La présente invention a trait à un tube vidéo-cathodique, destiné à restituer sous forme visible des signaux électriques représentant une image, comprenant une enceinte hermétique vide d'air, délimitée par une paroi dont une portion constitue une fenêtre transparente, cette enceinte contenant une couche d'au moins une substance luminescente, qui est portée par une plaque transparente et qui a une extension sensiblement égale à celle de cette fenêtre, cette couche étant visible à travers cette fenêtre.
Le problème de l' affichage des informations transportées par une suite de signaux électriques représentant une analyse ponctuelle d'un tracé graphique n'est pas nouveau. Cet affichage, qui est désigné en technique par le vocable anglo-saxon de display , consiste à reconstituer sous forme visible soit une image (en noir et blanc ou en couleur), soit un tracé linéaire soit enfin une suite de tracés linéaires particuliers dont chacun constitue un caractère alphanumérique et dont l'ensemble constitue un texte.
Chaque point de cette image, de ce tracé ou de ce caractère est représenté par un signal électrique. Des dispositifs opérant un tel affichage sont connus: on les utilise notamment dans les récepteurs de télévision et dans les dispositifs de restitution des données qui équipent les installations de traitement de l'information.
La plupart de ces dispositifs recourent à des tubes cathodiques. Or les tubes cathodiques traditionnels se présentent sous une forme peu pratique du fait qu'ils comprennent un ou plusieurs canons électroniques dont l'axe est dirigé perpendiculairement à la surface sur laquelle apparaît la restitution. Alors que leur partie utile, à savoir l'écran, doit posséder une surface appréciable, I'épaisseur que la présence de ce ou ces canons oblige à donner à ces dispositifs leur confère un encombrement gênant, qui empêche notamment de les placer contre une paroi, à la manière d'un tableau ou de les incorporer à des appareils véritablement portatifs.
On a donc cherché à créer des dispositifs, dits d' affichage plat , dont l'épaisseur est relativement faible par rapport aux dimensions de l'écran, de sorte que leur forme se rapproche de celle d'un tableau quelque peu épais, ou, dans le cas d'appareils portatifs, d'une valise relativement mince.
Parmi les dispositifs plats qui sont connus et qui sont du type cathodique. il convient de citer celui qui a été décrit par
W.R. Aiken ( A thin cathod-ray tube , Proc. IRE 1957, p. 1599).
Ce dispositif comporte un canon électronique qui est situé derrière l'écran et qui a son axe dirigé parallèlement à cet écran, et une série de bandes conductrices destinées à provoquer une postdéflexion qui amène le faisceau électronique issu du canon à frapper l'écran au point voulu. C'est là un dispositif qui a l'avantage de présenter une bonne linéarité (c'est-à-dire l'absence de distorsion de l'image), et une bonne définition, mais qui présente deux inconvénients, à savoir:
d'une part l'obligation de générer, lors de chaque balayage de l'écran, une séquence de tensions élevées qui doivent être appliquées successivement aux diverses électrodes de postdéflexion, ce qui pose des problèmes d'amplification, de commutation et de synchronisation; d'autre part le fait de n'être pas véritablement mince, car les nécessités de la déflexion empêchent de rendre son épaisseur moindre que le quart de la diagonale de la partie utile de l'écran, partie utile dont la surface est elle-même sensiblement inférieure à la surface apparente du tube.
Il existe aussi des dispositifs d'affichage plat qui au lieu d'utiliser un ou des faisceaux cathodiques, exploitent le phénomène de l'électroluminescence. Ces dispositifs, dont divers modèles ont été passés en revue dans un article de J. J. Joseph ( A review of panel-type display devices , Proc. IRE 1960, p. 1380) comprennent un panneau électroluminescent dont l'excitation ponctuelle est assurée par une ou plusieurs matrices croisées, du type solid-state ou du type à décharge gazeuse.
Ces dispositifs, cependant, se sont révélés inutilisables pour des récepteurs de télévision à cause du rendement lumineux insuffisant des substances électroluminescentes connues et, surtout, des problèmes de commutation qu'ils posent, puisque pour la seule télévision en noir et blanc ils devraient comprendre deux registres de commutation capables de commander séquentiellement les tensions appliquées aux huit cents lignes et huit cents colonnes que comporte une matrice d'excitation.
C'est dire que le problème de l'affichage plat est loin d'avoir obtenu une solution satisfaisante.
L'objet de la présente invention est un nouveau dispositif d'affichage plat, du type à faisceau cathodique, qui ne souffre pas des inconvénients que présentent les dispositifs connus. Ce dispositif est caractérisé par le fait que cette enceinte contient: un premier ensemble de pistes conductrices isolées les unes des
autres, disposées sur cette couche de manière à être en contact
avec elle sur toute leur longueur, cet ensemble de pistes consti
tuant au moins un réseau s'étendant d'un bord à l'autre de
cette couche; - un second ensemble de pistes conductrices isolées les unes des
autres, orientées dans une direction sensiblement perpendicu
laire aux premières et disposées dans une surface parallèle à
cette couche, cet ensemble de pistes constituant un second
réseau, qui est équidistant du premier et qui a la même exten
sion que lui;
; - un premier dispositif d'alimentation, modulé par lesdits
signaux et capable de porter séquentiellement les pistes du pre
mier réseau à un premier potentiel; - un second dispositif d'alimentation, modulé par lesdits
signaux et capable de porter séquentiellement les pistes du
second réseau à un second potentiel, négatif par rapport au
premier,
et par le fait que la matière dont sont faites les pistes du
second réseau est douée d'un pouvoir d'émission de champ tel
qu'elle soit capable d'émettre, sous l'effet du champ créé par la
différence entre ce premier et ce second potentiel, des électrons
ayant l'énergie requise pour exciter ladite substance lumines
cente, le tout étant agencé de manière que, vus à travers ladite
fenêtre et ladite plaque transparente,
les deux réseaux consti
tuent une matrice de points de croisement et que la portion de
substance luminescente située au droit de ces points de croise
ment s'illumine en fonction desdits signaux, I'ensemble de ces
points lumineux constituant ladite image.
La description qui va suivre se rapporte à une première forme
de réalisation, donnée à titre d'exemple et destinée à la restitution
d'une information graphique en noir et blanc, et à une deuxième
forme de réalisation, donnée également à titre d'exemple mais
destinée. elle, à la restitution d'une information graphique en cou
leur du type trichrome.
Cette description est illustrée par le dessin annexé, dans
lequel:
La fig. 1 est une vue en perspective, partiellement coupée,
d'une première forme de réalisation de la partie interne du dispo
sitif.
La fig. 2 est une vue de face, depuis l'extérieur, du dispositif
entier.
La fig. 3 est une coupe du dispositif entier, selon la
ligne III-III de la fig. 2.
La fig. 4 représente, schématiquement et à plus grande échelle,
une partie de la fig. 1.
La fig. 5 est un schéma expliquant le fonctionnement de la
partie interne représentée à la fig. 1.
La fig. 6 représente une courbe relative au phénomène phy
sique qu'exploite le dispositif.
La fig. 7 est une vue de face, depuis l'extérieur, d'une variante
du dispositif.
La fig. 8 est une vue en perspective de la deuxième forme de
réalisation, certains éléments étant représentés schématiquement.
La fig. 9 représente dans sa forme réelle, en coupe partielle et à
plus grande échelle, un des éléments qui est visible à la fig. 8 sous
une forme schématique.
La fig. 10 est une vue de face, analogue à la fig. 2 mais agran die, montrant par transparence une variante de la première torme d'exécution.
Les fig. 11 et 12 sont des coupes selon les lignes XI-XI et XII-XII respectivement, de la fig. 10.
La fig. 13 est une coupe analogue à celle de la fig. 12, mais montre une sous-variante.
Ainsi que le montre la vue perspective représentée à la fig. 1, le dispositif d'affichage comprend une première plaque support 1, transparente, qui est disposée en regard d'une seconde plaque support 2, laquelle peut être opaque. Pour des raisons qui apparaîtront plus loin, la plaque support 1 sera appelée plaque anodique et la plaque support 2 sera appelée plaque cathodique .
La face de la plaque anodique 1 qui se trouve en regard de la plaque cathodique 2 est revêtue d'une couche 3 d'une matière luminescente usuelle (par exemple un phosphore ). Sur cette couche luminescente est disposée une série de fines bandelettes conductrices très minces 4, dites bandelettes anodiques, isolées électriquement les unes des autres et disposées parallèlement les unes aux autres (dans le sens vertical pour l'exemple représenté).
Sur la face de la plaque cathodique 2 est disposée une autre série de fines bandelettes conductrices 5, dites bandelettes cathodiques, isolées électriquement les unes des autres et disposées parallèlement les unes aux autres, dans une direction perpendiculaire à la direction des bandelettes anodiques (donc dans le sens horizontal pour l'exemple décrit). Ces bandelettes anodiques ont une largeur de l'ordre de 0,3 mm, un espacement de l'ordre de 0,2 mm et leur épaisseur est de l'ordre du micron. Les bandelettes cathodiques ont également une largeur de l'ordre de 0,3 mm et un espacement de l'ordre de 0,2 mm; leur épaisseur, en revanche, est indifférente; en principe elle est supérieure à celle des bandelettes anodiques 4.
La face arrière de la plaque cathodique 2, c'est-à-dire la face qui est opposée à celle qui porte les bandelettes cathodiques 5, est recouverte d'une couche conductrice 6 constituant un blindage électrique. Les bandelettes 4 sont reliées à des lamelles 7, qui débordent sur la face arrière de la plaque cathodique 2, c'est-àdire la face qui porte le blindage 6, et l'ensemble de ces lamelles 7 constitue une rampe 8 de contacts anodiques qui sont alignés le long du bord supérieur de cette plaque cathodique 2, mais qui ne le touchent pas. En tout cas, les contacts anodiques 7 sont isolés électriquement du blindage 6 de la plaque cathodique 2.
Les bandelettes cathodiques 5 sont, elles, reliées à des lamelles 9 qui débordent aussi sur cette même face de la plaque cathodique 2 mais sur le côté vertical de celle-ci. L'ensemble de ces lamelles 9 constitue une rampe 10 de contacts cathodiques qui sont alignés le long du bord vertical de la plaque cathodique 2 et qui sont eux aussi isolés électriquement du blindage 6 de cette dernière.
La plaque anodique 1 porte encore une bandelette auxiliaire 11, conductrice, disposée à travers l'ensemble des bandelettes anodiques 4 (donc dans le sens horizontal pour l'exemple décrit) et séparée de ces dernières par une couche d'isolement 12 faiblement conductrice présentant à l'égard des bandelettes anodiques des fuites électriques . La plaque cathodique 2 porte elle aussi une bandelette auxiliaire 13, disposée à travers l'ensemble des bandelettes cathodiques 5 (donc dans le sens vertical pour l'exemple décrit) et séparée de ces dernières par une couche d'isolement 14 faiblement conductrice présentant à l'égard des bandelettes cathodiques des fuites électriques . Derrière la plaque cathodique 2, dans le coin qui est opposé à la fois à la rampe anodique 8 et à la rampe cathodique 10 sont placés deux canons électroniques 15 et 18.
Le canon 15, dit anodique , est pointé vers le milieu de la rampe anodique 8 et il est équipé de dispositifs de balayage (dont seules sont représentées les plaques déflectrices 15') imposant à son faisceau électronique 16 de balayer cette rampe anodique, ce que représente la flèche 17. Le canon 18, dit cathodique , est pointé vers le milieu de la rampe cathodique 10 et il est équipé de dispositifs de balayage (dont seules sont représentées les plaques déflectrices 18') imposant à
son faisceau électronique 19 de balayer cette rampe cathodique, ce
que représente la flèche 20.
Le faisceau 16 du canon anodique 15 a une énergie qui tombe
dans la gamme où le rendement en électrons secondaires des
contacts anodiques 7 frappés par ce faisceau est supérieur à
l'unité, de sorte que les contacts de la rampe anodique 8 émettent
des électrons secondaires; ces derniers sont recueillis par une élec
trode collectrice constituée par une barre 21 qui est connectée à une source électrique, non représentée, capable de la porter à un potentiel positif par rapport au potentiel des contacts. Cette élec
trode collectrice 21 est située à l'abri d'un blindage 22 qui évite
qu'elle perturbe le faisceau d'électrons 16 avant que celui-ci atteigne les contacts 7.
Le faisceau 19 du canon cathodique 18 a, lui, une énergie qui
tombe dans la gamme où le rendement en électrons secondaires
des contacts cathodiques 9 frappés par ce faisceau est inférieur à
l'unité, de sorte que, sous l'impact du faisceau 19, les contacts de
la rampe cathodique 10 se chargent en électrons.
Les plaques anodiques 1 et cathodique 2 sont placées en regard l'une de l'autre, leurs bandelettes conductrices 4 et 5 étant croisées à 90" et se faisant face à une distance suffisante pour permettre à une différence de potentiel de quelques kilovolts de prendre naissance entre les bandelettes anodiques 4 et les bandelettes cathodiques 5 sans donner lieu à une disruption électrique entre ces dernières.
Cette différence de potentiel résulte de la charge positive qu'acquièrent les bandelettes anodiques 4 du fait de l'émission secondaire élevée (rendement supérieur à l'unité) dont leurs contacts 7 sont le siège lorsqu'ils sont frappés par le faisceau anodique 16, et de la charge négative qu'acquièrent les bandelettes cathodiques 5 du fait de l'émission secondaire faible (rendement inférieur à l'unité) dont leurs contacts 9 sont le siège lorsqu'ils sont frappés par le faisceau cathodique 19.
Alors que le potentiel des bandelettes anodiques peut atteindre des valeurs positives élevées (de l'ordre de quelques kV), celui des bandelettes cathodiques se limite de lui-même à des valeurs positives faibles (en effet, un potentiel négatif repousserait le faisceau et annulerait le courant transmis, de sorte que l'on peut considérer ce dernier potentiel comme étant pratiquement nul).
Les bandelettes auxiliaires 1 1 et 13 sont reliées à des sources de tension extérieures (non représentées), de manière à imposer aux bandelettes anodiques 4 et aux bandelettes cathodiques 5, respectivement, tant que celles-ci ne sont pas frappées par les faisceaux respectifs 16 et 19, des potentiels déterminés dépendant des fuites électriques dont les couches d'isolement 12 et 13 sont le siège.
Les bandelettes cathodiques 5 sont constituées par une matière, dont la nature sera précisée plus loin, douée d'une forte émission d'électrons par effet de champ, ce champ étant celui qui résulte de la différence entre les potentiels atteints par ces bandelettes et les bandelettes anodiques 4 lorsque leurs contacts sont frappés par les faisceaux 16 et 19.
L'ensemble des deux plaques, anodique et cathodique, est enfermé dans une enveloppe dont une face au moins est transparente et permet de regarder la plaque anodique et, à travers celleci, la couche de matière luminescente 3, dont elle est revêtue sur sa face interne. C'est ce que montrent schématiquement les fig. 2 et 3, où l'on reconnaît l'enveloppe 30, formée de deux coques 31 et 32 assemblées par soudage le long d'un bourrelet périphérique 33. Etant donné que la coque antérieure 31 doit être transparente, il y a avantage à les faire toutes deux en verre: cela facilite la soudure le long du bourrelet 33. On voit aussi que, contrairement à ce qui a été représenté à la fig. 1, les canons électroniques 15 et 18 sont logés dans un culot 34 qui fait saillie hors du contour général du dispositif et dont sortent les brochages 35 et 38.
C'est là une disposition qui, malgré l'inconvénient de constituer une excroissance, facilite l'assemblage des canons électroniques, le culot 34 étant soudé après coup sur l'enveloppe 30. On reconnaît enfin sur les fig. 2 et 3, la plaque anodique 1, la plaque
cathodique 2, la rampe 10 des contacts cathodiques et, partielle
ment, la rampe 8 (non visible à la fig. 3) des contacts anodiques.
La coque postérieure 32 est revêtue, sur sa face interne, d'une
couche conductrice 36 qui constitue un blindage complétant le
blindage 6 (qui n'est pas visible à la fig. 3, mais qui apparaît à la
fig. 1) que porte la plaque cathodique 2. De cette manière, les fais
ceaux électroniques émis par les canons 15 et 18 sont à l'abri des
champs perturbateurs extérieurs. Après soudage des coques 31
et 32, Enveloppe 30 est vidée d'air à travers un queusot 37.
Les bandelettes cathodiques 5 sont faites, on l'a vu, en une
matière douée d'un fort pouvoir d'émission par effet de champ.
Pour cela, on peut utiliser une base en nickel sur laquelle sont
rapportées de très nombreuses micropointes en tungstène. Un
matériau de ce genre a été réalisé par W. P. Dyke et W. W. Dolan
qui l'ont décrit dans leur article Field emission paru dans Adv.
Electr. Electron. Phys. Vol. 8, 1956, p. 89 et qui l'ont utilisé dans
le domaine de la microscopie électronique. Cette technique
conduisant cependant à une densité très faible du peuplement en
pointes, de l'ordre de 2 pointes/mm2 en moyenne, il y a avantage
à recourir à la technique de H. E. Cline (J. Appl. Phys. 41, 76,
1970) qui consiste à partir d'un alliage eutectique de nickel et de
tungstène, de soumettre cet alliage à une solidification orientée
pour y développer des trichites de tungstène, à procéder à une
attaque chimique sélective pour dégager de la masse de nickel les
extrémités de ces trichites et en faire des whiskers , et à appoin
tir les pointes de ces whiskers par attaque électrochimique.
Avec une technique de ce genre, il a été possible, par un choix
adéquat du gradient thermique à travers le front de solidification,
d'obtenir un tapis de pointes dont le peuplement atteignait une
densité de 106 à 107 pointes/cm2. Chacune de ces pointes possède
une très forte émission électronique par effet de champ. Un tel
matériau est alors découpé en bandelettes et ces bandelettes sont fixées sur la plaque cathodique 2, leurs faces hérissées de pointes
étant dirigées vers la plaque anodique 1.
La disposition décrite conduit donc à réaliser deux réseaux croisés de pistes rectilignes (en l'occurrence les bandelettes) qui
sont parcourus par un courant d'électrons passant de l'un à
l'autre à l'endroit où se croisent les pistes qui se trouvent excitées
à l'instant considéré, ces pistes excitées étant définies par la position instantanée qu'occupent les deux faisceaux mobiles provenant des canons électroniques. C'est ce que schématise la fig. 4 où l'on a représenté les bandelettes anodiques 4a à 4f et les bandelettes cathodiques 5a à 5e, les rampes de contacts 8 (anodique) et 10 (cathodique), respectivement, par l'intermédiaire desquelles les faisceaux 16 et 19, respectivement, des canons 15 (anodique) et 18 (cathodique) les excitent.
Dans la situation représentée, c'est la bandelette anodique 4e et la bandelette cathodique 5d qui sont excitées par les faisceaux correspondants, de sorte que c'est à leur point de croisement 40 que s'établit le courant entre les réseaux; par conséquent, le phosphore se trouvant en ce point va s'illuminer sous l'effet de ce courant, ce que représentent les hachures visibles à la fig. 4.
On voit que le fonctionnement du dispositif d'affichage décrit repose sur le mécanisme grâce auquel un courant électrique s'établit entre les deux canons, par l'intermédiaire des contacts cathodiques 9, dont on a dit qu'ils étaient doués d'un rendement en électrons secondaires inférieur à l'unité, des bandelettes cathodiques 5, dont on a dit qu'elles étaient douées d'un haut pouvoir d'émission par effet de champ, des bandelettes anodiques 4 et des contacts anodiques 7 dont on a dit qu'ils étaient doués d'un rendement en électrons secondaires supérieur à l'unité. Il convient donc d'examiner de plus près ce mécanisme.
La fig. 5 montre, développée linéairement, la chaîne des éléments mentionnés ci-dessus. Ces éléments sont représentés très schématiquement, mais on les identifie aisément du fait qu'ils sont affectés des mêmes chiffres de référence que plus haut. Soient llo le courant véhiculé par le faisceau cathodique 19, lui le courant circulant dans celle des bandelettes cathodiques 5 qui correspond au contact cathodique 9 frappé par ce faisceau 19, I le courant véhiculé par les électrons émis par effet du champ par cette bandelette cathodique, 12 le courant circulant dans celle des bandelettes anodiques 4 qui correspond au contact anodique 7 frappé par le faisceau anodique 16 et 120 le courant véhiculé par ce faisceau.
Soient V1le potentiel du contact cathodique 9, donc de la bandelette correspondante 5, par rapport à la cathode 41 du canon cathodique 18, V2 le potentiel du contact anodique 7, donc de la bandelette correspondante 4, par rapport à la cathode 42 du canon anodique 15, et supposons que les cathodes 41 et 42 sont à un même potentiel, par exemple celui de la masse. Dans ces conditions, la différence de potentiel AV qui existe entre les bandelettes 4 et 5 vaut AV V2-V1, et cette valeur représente le potentiel de la bandelette anodique mesurée par rapport à celui de la bandelette cathodique.
Cela étant, le courant anodique 12 résulte du bilan entre le courant d'émission secondaire I2s engendré sous l'effet de l'impact des électrons du faisceau anodique 16 et le courant de faisceau anodique I20 que véhiculent ces électrons; il vaut I2 = I2s-I20 Ce courant dépend du potentiel du contact 7 selon une loi représentée par la courbe 12 de la fig. 6. Cette courbe est tracée dans un diagramme I-V dans lequel on a placé le zéro de 12 sur l'axe V.
Dans ces conditions, les points 43 et 44 qui, sur cette courbe, correspondent à la valeur a 1 du rendement en électrons secondaires, se trouvent sur l'axe des abscisses. La partie de cette courbe qui est située entre les points 43 et 44, donc au-dessus de cet axe, correspond à s > 1; comme c'est la partie utile, elle est tracée en trait plein. Les parties qui sont situées à gauche du point 43 et à droite du point 44, donc au-dessous de l'axe des abscisses, correspondant à a < 1: elles sont tracées en traits interrompus. Les courants de fuite étant supposés négligeables, le courant 12 doit, pour satisfaire la loi de conservation du courant, avoir la même valeur que le courant I résultant de l'émission par effet de champ de la bandelette cathodique 5.
Ce courant varie en fonction du champ électrique, donc du potentiel AV, selon une loi, dite de Fowler-Nordheim, qui a l'allure représentée par la courbe I de la fig. 6. Cette courbe présente une branche quasi horizontale correspondant à une émission pratiquement nulle et une branche quasi verticale qui correspond à une émission très intense dès que le champ dépasse une valeur critique de l'ordre de 3.107 V/cm qui correspond à un potentiel Vc existant entre la bandelette anodique 5 et la bandelette cathodique 4. Cette branche quasi verticale intersecte la courbe I2 en un point 45 qui correspond à l'égalité des courants 12 et I et qui constitue le point de fonctionnement.
L'abscisse de ce point de fonctionnement définit le potentiel V2 (mesuré par rapport au canon 42) que prennent, à l'équilibre, la bandelette anodique 4 et son contact 7; I'ordonnée de ce point définit le courant I que fournit, à l'équilibre, I'émission de champ de la bandelette cathodique 5, par conséquent le courant li qui traverse cette bandelette et son contact 9.
En appelant 11s le courant d'émission secondaire au niveau du contact 9 et en faisant le bilan des courants 11 et 11s qui entrent dans ce contact et du courant llo qui en sort, on trouve que lui = llo-ll5 Or ce courant li varie selon la loi représentée par la courbe li de la fig. 6, laquelle comprend une branche ascendante qui correspond au seul courant Iio véhiculé par le faisceau 19 et une partie curviligne qui a la même allure que la courbe 12 mais qui a sa concavité dirigée en sens inverse. Cette différence provient du fait que le courant 120 est dirigé en sens opposé à celui du courant lolo.
L'ordonnée li =1=12 correspond sur cette branche ascendante à un point 48 dont l'abscisse définit le potentiel V1 que doit avoir, à l'équilibre, le contact 9 par rapport à la cathode 41 du canon cathodique 18. Etant donné que cette cathode est elle aussi à la masse, on a entre les divers potentiels de la chaîne 41 et 42 la relation AV=V2 Vl qui permet de connaître, à partir des valeurs V1 et V2, la tension qui apparaît entre les bandelettes cathodiques et les bandelettes anodiques au moment où elles sont rendues actives du fait que les faisceaux cathodique et anodique, respectivement, frappent les contacts qui leur correspondent.
Ainsi, à titre d'exemple, pour un contact en or, cr > 1 couvre la gamme de 150 V (point 43) à 4 kV (point 44) et son maximum qui vaut GmaX = 1,8 est atteint pour une tension de 1000 V (point 49). Pour un contact en béryllium, on a toujours a < 1 quelle que soit la tension, et le maximum amax = 0,5 est atteint pour une tension de 200 V (point 50). Des données similaires peuvent être trouvées, pour d'autres corps, dans l'ouvrage Handbook of Vacuum Physics , vol. II, 1966, p. 319 (édité par Pergamon Press).
Les électrons émis par effet de champ à partir de la bandelette cathodique 5 sont accélérés par la différence de potentiel AV, frappent la bandelette anodique 4, la traversent en s'y ralentissant, et pénètrent dans la partie 40 de la couche de phosphore 3.
Ces électrons produisent l'excitation de ce phosphore, ce qui donne lieu à l'émission de lumière que schématisent les éclairs 49.
Le dispositif d'affichage qui vient d'être décrit offre l'avantage d'être très plat: son épaisseur ne dépasse guère 30 mm, alors que son côté peut atteindre plus de 400 mm. Il prend donc la forme d'un tableau qui peut aisément être accroché au mur. Il se prête à toutes les utilisations qui ont trait à la conversion en image de signaux électriques et il remplace avantageusement tous les dispositifs à rayons cathodiques connus lorsqu'il s'agit d'afficher en clair (c'est-à-dire de manière visible), des informations alphanumériques qui sont codées sous forme de signaux électriques binaires ou lorsqu'il s'agit de reproduire des images de télévision. Dans cette dernière application, les balayages de ligne et de trame sont remplacés par les balayages des rampes anodique 8 (ligne) et cathodique 10 (trame), mais les générateurs de balayage restent les mêmes.
Etant donné que c'est le canon qui a le plus faible débit qui régit l'intensité du courant d'électrons émis par effet de champ, courant qui détermine la luminance du phosphore, on peut moduler cette luminance en n'agissant que sur ce seul canon.
Diverses variantes du dispositif décrit peuvent être envisagées.
En particulier, la disposition représentée à la fig. 2 oblige à prendre des mesures pour produire un balayage non linéaire qui tienne compte de ce que les faisceaux rencontrent leurs rampes de contacts respectives sous une incidence oblique variable: en effet, lorsqu'il se trouve à l'extrémité gauche de la rampe 8 (telle qu'elle apparaît pour un observateur regardant la fig. 2), le faisceau issu du canon 15 a une incidence normale, alors que lorsqu'il se trouve (pour le même observateur) à l'extrémité droite de cette même rampe, son incidence est voisine de 45 . On peut exploiter le fait que, dans la déflexion électrostatique, la tangente de l'angle de déflexion est proportionnelle à la tension de déflexion.
Pour cela, on dispose les canons de manière que leurs axes soient parallèles aux côtés des plaques anodique et cathodique ainsi que cela apparaît à la fig. 7, où l'on voit comment les canons 15 et 18 peuvent être placés dans le coin inférieur gauche du dispositif, brochage 35 contre brochage 38.
Le dispositif décrit plus haut peut être adapté à la télévision en couleur: il suffit pour cela de disposer sous chaque bandelette anodique un phosphore émettant la couleur voulue. La fig. 8 montre, à titre d'exemple, comment sont agencées les bandelettes d'un dispositif adapté à la restitution d'images trichromes à composantes rouge, bleue et verte. La plaque cathodique 2 a la même structure que dans les formes de réalisation précédentes: elle porte, sur sa face interne , une série de bandelettes 5 (de l'ordre de 0,2 mm de large) d'une matière à forte émission par effet de champ et, sur sa face externe un revêtement conducteur 6 servant de blindage.
Chaque bandelette est isolée de ses voisines, cette isolation étant constituée ici par des rainures 51 (de l'ordre de 0,1 à 0,2 mm de large) qui entaillent sur une faible profondeur la plaque 2 elle-même, et chaque bandelette est reliée à un contact
correspondant de la rampe cathodique 10. Ces contacts sont sché
matisés ici par des plots de commutateur 52. Sur la plaque ano
dique 1, les bandelettes 4 et les couches de phosphore 3 sur les
quelles elles reposent sont groupées trois par trois en triplets ,
tels que les triplets 53, 54, 55; dans chacun de ces triplets, la pre
mière bandelette est posée sur un phosphore à émission bleue (B),
la seconde sur un phosphore à émission rouge (R) et la troisième
sur un phosphore à émission verte (V).
Les bandelettes 4 et les
couches de phosphore qui leur sont attribuées sont isolées les unes
des autres par des rainures, telles que la rainure 61, qui entaillent
sur une faible profondeur la plaque anodique 1 elle-même. Les
bandelettes bleues B de chaque triplet sont reliées à une rampe de
contacts bleus 8 B, les bandelettes rouges à une rampe de
contacts rouges 8 R et les bandelettes vertes à une rampe de
contacts verts 8 V schématisées à la fig. 8 par des plots de com
mutateurs. Chacune de ces rampes est balayée par le faisceau d'un
canon électronique, schématisé ici par une armature mobile, à
savoir l'armature 56 pour la rampe bleue , l'armature 57 pour la
rampe rouge et l'armature 58 pour la rampe verte .
Au lieu
de recourir à trois canons électroniques distincts, on peut fort
bien n'utiliser qu'un seul canon, mais il faut alors l'équiper d'un
dispositif de déflexion additionnel qui amène son faisceau à
balayer successivement les rampes 8B, 8R et 8V. C'est ce que
schématise le commutateur additionnel 59, dont l'armature
mobile 60 est en contact successivement avec les plots B, R et V
correspondant au balayage des rampes bleue, rouge et verte.
L'image est engendrée de la façon suivante: chaque point de
celle-ci est constitué par la zone où se croisent un triplet anodique
et une bandelette cathodique; ainsi la zone 62 où se croisent le triplet anodique 54 et la bandelette cathodique 63 constitue un point
de l'image, ce point étant bleu, rouge ou vert suivant celle des
bandelettes du triplet anodique qui se trouve en circuit. Dans le cas illustré par la fig. 8, ce point 62 est rouge, car le commuta
teur 59 se trouve dans la position rouge (R) de sorte qu'il excite, par l'intermédiaire de l'armature 57, la bandelette rouge du triplet 54, bandelette qui donne naissance à une émission de lumière rouge sortant de la plaque anodique 1 par la face externe de cette dernière, ce que schématisent les éclairs 64.
Pratiquement, les contacts anodiques 7 ont des longueurs différentes suivant qu'ils sont affectés à une bandelette anodique bleue (B), rouge (R) ou verte (V). Ainsi, à la fig. 9, pour
le triplet 54, le contact 7B affecté à la bandelette bleue B est plus court que le contact 7R affecté à la bandelette rouge R, lequel est plus court que le contact 7V affecté à la bandelette verte.
Des masques de matière isolante sont donc placés sur ces contacts de manière à ne laisser découvertes que les parties de ces derniers qui dépassent le contact voisin: ainsi le masque isolant 65 ne laisse découverte que la partie du contact 7R qui dépasse le contact 7B et que la partie du contact 7V qui dépasse le contact 7R. Les rampes de contacts bleus, rouges et verts sont constituées par les zones parallèles 8B, 8R et 8V respectivement.
Ces zones sont balayées longitudinalement, suivant les directions 66B, 66R et 66V, respectivement, par les faisceaux de trois canons (non représentés mais disposés comme le canon 15 des fig. 1, 2 ou 7) ou par le faisceau d'un canon unique équipé d'un dispositif de déflexion additionnel qui amène le faisceau de ce canon sur chacune de ces zones successivement.
Les bandelettes auxiliaires anodique 1 1 et cathodique 13 ont pour rôle, grâce aux fuites électriques de leurs couches sousjacentes 12 et 14, respectivement, de fixer à une valeur définie le potentiel des bandelettes anodique 4 et cathodique 5, respectivement, lorsque leurs contacts ne sont pas touchés par les faisceaux de commutation anodique 16 et cathodique 17, respectivement.
On peut prévoir de donner aux couches faiblement conductrices 12 et 14 une caractéristique de conduction non linéaire du type diode, par exemple, en leur donnant une structure de double couche semi-conductrice. Dans ces conditions, les fuites électriques ne prennent naissance que lorsque les potentiels des ban delettes ont un certain signe et sont inexistantes lorsque ces potentiels sont de signe inverse.
Dans les exemples décrits, les bandelettes anodiques comme les bandelettes cathodiques dessinent des réseaux rectilignes orthogonaux. C'est le cas le plus courant. Mais on peut aussi faire en sorte que ces bandelettes dessinent d'autres types de réseaux orthogonaux, par exemple un réseau de cercles concentriques et un réseau de droites radiales, de sorte que les bandelettes sont en fait des pistes conductrices, les unes anodiques , les autres cathodiques , dont les projections dans la direction d'observation visuelle se coupent à angles droits.
Comme on l'a vu plus haut à propos des fig. 2 et 3, le tube 30 qui contient les plaques anodiques et cathodiques doit être vide d'air, de sorte que les coques 31 et 32 doivent être suffisamment résistantes pour supporter la pression atmosphérique. Il est apparu, toutefois, que du fait de la forme très plate que doivent revêtir ces coques, il était difficile, lorsque leur dimension devait avoir quelque ampleur, de leur conférer la résistance requise.
C'est pourquoi il est prévu de recourir dans ce cas, à la variante représentée aux fig. 10 à 12. Cette variante se distingue par la présence d'entretoises 70a, 70b, disposées entre les plaques anodiques 1 et cathodiques 2, d'une part, et par la présence d'étais 71a, 71b, 71c,... disposés entre la plaque cathodique 2 et la coque postérieure 32, d'autre part. Comme on le voit aux fig. 1 1 et 12, les entretoises 70a, 70b,... revêtent la forme de potelets perpendiculaires aux plaques anodique et cathodique. Ces potelets prennent pied entre les bandelettes anodiques 4 d'une part, et entre les bandelettes cathodiques 5, d'autre part. Ils sont répartis de manière sensiblement uniforme, par exemple tous les 40 mm, dans tout l'espace compris entre les plaques anodique et cathodique.
Ils sont faits de préférence, en une matière isolante, afin que leur présence ne perturbe par l'émission de champ dont les bandelettes cathodiques 5 sont le siège.
Quant aux étais 71a, 71b, situés entre la plaque cathodique 2 et la coque postérieure 32, ils revêtent, de préférence, la forme de méplats qui sont disposés de manière inclinée par rapport à cette plaque cathodique et par rapport à la coque postérieure 32. Ces méplats sont conducteurs et, de préférence, métalliques; ils sont ancrés dans des creux 72a, 72b... et 73a, 73b..., ménagés dans la plaque cathodique 2 et dans la face interne de la coque 32, et ils sont en contact électrique avec la couche conductrice 36 constituant le blindage qui recouvre cette face interne. Ils sont, de plus orientés de manière que le plan de chacun d'eux passe par la sortie du canon électronique chargé de balayer la zone où ils se trouvent.
Ainsi, le plan du méplat 71a, plan qui est esquissé par le tracé en traits fins interrompus 74a (fig. 10), contient la sortie 75 du canon 18, dont le faisceau 1 9a balaie la zone angulaire 20 dans laquelle se trouve ce méplat. De même pour le méplat 71b, dont le plan esquissé par le tracé en traits fins interrompus 74b, contient la sortie 76 du canon 15 dont le faisceau 16b balaie la zone angulaire 17 dans laquelle se trouve ce méplat. En d'autres termes, la projection des méplats dans le plan de balayage est toujours orientée perpendiculairement au faisceau électronique correspondant, comme cela apparaît plus clairement pour le méplat 71c dont la projection est à angle droit par rapport au faisceau 19c.
En outre, les canons électroniques 15 et 18 sont agencés de manière à fournir des faisceaux électroniques ayant une section droite rectangulaire, allongées selon la direction perpendiculaire au plan de balayage. C'est ce que montre la fig. 12 où l'on voit le contour 78b de la section droite rectangulaire du faisceau 16b, cette section droite rectangulaire étant allongée dans la direction perpendiculaire au plan de balayage schématisé par le tracé 79. La fig. 12 montre également, sous un autre aspect, la manière dont le plan 74b du méplat 71b est situé par rapport à l'axe du faisceau électronique 16b.
Cette forme spéciale de la section du faisceau électronique et cette disposition particulière des méplats font que ce faisceau n'est pas obturé par les étais qui se trouvent sur son trajet: il y a toujours une partie importante du faisceau qui passe de part et d'autre de l'étai, de sorte que ce dernier ne perturbe l'intensité du faisceau que d'une façon négligeable.
Les potelets 70 comme les étais 71 sont, de préférence répartis uniformément dans tout l'espace compris entre les plaques anodiques et cathodiques et, respectivement, dans tout l'espace compris entre cette dernière et la coque postérieure. Il y a donc, en principe, autant de potelets que d'étais. Cependant, il n'est pas indispensable que les potelets soient situés aux mêmes emplacements que les étais, contrairement à ce que peuvent laisser penser les fig. 10 à 12, dans lesquelles cette répartition a été adoptée.
Certains des méplats 71 sont inclinésdans un sens, d'autres sont inclinés en sens opposé. C'est ce que montre la fig. 12 où l'on distingue, derrière le méplat 71b, un autre méplat 71d, lequel est incliné en sens opposé. La répartition des sens d'inclinaison est, en principe, uniforme et il y a, de préférence, autant de méplats inclinés dans un sens que de méplats inclinés en sens opposé.
Comme le montre la fig. 13, les étais peuvent revêtir la forme de portiques triangulaires 80, dont chacun est formé par l'association de deux méplats 81, 82, inclinés en sens opposé, qui constituent les jambes de ce portique. Ces deux méplats sont reliés entre eux à une de leurs extrémités de façon à former le sommet 83 du portique et leurs autres extrémités 84, 85, qui constituent les pieds de ce portique, sont, de préférence, reliés l'un à l'autre par un triant 86 constituant la base du portique. Cette disposition peut être avantageuse en ce sens qu'elle supprime un grand nombre de creux d'ancrage, seuls les sommets devant être ancrés de cette manière.
Les portiques peuvent être placés de manière que leurs bases reposent sur la plaque cathodique 2, leurs sommets étant ancrés dans des creux de la face interne de la coque postérieure ainsi que cela ressort de la fig. 13 ou, au contraire, de manière que leurs bases reposent sur cette face interne, leurs sommets étant alors ancrés dans la plaque cathodique.
Dans la variante pourvue d'entretoises et d'étais, la coque antérieure 31 repose et s'appuie sur la plaque anodique 1, de sorte que les efforts subis par les deux coques sous l'effet de la pression atmosphérique sont supportés par ces entretoises et étais.
On a vu plus haut que pour accroître le pouvoir d'émission par effet de champ que doivent manifester les bandelettes cathodiques 5, il était prévu de recourir à des bandelettes pourvues de pointes, qui peuvent être soit rapportées, soit obtenues par solidification orientée. Or, il a été constaté que ces pointes avaient tendance à être le siège, sous l'effet du champ lui-même, de phénomènes de restructuration qui conduisaient à une diminution de leur rayon de courbure sommital: le potentiel qu'il fallait appliquer pour provoquer l'émission de champ s'en trouvait considérablement réduit.
Ainsi des pointes de tungstène ayant au départ un rayon de courbure sommital de l'ordre de 1 micron, ce qui conduisait à un potentiel d'extraction de l'ordre de quelques kV, voyaient leur rayon de courbure s'abaisser, par restructuration à une valeur sensiblement inférieure, de sorte que le potentiel d'extraction se réduisait à quelques centaines de volts seulement.
Pour remédier à cela, il est prévu, en variante, de recouvrir les pointes, dont le rayon de courbure sommital est de préférence de l'ordre de 0,1 à 1 micron, d'une couche mince (épaisseur de l'ordre de 0,01 micron) d'un isolant dur, tel que de l'oxyde d'aluminium Al203 ou de l'oxyde de tantale Ta205. Les pointes sont formées par érosion électrochimique et l'isolant est déposé soit par déposition réactive de vapeur (technique connue sous la dénomination anglaise Chemical vapor deposition , ou CVD), soit par pulvérisation, simple ou réactive, sous l'effet d'une ou de plusieurs décharges à plasma.
En résumé, le tube vidéo-cathodique ici présenté est destiné principalement à l'affichage d'images de télévision (en noir/blanc ou en couleur) et qui a la forme d'un panneau de faible épaisseur; ce tube est à déflexion électrostatique analogique et à intensité modulable de manière continue entre zéro et une valeur maximale, les signaux de commande de la déflexion et de l'intensité étant de la même nature et du même ordre de grandeur que ceux d'un tube vidéo-cathodique usuel à déflexion électrostatique.
The present invention relates to a video-cathode tube, intended to reproduce in visible form electrical signals representing an image, comprising a hermetic chamber empty of air, delimited by a wall, a portion of which constitutes a transparent window, this chamber containing a layer of at least one luminescent substance, which is carried by a transparent plate and which has an extension substantially equal to that of this window, this layer being visible through this window.
The problem of displaying the information conveyed by a series of electrical signals representing a point analysis of a graphical plot is not new. This display, which is technically designated by the Anglo-Saxon term display, consists in reconstituting in visible form either an image (in black and white or in color), or a linear trace or finally a series of particular linear traces, each of which constitutes an alphanumeric character and the whole of which constitutes a text.
Each point of this image, of this trace or of this character is represented by an electrical signal. Devices operating such a display are known: they are used in particular in television receivers and in data reproduction devices which are fitted to information processing installations.
Most of these devices use cathode ray tubes. However, traditional cathode ray tubes are in an impractical form because they include one or more electron guns, the axis of which is directed perpendicular to the surface on which the reproduction appears. While their useful part, namely the screen, must have an appreciable surface, the thickness which the presence of this or these guns obliges to give to these devices gives them an annoying bulk, which prevents in particular from placing them against a wall. , like a table or to incorporate them into truly portable devices.
We have therefore sought to create devices, called flat display, whose thickness is relatively small compared to the dimensions of the screen, so that their shape approaches that of a somewhat thick table, or, in the case of portable devices, a relatively thin suitcase.
Among the flat devices which are known and which are of the cathode type. it is worth mentioning that which was described by
W.R. Aiken (A thin cathod-ray tube, Proc. IRE 1957, p. 1599).
This device comprises an electron gun which is located behind the screen and which has its axis directed parallel to this screen, and a series of conductive strips intended to cause post-deflection which causes the electron beam coming from the gun to strike the screen at the point desired. This is a device which has the advantage of having good linearity (that is to say, the absence of image distortion), and good definition, but which has two drawbacks, namely:
on the one hand the obligation to generate, during each scan of the screen, a sequence of high voltages which must be applied successively to the various post-deflection electrodes, which poses problems of amplification, switching and synchronization; on the other hand the fact of not being really thin, because the necessities of the deflection prevent its thickness from being less than a quarter of the diagonal of the useful part of the screen, useful part of which the surface is itself substantially less than the apparent surface of the tube.
There are also flat display devices which instead of using one or more cathode beams, exploit the phenomenon of electroluminescence. These devices, various models of which have been reviewed in an article by JJ Joseph (A review of panel-type display devices, Proc. IRE 1960, p. 1380) include an electroluminescent panel whose punctual excitation is provided by one or more. several crossed matrices, of the solid-state type or of the gas discharge type.
These devices, however, have proved unusable for television receivers because of the insufficient light output of the known electroluminescent substances and, above all, the switching problems they pose, since for black and white television alone they should include two switching registers capable of sequentially controlling the voltages applied to the eight hundred lines and eight hundred columns that comprise an excitation matrix.
This means that the flat display problem is far from having obtained a satisfactory solution.
The object of the present invention is a new flat display device, of the cathode beam type, which does not suffer from the drawbacks of known devices. This device is characterized by the fact that this enclosure contains: a first set of conductive tracks isolated from each other
others, arranged on this layer so as to be in contact
with it over their entire length, this set of tracks consti
killing at least one network extending from edge to edge of
this layer; - a second set of conductive tracks isolated from each other
others, oriented in a direction substantially perpendicular
to the first and arranged in a surface parallel to
this layer, this set of tracks constituting a second
network, which is equidistant from the first and which has the same exten
sion than him;
; - a first supply device, modulated by said
signals and capable of sequentially carrying the tracks of the pre
mier network to a first potential; - a second feed device, modulated by said
signals and capable of sequentially carrying the tracks of the
second network with a second potential, negative with respect to the
first,
and by the fact that the material of which the tracks of the
second network is endowed with a power of field emission such
that it is capable of emitting, under the effect of the field created by the
difference between this first and this second potential, electrons
having the energy required to excite said luminescent substance
cente, the whole being so arranged that, seen through said
window and said transparent plate,
the two networks constitute
kill a matrix of crossing points and that the portion of
luminescent substance located at the right of these crossing points
ment lights up according to said signals, all of these
light points constituting said image.
The description which follows relates to a first form
production, given as an example and intended for restitution
a graphic information in black and white, and a second
embodiment, also given by way of example but
destiny. it, to the restitution of graphic information in neck
their of the trichrome type.
This description is illustrated by the accompanying drawing, in
which:
Fig. 1 is a perspective view, partially cut away,
a first embodiment of the internal part of the dispo
sitive.
Fig. 2 is a front view, from the outside, of the device
whole.
Fig. 3 is a section of the entire device, according to
line III-III of fig. 2.
Fig. 4 represents, schematically and on a larger scale,
part of fig. 1.
Fig. 5 is a diagram explaining the operation of the
internal part shown in fig. 1.
Fig. 6 represents a curve relating to the phenomenon phy
sic that the device operates.
Fig. 7 is a front view, from the outside, of a variant
of the device.
Fig. 8 is a perspective view of the second form of
realization, certain elements being represented schematically.
Fig. 9 represents in its actual form, in partial section and
larger scale, one of the elements which is visible in fig. 8 pennies
a schematic form.
Fig. 10 is a front view, similar to FIG. 2 but agran die, showing by transparency a variant of the first execution torme.
Figs. 11 and 12 are sections along lines XI-XI and XII-XII respectively, of FIG. 10.
Fig. 13 is a section similar to that of FIG. 12, but shows a sub-variant.
As shown in the perspective view shown in FIG. 1, the display device comprises a first transparent support plate 1 which is arranged opposite a second support plate 2 which may be opaque. For reasons which will appear later, the support plate 1 will be called the anode plate and the support plate 2 will be called the cathode plate.
The face of the anode plate 1 which is located opposite the cathode plate 2 is coated with a layer 3 of a usual luminescent material (for example a phosphor). On this luminescent layer is arranged a series of fine very thin conductive strips 4, called anode strips, electrically insulated from each other and arranged parallel to each other (in the vertical direction for the example shown).
On the face of the cathode plate 2 is arranged another series of thin conductive strips 5, called cathode strips, electrically insulated from each other and arranged parallel to each other, in a direction perpendicular to the direction of the anode strips (therefore in horizontal direction for the example described). These anode strips have a width of the order of 0.3 mm, a spacing of the order of 0.2 mm and their thickness is of the order of a micron. The cathode strips also have a width of the order of 0.3 mm and a spacing of the order of 0.2 mm; their thickness, on the other hand, is immaterial; in principle it is higher than that of anode strips 4.
The rear face of the cathode plate 2, that is to say the face which is opposite to that which carries the cathode strips 5, is covered with a conductive layer 6 constituting an electrical shielding. The strips 4 are connected to strips 7, which protrude onto the rear face of the cathode plate 2, that is to say the face which carries the shielding 6, and all of these strips 7 constitute a ramp 8 of anode contacts which are aligned along the upper edge of this cathode plate 2, but which do not touch it. In any case, the anode contacts 7 are electrically isolated from the shielding 6 of the cathode plate 2.
The cathode strips 5 are connected to strips 9 which also protrude on this same face of the cathode plate 2 but on the vertical side thereof. The set of these strips 9 constitutes a ramp 10 of cathode contacts which are aligned along the vertical edge of the cathode plate 2 and which are themselves also electrically insulated from the shielding 6 of the latter.
The anode plate 1 also carries an auxiliary strip 11, conductive, arranged through the set of anode strips 4 (therefore in the horizontal direction for the example described) and separated from the latter by a weakly conductive insulation layer 12 having with regard to anode strips for electrical leaks. The cathode plate 2 also carries an auxiliary strip 13, arranged through all of the cathode strips 5 (therefore in the vertical direction for the example described) and separated from the latter by a weakly conductive insulation layer 14 exhibiting at with regard to cathode strips for electrical leaks. Behind the cathode plate 2, in the corner which is opposite both the anode ramp 8 and the cathode ramp 10, are placed two electron guns 15 and 18.
The barrel 15, said to be anode, is pointed towards the middle of the anode ramp 8 and it is equipped with scanning devices (of which only the deflector plates 15 'are shown) requiring its electron beam 16 to sweep this anode ramp, which represents the arrow 17. The barrel 18, said cathode, is pointed towards the middle of the cathode ramp 10 and it is equipped with scanning devices (of which only the deflector plates 18 'are represented) requiring
its electron beam 19 to sweep this cathode ramp, this
represented by arrow 20.
The beam 16 of the anode gun 15 has an energy which falls
in the range where the secondary electron yield of
anode contacts 7 struck by this beam is greater than
unit, so that the contacts of the anode ramp 8 emit
secondary electrons; these are collected by an elec
collector trode constituted by a bar 21 which is connected to an electrical source, not shown, capable of bringing it to a positive potential with respect to the potential of the contacts. This elec
collector trode 21 is located in the shelter of a shield 22 which prevents
that it disturbs the electron beam 16 before it reaches the contacts 7.
Beam 19 from cathode ray gun 18 has an energy which
falls into the range where the secondary electron yield
cathode contacts 9 struck by this beam is less than
unit, so that, under the impact of the beam 19, the contacts of
the cathode ramp 10 become charged with electrons.
The anode 1 and cathode 2 plates are placed opposite each other, their conductive strips 4 and 5 being crossed at 90 "and facing each other at a sufficient distance to allow a potential difference of a few kilovolts to take. birth between the anode strips 4 and the cathode strips 5 without giving rise to an electrical disruption between the latter.
This potential difference results from the positive charge that the anode strips 4 acquire due to the high secondary emission (efficiency greater than unity) of which their contacts 7 are the seat when they are struck by the anode beam 16, and the negative charge that the cathode strips 5 acquire due to the low secondary emission (yield less than unity) of which their contacts 9 are the seat when they are struck by the cathode beam 19.
While the potential of anode strips can reach high positive values (of the order of a few kV), that of cathode strips is limited by itself to low positive values (indeed, a negative potential would repel the beam and cancel out the current transmitted, so that the latter potential can be considered to be practically zero).
The auxiliary strips 1 1 and 13 are connected to external voltage sources (not shown), so as to impose on the anode strips 4 and on the cathode strips 5, respectively, as long as they are not struck by the respective beams 16 and 19, determined potentials depending on the electrical leaks of which the insulation layers 12 and 13 are the seat.
The cathode strips 5 are formed by a material, the nature of which will be specified later, endowed with a strong emission of electrons by field effect, this field being that which results from the difference between the potentials reached by these strips and the anode strips 4 when their contacts are struck by the beams 16 and 19.
The set of two plates, anode and cathode, is enclosed in an envelope of which at least one side is transparent and allows the anode plate and, through it, the layer of luminescent material 3, with which it is coated on its side, to be viewed. internal. This is shown schematically in figs. 2 and 3, where we recognize the envelope 30, formed of two shells 31 and 32 assembled by welding along a peripheral bead 33. Since the front shell 31 must be transparent, there is an advantage in them. both be made of glass: this facilitates welding along the bead 33. It can also be seen that, unlike what has been shown in FIG. 1, the electronic guns 15 and 18 are housed in a base 34 which protrudes outside the general outline of the device and from which the pinouts 35 and 38 emerge.
This is an arrangement which, despite the drawback of constituting a protuberance, facilitates the assembly of the electronic guns, the base 34 being welded afterwards to the casing 30. Finally, it can be recognized in FIGS. 2 and 3, the anode plate 1, the plate
cathode 2, the ramp 10 of the cathodic contacts and, partial
ment, the ramp 8 (not visible in fig. 3) of the anode contacts.
The posterior shell 32 is coated, on its internal face, with a
conductive layer 36 which constitutes a shielding completing the
shield 6 (which is not visible in fig. 3, but which appears in
fig. 1) that the cathode plate 2 carries. In this way, make them
electronic cages emitted by guns 15 and 18 are safe from
external disturbing fields. After welding the hulls 31
and 32, Envelope 30 is emptied of air through a pipe 37.
The cathode strips 5 are made, as we have seen, in a
material endowed with a strong power of emission by field effect.
For this, we can use a nickel base on which are
very many tungsten microtips reported. A
material of this kind was produced by W. P. Dyke and W. W. Dolan
who described it in their Field emission article in Adv.
Electr. Electron. Phys. Flight. 8, 1956, p. 89 and who used it in
the field of electron microscopy. This technique
however leading to a very low population density in
points, of the order of 2 points / mm2 on average, there is an advantage
to use the technique of H. E. Cline (J. Appl. Phys. 41, 76,
1970) which consists of a eutectic alloy of nickel and
tungsten, to subject this alloy to an oriented solidification
in order to develop tungsten whiskers, to carry out a
selective chemical attack to release the mass of nickel
ends of these whiskers and turn them into whiskers, and appoin
firing the tips of these whiskers by electrochemical attack.
With a technique of this kind, it was possible, by a choice
adequate thermal gradient across the solidification front,
to obtain a carpet of spikes whose stand reached a
density from 106 to 107 tips / cm2. Each of these points has
a very strong electronic emission by field effect. Such
material is then cut into strips and these strips are fixed on the cathode plate 2, their faces bristling with points
being directed towards the anode plate 1.
The arrangement described therefore leads to making two crossed networks of rectilinear tracks (in this case the strips) which
are traversed by a current of electrons passing from one to
the other at the place where the tracks cross which are excited
at the instant considered, these excited tracks being defined by the instantaneous position occupied by the two mobile beams coming from the electronic guns. This is schematically shown in fig. 4 where there is shown the anode strips 4a to 4f and the cathode strips 5a to 5e, the contact ramps 8 (anode) and 10 (cathode), respectively, through which the beams 16 and 19, respectively, guns 15 (anode) and 18 (cathode) excite them.
In the situation shown, it is the anode strip 4e and the cathode strip 5d which are excited by the corresponding beams, so that it is at their crossing point 40 that the current is established between the networks; consequently, the phosphorus at this point will light up under the effect of this current, which is represented by the hatching visible in FIG. 4.
It can be seen that the operation of the display device described is based on the mechanism by which an electric current is established between the two guns, via the cathode contacts 9, which have been said to have a yield. in secondary electrons less than unity, cathode strips 5, which were said to be endowed with a high emission power by field effect, anode strips 4 and anode contacts 7 which were said to be 'they were endowed with a secondary electron yield greater than unity. This mechanism therefore needs to be examined more closely.
Fig. 5 shows, developed linearly, the chain of the elements mentioned above. These elements are shown very schematically, but they are easily identified because they are assigned the same reference numbers as above. Let llo be the current conveyed by the cathode beam 19, it the current flowing in that of the cathode strips 5 which corresponds to the cathode contact 9 struck by this beam 19, I the current carried by the electrons emitted by the effect of the field by this cathode strip, 12 the current flowing in that of the anode strips 4 which corresponds to the anode contact 7 struck by the anode beam 16 and 120 the current carried by this beam.
Let V1 be the potential of the cathode contact 9, therefore of the corresponding strip 5, with respect to the cathode 41 of the cathode gun 18, V2 the potential of the anode contact 7, therefore of the corresponding strip 4, with respect to the cathode 42 of the anode gun 15, and suppose that the cathodes 41 and 42 are at the same potential, for example that of the mass. Under these conditions, the potential difference AV which exists between strips 4 and 5 is equal to AV V2-V1, and this value represents the potential of the anode strip measured with respect to that of the cathode strip.
This being the case, the anode current 12 results from the balance between the secondary emission current I2s generated under the effect of the impact of the electrons of the anode beam 16 and the anode beam current I20 which these electrons convey; it is equal to I2 = I2s-I20 This current depends on the potential of the contact 7 according to a law represented by the curve 12 of FIG. 6. This curve is plotted in an I-V diagram in which the zero of 12 has been placed on the V axis.
Under these conditions, points 43 and 44 which, on this curve, correspond to the value a 1 of the secondary electron yield, are located on the abscissa axis. The part of this curve which is located between points 43 and 44, therefore above this axis, corresponds to s> 1; as it is the useful part, it is drawn in solid line. The parts which are located to the left of point 43 and to the right of point 44, therefore below the abscissa axis, corresponding to a <1: they are drawn in broken lines. The leakage currents being assumed to be negligible, the current 12 must, to satisfy the law of conservation of the current, have the same value as the current I resulting from the emission by field effect of the cathode strip 5.
This current varies as a function of the electric field, and therefore of the potential AV, according to a law, called Fowler-Nordheim, which has the shape represented by the curve I in FIG. 6. This curve presents an almost horizontal branch corresponding to practically zero emission and an almost vertical branch which corresponds to a very intense emission as soon as the field exceeds a critical value of the order of 3.107 V / cm which corresponds to a potential Vc. existing between the anode strip 5 and the cathode strip 4. This almost vertical branch intersects the curve I2 at a point 45 which corresponds to the equality of the currents 12 and I and which constitutes the operating point.
The abscissa of this operating point defines the potential V2 (measured with respect to the gun 42) which the anode strip 4 and its contact 7 take in equilibrium; The ordinate of this point defines the current I supplied, at equilibrium, by the field emission of the cathode strip 5, consequently the current li which passes through this strip and its contact 9.
By calling 11s the secondary emission current at contact 9 and taking stock of the currents 11 and 11s which enter this contact and the current llo which leaves it, we find that it = llo-ll5 Now this current li varies according to the law represented by the curve li of FIG. 6, which comprises an ascending branch which corresponds to the single current Iio conveyed by the beam 19 and a curvilinear part which has the same shape as the curve 12 but which has its concavity directed in the opposite direction. This difference arises from the fact that the current 120 is directed in the opposite direction to that of the current lolo.
The ordinate li = 1 = 12 corresponds on this ascending branch to a point 48 whose abscissa defines the potential V1 that the contact 9 must have, at equilibrium, with respect to the cathode 41 of the cathode gun 18. Given that this cathode is also to the mass, one has between the various potentials of the chain 41 and 42 the relation AV = V2 Vl which makes it possible to know, from the values V1 and V2, the tension which appears between the cathode strips and the anode strips when they are made active due to the fact that the cathode and anode beams, respectively, strike the contacts which correspond to them.
Thus, by way of example, for a gold contact, cr> 1 covers the range from 150 V (point 43) to 4 kV (point 44) and its maximum which is worth GmaX = 1.8 is reached for a voltage of 1000 V (point 49). For a beryllium contact, we always have a <1 whatever the voltage, and the maximum amax = 0.5 is reached for a voltage of 200 V (point 50). Similar data can be found for other bodies in Handbook of Vacuum Physics, vol. II, 1966, p. 319 (edited by Pergamon Press).
The electrons emitted by field effect from the cathode strip 5 are accelerated by the potential difference AV, strike the anode strip 4, pass through it slowing down there, and enter part 40 of the phosphor layer 3.
These electrons produce the excitation of this phosphorus, which gives rise to the emission of light represented by flashes 49.
The display device which has just been described offers the advantage of being very flat: its thickness hardly exceeds 30 mm, while its side can reach more than 400 mm. It therefore takes the form of a painting that can easily be hung on the wall. It lends itself to all the uses which relate to the conversion into images of electrical signals and it advantageously replaces all the known cathode-ray devices when it comes to display in clear (that is to say in a manner. visible), alphanumeric information which is encoded in the form of binary electrical signals or when it comes to reproducing television images. In the latter application, the line and raster scans are replaced by the scans of the anode 8 (line) and cathode 10 (raster) ramps, but the scan generators remain the same.
Since it is the gun which has the lowest flow rate which governs the intensity of the current of electrons emitted by field effect, current which determines the luminance of the phosphor, we can modulate this luminance by acting only on this only cannon.
Various variants of the device described can be envisaged.
In particular, the arrangement shown in FIG. 2 obliges to take measures to produce a nonlinear sweep which takes into account that the beams meet their respective contact ramps under a variable oblique incidence: in fact, when it is at the left end of ramp 8 ( as it appears for an observer looking at fig. 2), the beam coming from gun 15 has a normal incidence, while when it is (for the same observer) at the right end of this same ramp, its incidence is close to 45. One can exploit the fact that, in electrostatic deflection, the tangent of the deflection angle is proportional to the deflection voltage.
For this, the guns are arranged so that their axes are parallel to the sides of the anode and cathode plates as appears in FIG. 7, where we see how the guns 15 and 18 can be placed in the lower left corner of the device, pinout 35 against pinout 38.
The device described above can be adapted to color television: it suffices for this to place under each anode strip a phosphor emitting the desired color. Fig. 8 shows, by way of example, how the strips of a device suitable for reproducing trichromatic images with red, blue and green components are arranged. The cathode plate 2 has the same structure as in the previous embodiments: it carries, on its internal face, a series of strips 5 (of the order of 0.2 mm wide) of a material with high emission by field effect and, on its outer face, a conductive coating 6 serving as shielding.
Each strip is isolated from its neighbors, this insulation being constituted here by grooves 51 (of the order of 0.1 to 0.2 mm wide) which notch to a small depth the plate 2 itself, and each strip is linked to a contact
corresponding of the cathode ramp 10. These contacts are dry
matized here by switch pads 52. On the ano plate
dique 1, strips 4 and layers of phosphorus 3 on the
which they rest are grouped three by three in triplets,
such as the triplets 53, 54, 55; in each of these triplets, the first
the first strip is placed on a phosphor with blue emission (B),
the second on a red emission phosphorus (R) and the third
on a green emission phosphorus (V).
The strips 4 and the
phosphorus layers assigned to them are isolated from each other
others by grooves, such as groove 61, which notch
on a shallow depth the anode plate 1 itself. The
blue strips B of each triplet are connected to a ramp of
blue contacts 8 B, the red strips to a ramp of
red contacts 8 R and the green strips to a ramp of
8 V green contacts shown schematically in fig. 8 by com plots
mutators. Each of these ramps is swept by the beam of a
electronic gun, shown here by a mobile armature, with
namely frame 56 for the blue ramp, frame 57 for the
red ramp and frame 58 for the green ramp.
Instead of
to use three separate electronic guns, we can
well only use one gun, but then you have to equip it with a
additional deflection device which brings its beam to
successively sweep ramps 8B, 8R and 8V. That's what
schematizes the additional switch 59, the armature of which
mobile 60 is in contact successively with the pads B, R and V
corresponding to the scan of the blue, red and green ramps.
The image is generated as follows: each point of
this one is constituted by the zone where cross an anode triplet
and a cathode strip; thus the zone 62 where the anode triplet 54 and the cathode strip 63 intersect constitutes a point
of the image, this point being blue, red or green depending on that of the
strips of the anode triplet which is in circuit. In the case illustrated by FIG. 8, this point 62 is red, because the switch
tor 59 is in the red position (R) so that it excites, through the armature 57, the red strip of the triplet 54, the strip which gives rise to an emission of red light coming out of the anode plate 1 by the external face of the latter, as shown schematically by the flashes 64.
In practice, the anode contacts 7 have different lengths depending on whether they are assigned to a blue (B), red (R) or green (V) anode strip. Thus, in fig. 9, for
the triplet 54, the contact 7B assigned to the blue strip B is shorter than the contact 7R assigned to the red strip R, which is shorter than the contact 7V assigned to the green strip.
Masks of insulating material are therefore placed on these contacts so as to leave uncovered only the parts of the latter which protrude from the neighboring contact: thus the insulating mask 65 only leaves uncovered the part of the contact 7R which exceeds the contact 7B and that the part of the 7V contact which exceeds the 7R contact. The blue, red and green contact ramps are formed by the parallel zones 8B, 8R and 8V respectively.
These zones are scanned longitudinally, in directions 66B, 66R and 66V, respectively, by the beams of three guns (not shown but arranged like the barrel 15 of fig. 1, 2 or 7) or by the beam of a single gun. equipped with an additional deflection device which brings the beam of this gun to each of these zones successively.
The role of the anode 1 1 and cathode 13 auxiliary strips, thanks to the electrical leaks of their underlying layers 12 and 14, respectively, to set at a defined value the potential of the anode 4 and cathode 5 strips, respectively, when their contacts are not not affected by the anode 16 and cathode 17 switching beams, respectively.
Provision can be made to give the weakly conductive layers 12 and 14 a nonlinear conduction characteristic of the diode type, for example, by giving them a structure of a double semiconductor layer. Under these conditions, the electrical leaks only arise when the potentials of the bands have a certain sign and are non-existent when these potentials are of the opposite sign.
In the examples described, the anode strips, such as the cathode strips, form orthogonal rectilinear networks. This is the most common case. But we can also ensure that these strips draw other types of orthogonal networks, for example a network of concentric circles and a network of radial lines, so that the strips are in fact conductive tracks, some anode, the other cathodics, whose projections in the direction of visual observation intersect at right angles.
As we saw above with regard to figs. 2 and 3, the tube 30 which contains the anode and cathode plates must be empty of air, so that the shells 31 and 32 must be strong enough to withstand atmospheric pressure. It appeared, however, that because of the very flat shape which these hulls must take, it was difficult, when their size had to be of any size, to give them the required resistance.
This is why it is planned to resort in this case to the variant shown in FIGS. 10 to 12. This variant is distinguished by the presence of spacers 70a, 70b, arranged between the anode 1 and cathode plates 2, on the one hand, and by the presence of props 71a, 71b, 71c, ... arranged. between the cathode plate 2 and the posterior shell 32, on the other hand. As seen in Figs. January 1 and 12, the spacers 70a, 70b, ... take the form of posts perpendicular to the anode and cathode plates. These posts take root between the anode strips 4 on the one hand, and between the cathode strips 5, on the other hand. They are distributed in a substantially uniform manner, for example every 40 mm, in the entire space between the anode and cathode plates.
They are preferably made of an insulating material, so that their presence does not interfere with the field emission of which the cathode strips 5 are the seat.
As for the props 71a, 71b, located between the cathode plate 2 and the posterior shell 32, they preferably take the form of flats which are disposed inclined relative to this cathode plate and relative to the posterior shell 32. These flats are conductive and, preferably, metallic; they are anchored in recesses 72a, 72b ... and 73a, 73b ..., formed in the cathode plate 2 and in the internal face of the shell 32, and they are in electrical contact with the conductive layer 36 constituting the shielding which covers this internal face. They are also oriented so that the plane of each of them passes through the exit of the electronic cannon responsible for scanning the area where they are located.
Thus, the plane of the flat 71a, a plane which is sketched by the line in fine broken lines 74a (FIG. 10), contains the outlet 75 of the barrel 18, the beam 1 of which 9a sweeps over the angular zone 20 in which this flat is located. . Likewise for the flat 71b, the plane of which is sketched by the line in fine broken lines 74b, contains the outlet 76 of the barrel 15, the beam 16b of which sweeps over the angular zone 17 in which this flat is located. In other words, the projection of the flats in the scanning plane is always oriented perpendicular to the corresponding electron beam, as appears more clearly for the flat 71c, the projection of which is at right angles to the beam 19c.
In addition, the electron guns 15 and 18 are arranged so as to provide electron beams having a rectangular cross section, elongated in the direction perpendicular to the scanning plane. This is shown in fig. 12 where we see the outline 78b of the rectangular cross section of the beam 16b, this rectangular cross section being elongated in the direction perpendicular to the scanning plane shown schematically by the line 79. FIG. 12 also shows, in another aspect, the way in which the plane 74b of the flat 71b is situated relative to the axis of the electron beam 16b.
This special shape of the section of the electron beam and this particular arrangement of the flats mean that this beam is not blocked by the props which are on its path: there is always a large part of the beam which passes from side to side. other of the forestay, so that the latter disturbs the intensity of the beam only insignificantly.
The posts 70 like the props 71 are preferably distributed uniformly throughout the space between the anode and cathode plates and, respectively, in the entire space between the latter and the rear shell. There are therefore, in principle, as many posts as there are props. However, it is not essential that the posts are located in the same locations as the props, contrary to what figs may suggest. 10 to 12, in which this distribution has been adopted.
Some of the flats 71 are inclined in one direction, others are inclined in the opposite direction. This is shown in fig. 12 where one distinguishes, behind the flat 71b, another flat 71d, which is inclined in the opposite direction. The distribution of the directions of inclination is, in principle, uniform and there are preferably as many flats inclined in one direction as there are flats inclined in the opposite direction.
As shown in fig. 13, the props may take the form of triangular gantries 80, each of which is formed by the association of two flats 81, 82, inclined in opposite directions, which constitute the legs of this gantry. These two flats are connected to one another at one of their ends so as to form the top 83 of the gantry and their other ends 84, 85, which constitute the feet of this gantry, are preferably connected to one another. by a sorting 86 constituting the base of the gantry. This arrangement can be advantageous in that it eliminates a large number of anchoring hollows, only the tops having to be anchored in this way.
The gantries can be placed so that their bases rest on the cathode plate 2, their tops being anchored in hollows in the internal face of the posterior shell as is apparent from FIG. 13 or, on the contrary, so that their bases rest on this internal face, their tops then being anchored in the cathode plate.
In the variant provided with spacers and props, the front shell 31 rests and rests on the anode plate 1, so that the forces undergone by the two shells under the effect of atmospheric pressure are supported by these spacers and was.
We have seen above that in order to increase the power of emission by field effect that the cathode strips 5 must exhibit, it was planned to use strips provided with points, which can either be attached or obtained by oriented solidification. However, it was found that these points tended to be the seat, under the effect of the field itself, of restructuring phenomena which led to a reduction in their summit radius of curvature: the potential that had to be applied to causing the field emission was considerably reduced.
Thus tungsten points initially having a top radius of curvature of the order of 1 micron, which led to an extraction potential of the order of a few kV, saw their radius of curvature decrease, by restructuring to a significantly lower value, so that the extraction potential was reduced to only a few hundred volts.
To remedy this, provision is made, as a variant, to cover the tips, the apex radius of which is preferably of the order of 0.1 to 1 micron, with a thin layer (thickness of the order of 0.01 micron) of a hard insulator, such as aluminum oxide Al203 or tantalum oxide Ta205. The tips are formed by electrochemical erosion and the insulation is deposited either by reactive vapor deposition (technique known under the English name Chemical vapor deposition, or CVD), or by spraying, simple or reactive, under the effect of one or of several plasma discharges.
In summary, the video-cathode ray tube presented here is intended mainly for the display of television images (in black / white or in color) and which has the form of a thin panel; this tube has an analog electrostatic deflection and an intensity that can be continuously modulated between zero and a maximum value, the signals for controlling the deflection and the intensity being of the same nature and of the same order of magnitude as those of a tube usual electrostatic deflection video cathode.