CN1041972C - 放电元件 - Google Patents

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Abstract

一种放电元件，具有一与电子通道空腔配合工作的阴极，该空腔由二次发射系数为δ的电绝缘材料制成，并具有一输出孔，此外还设有可与电压源连接的电极装置，供工作时往空腔中从阴极至输出孔的通路两端加电场之用，以便使电子可以通过空腔传输。

Description

放电元件
本发明涉及一种包括电子源的放电元件。一般放电元件，例如电子管，不能按定域路径引导电子束，而且它们受到其电子源产生的电子流电流密度有限的局限性。在许多用途中，如果能得到能按定域路径引导电子束或提供电流密度较大的电子流的放电元件，将是很重要的。这类用途，举例说，有电视显象管、电子显微镜、电子束平版印刷机等。
本发明的目的就是要实现这一要求。因此，根据本发明，包括有电子源的放电元件的特点在于其阴极，该阴极具有发射电子用的表面，该阴极工作时与真空电子通道相配合，该电子通道由一个二次电子发射系数为δ的绝缘材料制成的腔壁所界定的空腔形成，空腔有一个输出孔，同时还配置有电极装置，可与电压源连接，工作时用以将场强为E的电场加到空腔中从阴极到输出孔的通路两端，其中δ和E具有能使电子通过空腔传输的值。
本发明是以这样的认识为基础的：只要在空腔的纵向上加上足够强的电场就可以使电子通过电绝缘材料(例如玻璃、陶瓷材料、聚酰亚胺薄膜、酚醛塑料等)制成的腔壁所界定的空腔。这个电场强度值与材料的类型以及空腔壁的几何条件和大小有关。于是电子就通过二次发射过程传输，从而使各电子撞击腔壁时，平均就有一个电子发射出来。
因此可以把情况选择成这个样子，即进出空腔的电子数相等。这样就可形成极其有用的真空电子通道。
如果把阴极安置在电子通道空腔中就可以使本发明的放电元件结构非常简单。这种实施例有意思的地方在于，若使输出孔的表面S(输入)小于阴极发射表面S(阴极)，就可以使离开输出孔的电子电流的电流密度比阴极的电流密度大S(阴极)／S(输出)倍。
不然的话也可以把阴极安置在电子通道空腔外面，空腔的输入孔朝向阴极。在实用的实施例中，发射电子的阴极表面和输入孔的表面大致上是相等的。
为使电子传到一定距离，空腔较实用的形状是长条形。这就是说，电子通道可以是一个直管或是一个弯管。在一个实施例中，从发射表面为S(阴极)的阴极发射出的电子从通道的一侧注入通道中。输入表面为S(输入)。通道某处有一个表面为S(输出)的输出孔。毗邻输出孔外侧设有一个导电电极。传输电子所需要的电场就是借助于电极和阴极之间的电压差△V形成的。鉴于腔壁(实质上)既不能吸收也不能提供任何电流，因此实质上进出电子通道的电子数相等。输出端的电流密度为J(输出)时，(若J(输入)表示输入端的电流密度)下列关系式成立：
Figure 9010405600051
若S(阴极)＞＞S(输出)，则有可能使电流密度获得很大的增量，换句话说，可以这样的方法获取一个能提供大电流密度电流的放电元件。
另一个实施例的特点是，阴极具有调制待发射的电子电流的装置。采取在电流密度小的地方进行调制，调制过程可以比一般类似的(带有例如三极管的)放电管中可能出现的更小的电压摆动进行。
现在参看附图更详细地说明举例说明本发明的上述和其它方面的一些实施例。附图中：
图1是本发明连同一个阴极和一个电子通道的放电元件的一部分的剖面示意图；
图2是图1结构的侧视图；
图3是连同其阴极和另一种电子通道的放电管的剖面示意图；
图4例示电子通道的工作情况；
图5示出了电子通道的另一种实施例；
图6示出了连同一公用阴极的多个电子通道；
图7示出了可用电加以激励的、与具有多个输出孔的电子通道配合工作的一个阴极；
图8示出了多个与可以分别激励的阴极配合工作的电子通道的配置方式；
图9示意示出了装有本发明的放电元件的电子显微镜；
图10示出了带有本发明的放电元件的阴极射线管；
图11A、B和C示出了电子束编址系统的外观；
图12是二次发射系数δ作为适用作本发明的放电元件的材料的一次电子能量EP的函数绘制出的曲线。
图1是电子放电元件1的一部分的示意剖面图，电子放电元件1包括具有灯丝3的阴极2和由基座4支承的放射层5。放射层5的表面为S(阴极)，这个表面面对着电子通道细长空腔10表面为S(输入)的输入孔6，电子通道周围环绕有电绝缘材料制成的通道壁7、8、9。绝缘材料一定要具有较高的电阻(电阻越高，所需的功率就越低)，其二次发射系数δ在一次电子能量EP的至少某个范围EI-EII内应大于1(见图12)。EI最好尽可能低，例如10电子伏特的一倍或几倍。具体地说，玻璃(其EI约为30电子伏特)、陶瓷材料、聚酰亚胺薄膜和酚醛塑料能满足这个要求。其中一个壁(在此情况下为壁8)有一个表面为S(输出)的输出孔11。电极12邻接小孔11(还可参看图2)。电极12与阴极2之间加有电压差△V，供在空腔10的纵向产生电场之用。若此电场的强度足够大(这还取决于壁的材料和空腔10的尺寸)，电子就可以通过(抽了真空的)空腔传输。电子的传输是通过二次发射过程进行的，在二次发射过程中，各电子撞击腔壁时，平均就有一个电子发射出来(图4)。实质上，在输入表面6有多少电子注入空腔10，就有多少电子离开输出孔11，这是因为电绝缘壁的电阻系高得使绝缘壁既不能以相当大的速率产生任何电子也不能释放出任何电子。
因此图1所示的结构是对传输可按多种方式使用的按定域传输的电子流极为有利的一种器件(所谓电子纤维)。
令S(输出)＜＜S(阴极)，输出端11的电流密度J(输出)就会大于阴极2所提供的电流密度J(输入)，于是获得一个可按多种方式使用的电子压缩机。
但在某些用途中，与J／△E成正比的亮度参数B(其中△E是电子的能量分布)是很重要的参数。输出端的亮度为B输出时(设B输入为输入端的亮度)，下列关系式成立：对三极管结构的多数热阴极来说，在小电流时△E大致等于0．2电子伏特，而电流在毫安数量级时，△E可能会增加到大约2电子伏特。在某给定情况下，离开输出孔11的电子的能量分布(△E)(输出)约为4电子伏特。在此情况下，(△E)(输入)／(△E)(输出)的比值约在1／2与1／20之间的范围。因此，若S(输入)／S(输出)＞2至20，则B(输出)＞B(输入)。
本发明的范围包括S(输入)S(输出)=200的电子通道，但还可以包括比此高得多的值。因此亮度增益可以达到100-500。这就是说，我们提出的这种电子压缩机对于在例如电视显象管、投影电视管、电子显微镜、电子束平版印刷机中的应用是非常重要的。
除没有放大作用的电子通道外，本发明还涉及具有放大作用的电子通道。在后一种情况下，通道壁应能供应电流。为此，它们可以具有例如二次发射系数足够高的薄层，从而可以借助于电子倍增法对电流进行放大。但问题在于，迄今已知的二次发射系数足够高的薄层其寿命较短。在某些用途中，这不一定成问题。在那种情况下，输出端的电流密度J(输出)为：
Figure 9010405600081
其中M为用倍增法得出的电流放大系数。同样，在输出端的亮度B(输出)为：
应该指出的是，本发明的放电元件业已能在较差的真空度下工作(假设在输入端的阴极工作)；放电管输入端的电子电流能在远低于一般实用中的电压摆动下加以调制(例如约20伏而不是约150伏)，而且阴极可以是热阴极，也可以是象场发射极或p-n发射极的冷阴极。
图3示出了阴极14和电子通道空腔15与图1的不同的放电元件18。空腔15呈锥形，其输出孔17面向输入孔16。
图5示出了可以极为简单的方法构制的放电元件18，其中阴极19配置在电子通道空腔20中。设有电极22的输出孔23安置在球形外壳壁21中。
图6示出了具有与若干(在这里为3个)电子通道空腔26、26＇、26″配合工作的公用阴极24的电子源27。这种结构可用作例如彩色显象管的电子源，其中空腔26、26＇、26″(经过激励)依次进入电子传输状态，且阴极24所发射的电子电流是经过调制的。不然也可以采用与一电子通道空腔29配合工作的阴极28，这里空腔29不是只具有一个输出孔，而是具有若干(在这里是3个)输出孔30、30＇、30″，这些孔配备有电极31、32和33，可以使它们在电气上任意“断开”或“接通”(图7)。
例如可以采用直的或曲折的、锥形或非锥形的各与自己的阴极或一公用阴极配用的电子通道34、35、36组成的结构，在一个不大的表面上产生一系列电子斑点。图8示出了与电子光学透镜37结合使用的电子通道34、35、36的一种配置方式。在该情况下，电子通道34、35、36具有与阴极结构43配合工作的输入孔44、45、46，阴极结构43包括为三个电子发射极而设的线阴极47，该三个电子发射极可分别借助于可分开加以激励的电极48、48＇、48″激励。这种配置方式用在电子束平版印刷机中有利。
图9示意示出了电子显微镜39，图10则示出了具有作为电子源的上述“电子压缩”式放电元件41和42的(投影)显象管40。能产生大电流密度的电子源供电子显微镜和(投影)显象管使用，非常有好处。
图11a、b和c是电子束编址系统的立面图，该系统在显象中的应用在本发明人同时申请的专利申请……(PHN12．927)中有详细介绍。
在具有后壁54的薄片形结构49的底部附近，有一个设有例如600个能分别加以激励的阴极的阴极装置，例如线阴极55。必要时，可以不用线阴极而采用一系列独立的发射极，例如场发射极或p-n发射极。这些发射极每个只需要供应微微安或毫微安级的电流(根据放大情况而定)，因而多种类型的阴极(冷阴极或热阴极)都适用。这些阴极的发射不能加以调制。在线阴极55正上方配置有一排隔舱56、56＇、56″……等，每个阴极一个隔轮。这些隔轮的壁由例如电阻适合于本发明的目的且二次发射系数δ在某给定的一次电子能量范围内大于e的陶瓷材料或铅玻璃制成。电阻应大到这样的程度，使得当在这些隔舱长度(可以在例如1至1000米的范围)两端加上传输真空电子所需要的电压差时在舱壁中流过尽可能小的电流(例如小于10毫安)。隔舱的阴极侧局部部分的长度两端的电阻可以低于隔舱其余部分两端的电阻(例如低100倍左右)，以便使阴极电流有所放大，但最好使跨于阴极侧局部部分长度两端的电阻也高(具体在106～1015欧的范围)，且所有所要求的电流是从阴极汲取的，从而使传输过程中没有放大作用。各隔舱的其中一个舱壁可以由后壁54构成。在那种情况下，该后壁是例如一扁平衬底，衬底的一个表面中形成有多个平行空腔。
在横切所有隔舱结合在一起的纵向e上加千伏级的电压。在线阴极55与隔舱56、56＇、56″之间加例如50至100伏的电压，电子就从阴极被加速到隔舱，从而在隔舱中产生二次电子。所需要的电压视情况而定，但通常应大于30伏。所产生的二次电子经再次加速后产生新电子。就这样持续下去，直到饱和为止(这个饱和可以是空间电荷饱和和／或可以是因场畸变而产生的)。从开始饱和(这可以很快就达到)起会有恒定的真空电流流过有关的隔舱中(比较图4)。若舱壁材料的电阻足够大，则舱壁不会产生或吸收任何净电流，因而这个电流即使按极其近似地估计也与输入电流相等。若使电场变得大于达到δ有效=1的状态所需要的最小值，则会发生下列情况。δ一旦略大于1，舱壁就被不均匀地充电到带正电的状态(由于电导非常小，这个电荷不会减少)。因此电子会比没有该正电荷存在时更早到达舱壁，换句话说，在纵向上从电场吸收的平均能量会减小，从而自行调整到有效二次发射系数δ有效=1的状态。在这方面是有利的，因为只要电场的准确值大于上述最小值，该准确值本身是不重要的。
面对着后壁54的诸隔舱壁共同构成“激励板”50(也参见图11B)。该板具有小孔58、58＇、58″……等等。此外激励板50外边有一排激励电极59。这排电极59可以按图11b的方式(各电极“跨接”各小孔)或按图11c的方式配置，且可装在有一个电阻分压器的电路中。在激励电极59处于不接通状态时，加上相对于局部隔舱电位的电压-U1，这个电压确保各电极不会在该位置离开隔舱。若必须接通图象扫描行，则加上额外电位+U2。鉴于各隔舱中的电子因与舱壁碰撞而使其速度较低，因而U1和U2可能较低。在某些情况下，U1和U2的值为100V时看来就可得出好结果。
从图11B可以看到，激励电极59从隔舱壁围绕着的电子导向空腔51所吸引的电子可以将其加速使其朝向靶57，这样每次就可以扫描一个图象扫描行。
应该指出的是，原先构成电子束编址组件的结构49(图11A)可以是由一些分立的元件(例如带凹口的后壁54和带孔眼的前板50)构成，也可以由一个构件构成。
此外还应该指出的是，界定着电子通道的壁可以由具结构功能和二次发射功能的电绝缘材料组成。不然的话，它们也可以具结构功能并且其上可敷以具二次发射功能的薄层(例如，石英或玻璃或象MgO之类的陶瓷材料)的电绝缘材料(例如合成材料)构成。

Claims (19)

1．一种放电元件，包括有阴极、真空电子通道和电极装置，该阴极具有发射电子用的表面，该真空电子通道具有输入孔和输出孔，并且该真空电子通道包括由腔壁所界定的空腔，其中，该阴极与该真空电子通道的输入孔配合工作，并且该电极装置可与电压源连接，以便至少在工作时将电场E施加到从阴极到输出孔的通路两端，其特征在于，
该空腔的腔壁包括电绝缘材料；
该电绝缘材料具有二次电子发射系数δ，该系数δ在预定的电子能量范围内具有大于1的值；并且
该电场E的值足以使电子通过所述空腔传输。
2．如权利要求1所述的放电元件，其特征在于，阴极系安置在空腔中。
3．如权利要求1所述的放电元件，其特征在于，阴极系安置在空腔外，且空腔有一个面向阴极的输入孔。
4．如权利要求1、2或3所述的放电元件，其特征在于，空腔呈细长形。
5．如权利要求4所述的放电元件，其特征在于，发射阴极表面面积与输入孔的表面面积至少实质上接近于相等。
6．如权利要求1、2或3所述的放电元件，其特征在于，输出孔表面小于发射阴极表面。
7．如权利要求6所述的放电元件，其特征在于，工作时，离开输出孔的电子束其电流密度大于阴极所发射的电子束的电流密度。
8．如权利要求6所述的放电元件，其特征在于，工作时，离开输出孔的电子束其亮度大于阴极所发射的电子束的亮度。
9．如权利要求1所述的放电元件，其特征在于，阴极设有调制待发射的电子电流的装置。
10．如权利要求4所述的放电元件，其特征在于，该空腔的输出孔系设在纵向延伸的空腔壁中。
11．如权利要求8所述的放电元件，其特征在于，该空腔包括一系列邻接的输出孔，这些输出孔设置在空腔的纵向延伸的腔壁中。
12．如权利要求11所述的放电元件，其特征在于，紧靠和输出孔设有电极，这些电极可与工作时用使各孔在电气上打开或关闭所需用的电压来激励这些电极的激励装置连接。
13．如权利要求12所述的放电元件，其特征在于，激励装置适宜依次激励各输出孔。
14．一种电子束编址系统，其特征在于该系统包括如权利要求4所述类型的多个放电元件，其中相应的纵向延伸空腔壁设有一系列能用电加以激励的孔眼，该一系列眼共同构成一矩阵装置。
15．如权利要求14所述的编址系统，其特征在于，各发射极和各孔眼可与激励装置连接，用以在工作时履行对矩阵装置的逐行扫描工作。
16．一种电视摄像管，其特征在于，包括权利要求14或15中所述的电子束编址系统。
17．一种显象管，其特征在于，它包括权利要求14或15中所述的电子束编址系统。
18．一种电子显微镜，其特征在于，它包括权利要求1至10中之一所述的作为电子源的放电元件。
19．如权利要求1所述的放电元件，其特征在于，多个相同的电子通道共同与所述阴极配合工作，所述电极装置为该多个电子通道所公有。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C15 Extension of patent right duration from 15 to 20 years for appl. with date before 31.12.1992 and still valid on 11.12.2001 (patent law change 1993)
OR01 Other related matters
C17 Cessation of patent right
CX01 Expiry of patent term

Granted publication date: 19990203