl dessen Bündelung auf das Zen trum des Auffangschirmes begünstigt.
Die zwischen dem Linsensystem und dem Ab- lenksystem, vorgesehene elektrische Schaltung be wirkt eine Schwächung des elektrostatischen Feldes jeder einzelnen der elliptischen Elektroden, wenn das jeweils zugeordnete Ablenkplattenpaar beaufschlagt wird. In erster Annäherung ist die dynamische Span nung, welche den einzelnen Linsen zugeführt wird, proportional dem Quadrat der Spannungsdifferenz zwischen den in der gleichen Ebene wirksamen Ab- lenkplatten. Ein Beispiel zur Durchführung dieser dynamischen Feldveränderung zeigt die Fig. 2 im Falle einer symmetrischen Gegentaktablenkung.
Ein Bruchteil der vertikalen Ablenkspannung aus der Spannungsquelle,<B>32</B> wird den Gittern der beiden Verstärkerröhren 40 und 41 der nichtlinearen Schal tung<B>31</B> zugeführt. Da die Gitter symmetrisch be- dufschlagt werden, ändert sich die Summe ihrer Anodenströme in erster Annäherung mit dem Qua drat der Ablenkspannung. Die addierten Anoden ströme der Röhren 40 und 41 erzeugen an dem geeignet bemessenen Spannungsteilerwiderstand 42 einen Spannungsabfall, der in der erwünschten Weise variiert und auf die Elektrode<B>26</B> wirkt.
Eine entspre chende Schaltung ist für die Beeinflussung der Elek trode<B>27</B> in Abhängigkeit von der horizontalen Ab- lenkspannung vorgesehen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weisen die Fokussierungselektroden <B>26</B> und<B>27</B> eine positive Spannung auf, zwecks Erzielung der Grundfokussierung.
Werden hierfür keine positiv-en sondern negative Spannungen verwendet, so muss eine Phasenumkehrstufe vorgesehen werden, um die elek trostatischen Felder an den Elektroden<B>26</B> und<B>27</B> in Abhängigkeit von den zugeführten Ablenkspannun- gen zu schwächen.
Die gekreuzten elliptischen Linsen mit in der beschriebenen Weise dynamisch kompensierten elek trostatischen Feldern ermöglichen die Bündelung des Strahls auf eine für sämtliche Ablenkstell-ungen gleich grosse Auftrefffläche. Da nur vier Elektroden hierfür erforderlich sind, ermöglicht dieses Linsen system einen geringen Röhrendurchmesser und eine geringe Gesamtlänge der Röhre.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Linsensystems nach Fig. 2 hatten die einzelnen Bauteile die nach stehenden Abmessungen und gegenseitigen Abstände.
EMI0005.0026
öffnungsdurchinesser <SEP> Elektrode <SEP> <B>25</B> <SEP> 1,22 <SEP> mm
<tb> <B> <SEP> <SEP> 28 <SEP> 1,91mm</B>
<tb> Hauptachse <SEP> Elektrode <SEP> <B>26, <SEP> 27 <SEP> 7,29</B> <SEP> mm
<tb> Nebenachse <SEP> Elektrode <SEP> <B>26, <SEP> 27 <SEP> <I>5,51mm</I></B>
<tb> Dicke <SEP> der <SEP> Elektroden <SEP> <B>0,30</B> <SEP> mm
<tb> Abstand <SEP> zwischen <SEP> benachbarten
<tb> Elektroden <SEP> <B>5,33</B> <SEP> <U>mm</U> An den Elektroden<B>25</B> und<B>28</B> lag eine positive Spannung von<B>1000</B> Volt gegenüber der Kathode.
Die Elektroden<B>26</B> und<B>27</B> führten eine positive Span nung von 420 bzw. 470 Volt gegenüber der Kathode, geeignet zur Fokussierung des nichtabgelenkten Strahls in horizontaler und vertikaler Richtung. Mit dieser Anordnung kann ein Elektronenstrahl ge schaffen werden, der zu 9010/a ein quadratisches Loch mit<B>0,18</B> mm Seitenlänge passieren kann. Also kann der Strahldurchmesser auf dem Auffangschirm. zu etwa<B>0,18</B> mm angenommen werden, welche Auf- trefffläche bei jeder beliebigen Ablenklage des Strahls auf dem Auffangschirm konstant und gleich gross bleibt.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Abmessungen der verschiedenen Teile des elektronen- optischenSystems relativzueinander abgestimmt sind. Insbsondere wurde festgestellt, dass vorteilhafterweise die Elektroden,<B>25, 26, 27</B> und<B>28</B> voneinander den gleichen Abstand besitzen und dass der Durchmesser der Nebenachsen der elliptischen Öffnungen der Elektroden<B>26</B> und<B>27</B> angenähert gleich diesem<B>Ab-</B> stand zwischen benachbarten Elektroden der Linse gemacht wird.
Ferner hat sich als günstigstes Ver hältnis der Hauptachse zur Nebenachse bei den elliptischen Öffnungen der Elektroden<B>26</B> und<B>27</B> ein Wert von etwa<B>1,3</B> erwiesen.
Electron lens arrangement in an electron beam device The present invention relates to an electron lens arrangement in an electron beam device, with correction means, which counteract a defocusing of the beam at different deflection angles,
wherein the electron lens arrangement is attached between the electron source and the deflection device and a uniformly small cathode ray spot is generated on the collecting screen with any beam deflection and wherein the electron lens arrangement contains a pair of electrodes for generating a spherical lens.
When operating cathode ray tubes, an electron beam of the desired cross-section is directed onto a collecting screen, on which the impinging electrons, depending on the desired type of use, leave a visual or electrical impression. Here, the electron beam is mostly deflected by suitable electrostatic or electromagnetic means, and hits on the collecting screen a certain of a variety of possible surface elements, each of which provides a certain output signal. Difficult problems arise with such a deflection when the smallest possible cross section and exactly the same shape of the cross section of the electron beam at each individual point of impact is required.
Also going electron beam if the one from the correct electron gun is focused on the center diameter of the collecting screen,
as if a circular disk were to deflect the small diameter of the beam from the center of the screen, an out-of-round enlargement occurs due to defocusing of the beam. This effect is more pronounced with electrostatic deflection than with magnetic deflection.
A certain amount of such deflection errors is permissible in many applications and can be limited to the maximum permissible amount by means of known correction methods. These correction methods mostly use different types of electron lenses and combinations of such electron lenses with dynamic correction in which the mean potential of a pair of deflection plates can be changed as a function of a non-linear function of the deflection voltage relative to the electron lenses.
Correction procedures of this kind usually result in Distortion in one direction is reduced, but there is usually distortion in another direction which cancels out some of the overall correction. In devices which require exactly the same control of an electron beam with an extremely small cross section, as is the case, for example, with storage tubes with electrostatic deflection, the possible correction of the deflection errors by the known means is not sufficient.
The present invention aims to provide an improved electron lens assembly in an electron beam device. In particular, the same small cross-section should result in the electron beam at every point of the collecting screen for every desired deflection position. Furthermore, despite ensuring that the beam cross-section is exactly the same, a particularly compact storage device is to be made possible which is equipped with a simple but effective electron-optical system. In this sem electron beam device, a dynamically controllable electron lens is preferably used, which is coupled to the control of the deflection system.
One embodiment of the present invention relates to a barrier type cathode ray storage tube provided with an electron lens positioned between the electron gun and the electrostatic deflection system along the beam.
The electron lens system comprises a number of electrodes, which are arranged along the beam path with openings facing each other and are fed in such a way that electrical fields are created in the openings which strive to make the passing electron beam converge.
When using such tubes for storage and similar purposes, it is necessary that the overall dimensions of such tubes are kept as small as possible. To achieve such small dimensions while at the same time guaranteeing uniform beam focusing in all deflection positions, various influencing factors must be taken into account: the most important of which are briefly described below.
The deflection errors are inversely proportional to the length of the deflection field that the electron beam has to pass through. Accordingly, it is advantageous to make the deflection system as long as possible as far as the overall length of the tube allows. The deflection errors increase with increasing beam deflection angles, so that the largest necessary deflection angle should remain as small as possible.
Taking into account the overall length of the tube, it is therefore advisable to make the distance between the deflection system and the collecting screen as large as possible in order to obtain the smallest possible maximum deflection angle.
So the problem of reducing deflection errors is simplified by increasing the length of the deflection system and the beam path from the deflection system to the collecting screen. If these aspects are to be taken into account and the overall length of the tube is to be reduced as far as possible, then that part of the tube which contains the electron gun, the lenses and the deflection system must be kept as short as possible.
On the other hand, however, the shortening of the tube between the cathode and the lens causes an increase in the degree of magnification, which leads to an enlargement of the point of impact on the collecting screen. In order for the lens to work satisfactorily, the distance between the cathode and the lens must be greater than half the total length of the lens. This shows,
that the best conditions are created when a lens with the shortest possible length is used.
An effective electron lens is e.g. B. a so-called single lens, which is suitable for focusing a electron beam up to a circular point in the center of the collecting screen of a cathode ray tube. Such a lens normally consists of two electrodes with circular holes which have a high positive potential with respect to the cathode, as well as an electrode with a circular opening arranged in between, the potential of which is between that of the cathode and that of the two outer electrodes .
This arrangement corresponds to a spherical lens of light optics and provides a thread-like beam, the cross-section of which is determined by the outer electrodes, and which converges under the effect of the low potential of the inner electrode in connection with the high potential of the two outer electrodes. Such a single lens made up of three electrodes cannot fully compensate for the deflection errors of a beam deflected in a single coordinate.
The correction along a single coordinate is better possible with a lens which has slit-shaped openings instead of the round openings, and the use of two such lenses enables the same dimensions of a beam deflected in two coordinate directions to be guaranteed. However, with such slit openings, corresponding to a Zylin derlinse, the aberration is greater than with a spherical lens of the same focal length, and a lens set up for two coordinates with six electrodes would, in order to be able to adjust this lens correctly, a much greater overall length of the tube require.
In the embodiment of the invention emässen electron beam device described below, this difficulty is overcome and on the one hand the length of the lens is reduced to such an extent that a smaller overall length of the tube is possible, while on the other hand the same small diameter of the at all points of the impact body Beam is guaranteed.
The invention consists in that in an electron lens arrangement of the type mentioned between the electrodes for generating a spherical lens, a pair of focusing electrodes with oblong holes running transversely to one another and with continuously changing widths along their axis is provided, which electrodes on the openings of the control are aligned.
The electron lens arrangement can be designed in such a way that a lens system of short length is obtained while maintaining an evenly small cathode ray spot on the collecting screen.
The invention is explained in more detail below in a few exemplary embodiments with reference to FIGS. 1 to 7. Of these: FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of a barrier grid storage tube according to the invention, FIG. 2 shows a perspective, enlarged reproduction of the deflection system and the lens system for an exemplary embodiment according to FIG. 1, </B> Fig. <B> 3 </B> and 4 <B> each </B> a perspective illustration of an undeflected or a deflected electron beam,
Fle-. <B> 5 </B> to <B> 7 </B> each a schematic representation of a quadrant of the impact body with representations of the impact surface of an electron beam without correction means for the deflection errors or with a single lens and a lens system according to FIG 1 </B> and 2 for correcting the deflection errors.
The exemplary embodiment according to FIG. 1 shows a barrier grid storage tube 10. As is known, such a tube contains <B> 10 </B> inside an evacuated flask, for example made of glass , an electron gun consisting of the cathode 11 and the filament 12, a control grid 13, the acceleration anode 14, the focusing electrodes 15, which are designed as electron lenses / B> the baffles <B> 16 </B> and <B> 17, </B> a screen <B> 18, </B> a shield <B> 19 </B> and a collecting screen 20.
The three-part, disc-shaped collecting chute 20 here consists of a base plate 22, a dielectric film 23 and a barrier grid 24 arranged directly in front of the dielectric film 23.
The dielectric film <B> 23 </B> stores an electrostatic charge generated on its surface by the electron beam for a long time, which effect is evaluated for the storage function of the tube. The back plate 22, which is isolated from the barrier grid 24, can be varied in its potential and controls the charge pattern which was generated on the film by the electron beam. The charge applied to a specific point on the dielectric film 23 is then scanned by an electron beam guided over this point.
The size and density of the individual storage elements on a given storage surface are partly dependent on the size, intensity and evenness of the electron beam that hits it. The beam is necessarily deflected in order to reach each individual storage element, but with the electrostatic deflection a certain amount of beam defocusing occurs, as a result of which the number of possible individual storage elements is limited.
As can be seen from FIG. 3, an electron beam converges on a point <B> 37 </B> on the collecting screen <B> 36. </B> Before passing through the deflection plates < B> 35 </B> the cross section of the beam is practically circular, as indicated by the hatched area. If the two vertical deflection plates <B> 35 </B> have the same potential, then the beam is not influenced by them and all electrons hit the screen at the focal point <B> 37 </B>.
If there is a potential difference between the deflection plates <B> 35 </B>, then, as indicated in FIG. 4, the same electron beam experiences a vertical deflection. Now the beam no longer converges at a point on the plane of incidence <B> 36 </B>, but rather shows, due to the deflection field, an intersection of the individual electron paths in a vertical plane in front of the target plane <B> 36 </B>, see above that there is no circular, but an elongated impingement surface <B> 38 </B>, which is significantly larger than the impingement surface of FIG. 3.
The deflection plates thus act like a cylindrical converging lens, so that the individual storage elements, towards the edge of the collecting screen, must have a sufficiently large mutual distance to overlap despite the enlarged beam cross-section avoid, which leads to a reduction in the amount of storage to be processed in such a storage tube. If an overlap occurs, the information in adjacent storage elements of the dielectric surface is disrupted.
One way around this difficulty is to have the safety screen. is placed sufficiently far away from the baffles so that the angle of deflection required to reach the edge of the collecting screen is reduced. In order to reduce the deflection errors, it is also possible to lengthen the deflection plates in the direction of the beam axis. However, the two measures mentioned lead to a noticeable lengthening of the tube, which is undesirable for some applications.
The electron lens arrangement described below fulfills both the requirements of a very small impingement surface at all necessary deflection angles and a reduction in the total length of the tube without the deflection angle being increased too much in comparison with other tubes of this type.
FIG. 2 shows on an enlarged scale the essential parts of the exemplary embodiment according to FIG. 1, which are necessary to achieve the desired correction of the deflection errors in a two-coordinate deflection system. The electron lens shown consists of a first outer electrode 25 with a circular opening which carries a high positive potential with respect to the cathode.
The <B> electrodes </B> electrodes <B> 26 </B> and <B> 27 </B> have elliptical openings and <B> each </B> receive a variable voltage of <B> each </ B> a deflection voltage source for the relevant coordinate via a non-linear circuit, which voltages are preferably located between that of the cathode and that of the electrode <B> 25 </B>. The electrode <B> 26 </B>, which is arranged vertically with the minor axis of its elliptical opening, has a connection via the non-linear circuit <B> 31 </B> to the input circuit <B> 32 </B> for the vertical deflection system.
In the same way, the electrode <B> 27 </B> in which the small <B> axis </B> of the elliptical opening runs horizontally is connected via the non-linear circuit <B> 33 </B> to the input circuit 34 for connected to the horizontal deflection system. The last electrode <B> 28 </B> corresponds to the first electrode <B> 25 </B>, </B> closes the electron lens and has the same potential as the electrode <B> 25 </B>.
In the absence of a deflection field, the electrodes <B> 25, 26, 27 </B> and <B> 28 </B> focus the electron beam from the electrons emitted by the hot cathode of the tube, at a point <B> g < / B> smallest expansion in the center of the collecting screen. In this case, the focusing effect of these electrodes is comparable with that of one or more spherically shaped optical lenses or with the known electrostatic single lens. To achieve this focusing effect, a potential difference is maintained between adjacent electrodes.
Furthermore, the mutual spacing of the electrodes from one another has an influence to a certain extent. The electron lens can, however, be influenced without changing its physical structure by changing the absolute and relative voltage values.
The two electrodes <B> 26 </B> and <B> 27 </B> provided with elliptical openings have a similar effect as optical cylindrical lenses and, like these, have parallel planes of convergence, the main axis of the ellipses being perpendicular to them directed parallel planes. An idealized electronic cylinder lens bundles in only one direction and consists of two infinitely extended P-plates located in the same plane, the edges of which form an infinitely extended slot in which the focusing electrostatic field prevails.
In reality, of course, the greatest possible length of the slot is limited by the greatest possible dimensions of the tube provided, and a rectangular opening is used in place of the infinitely expanded slot. Such a compromise, however, results in a combination of two focusing effects, namely on the one hand in the desired plane and on the other hand in the plane perpendicular thereto. This undesirable interaction between two focusing directions can be avoided by giving the opening the shape of an ellipse instead of a rectangle, ie avoiding all sharp corners. which are responsible for the emergence of the unwanted focus.
An undesirable reaction of the two cylindrically focusing electrodes <B> 26 </B> and <B> 27 </B> as a result of their relatively small distance can also be avoided by changing the ratio of the main axis to the minor axis of the elliptical openings and the elliptical surface and the electrode spacing can be selected appropriately.
If a signal is fed to the deflection plate pairs <B> 16 </B> or <B> 17 </B>, the electron beam is deflected and strikes the dielectric layer of the collecting screen at a point other than the center.
As shown in FIGS. 4 and 5, the cylindrical focusing effect of the deflection plates 16 and 17 causes a distortion of the beam to the extent that, instead of a circular spot on the impact body in the center thereof, an elliptical impact surface is created which is all the greater the further the beam is deflected from the center.
The beam distortion resulting from the deflection system alone increases, as is indicated in FIG. 5, with increasing deflection angle, namely proportionally with the square of the mean deflection angle.
If a single lens consisting of electrodes with circular openings is arranged in front of the deflection plates of the tube, the deflection errors result according to FIG. 6. The electrostatic field prevailing in such a lens arrangement acts like a spherical converging lens and results a pre-focusing of the beam, whereby the cylindrical effect of the deflection plates is partially compensated.
Accordingly, if the field strength of the lens is set correctly, the disadvantageous influence of the deflection field on the size of the impingement surface can be corrected to a certain extent.
The single lens system, however, has two major disadvantages. Such a spherical converging lens guides a thread-like beam to the deflection system, whereby the deflection errors of such a field which deflects only in one coordinate direction cannot be corrected at all points of the collecting screen.
The correction is worst at those points that cause a maximum deflection of the beam in one coordinate direction and no deflection of the same in the other coordinate direction, that is, at the points <B> 60 </B> and <B> 61 </B> in Fig. <B> 6. </B>
By using a single lens, consisting of three electrodes provided with rectangular openings for each deflection direction, which are connected to a suitable dynamic correction circuit, the first-mentioned difficulty can be eliminated, but the placement of the six individual electrodes at the required mutual distance requires such a length of the Tube that it is unsuitable for a large number of applications of such storage tubes.
Compensating for the larger space required for this lens by shortening the deflection plates and their distance from the collecting screen would, as already explained above, bring about a further increase in the difficulties with regard to deflection errors. In addition, the aberration in such electrodes with rectangular openings for cylinder lenses is greater than when using electrodes with circular openings for spherical lenses.
The results that can be achieved with an arrangement according to the exemplary embodiment according to FIG. 2 are shown in FIG. 7. In the center of the collecting screen, a focusing spot for the beam of such small dimensions is achieved that the strict requirements on barrier grate storage tubes for the storage of large numbers, in addition, the same small impact surfaces are achieved at all points of the collecting chine and in every position of the deflected beam.
The arrangement shown with crossed elliptical lenses uses <B> each </B> a single elliptical lens electrode for each coordinate direction, which causes the beam to be focused only in this direction and, in the case of the non-deflected beam, promotes its focusing on the center of the collecting screen .
The electrical circuit provided between the lens system and the deflection system causes a weakening of the electrostatic field of each individual elliptical electrode when the respectively assigned pair of deflection plates is acted upon. As a first approximation, the dynamic voltage that is supplied to the individual lenses is proportional to the square of the voltage difference between the deflection plates that are effective in the same plane. An example for carrying out this dynamic field change is shown in FIG. 2 in the case of a symmetrical push-pull deflection.
A fraction of the vertical deflection voltage from the voltage source, <B> 32 </B> is fed to the grids of the two amplifier tubes 40 and 41 of the non-linear circuit <B> 31 </B>. Since the grids are loaded symmetrically, the sum of their anode currents changes as a first approximation with the square of the deflection voltage. The added anode currents of the tubes 40 and 41 generate a voltage drop across the appropriately dimensioned voltage divider resistor 42, which voltage drop varies in the desired manner and acts on the electrode 26.
A corresponding circuit is provided to influence the electrode 27 as a function of the horizontal deflection voltage. As can be seen from FIG. 2, the focusing electrodes <B> 26 </B> and <B> 27 </B> have a positive voltage in order to achieve the basic focus.
If no positive but negative voltages are used for this, a phase reversal stage must be provided in order to reduce the electrostatic fields at the electrodes <B> 26 </B> and <B> 27 </B> depending on the deflection voltage supplied. gen to weaken.
The crossed elliptical lenses with electrostatic fields dynamically compensated in the manner described enable the beam to be bundled onto an area of impact that is the same for all deflection positions. Since only four electrodes are required for this, this lens system enables a small tube diameter and a small overall length of the tube.
In an embodiment of the lens system according to FIG. 2, the individual components had the following dimensions and mutual distances.
EMI0005.0026
Opening diameter <SEP> electrode <SEP> <B> 25 </B> <SEP> 1.22 <SEP> mm
<tb> <B> <SEP> <SEP> 28 <SEP> 1.91mm </B>
<tb> main axis <SEP> electrode <SEP> <B> 26, <SEP> 27 <SEP> 7.29 </B> <SEP> mm
<tb> minor axis <SEP> electrode <SEP> <B> 26, <SEP> 27 <SEP> <I>5.51mm</I> </B>
<tb> Thickness <SEP> of the <SEP> electrodes <SEP> <B> 0.30 </B> <SEP> mm
<tb> Distance <SEP> between neighboring <SEP>
<tb> Electrodes <SEP> <B> 5.33 </B> <SEP> <U> mm </U> There was one on electrodes <B> 25 </B> and <B> 28 </B> positive voltage of <B> 1000 </B> volts compared to the cathode.
The electrodes <B> 26 </B> and <B> 27 </B> carried a positive voltage of 420 or 470 volts with respect to the cathode, suitable for focusing the non-deflected beam in the horizontal and vertical directions. With this arrangement, an electron beam can be created which can pass a square hole with a side length of <B> 0.18 </B> mm at 9010 / a. So the beam diameter can be on the collecting screen. to be assumed to be approximately <B> 0.18 </B> mm, which area of impact remains constant and the same size for any deflection position of the beam on the collecting screen.
It has proven to be advantageous that the dimensions of the various parts of the electron-optical system are coordinated relative to one another. In particular, it was found that the electrodes <B> 25, 26, 27 </B> and <B> 28 </B> are advantageously at the same distance from one another and that the diameter of the secondary axes of the elliptical openings of the electrodes <B> 26 </B> and <B> 27 </B> approximately equal to this <B> distance </B> between adjacent electrodes of the lens.
Furthermore, the most favorable ratio of the major axis to the minor axis for the elliptical openings of the electrodes <B> 26 </B> and <B> 27 </B> has proven to be a value of approximately <B> 1.3 </B>.