CS208751B2

CS208751B2 - Cathode construction

Info

Publication number: CS208751B2
Application number: CS695077A
Authority: CS
Inventors: Robert A Gange
Original assignee: Rca Corp
Priority date: 1976-10-29
Filing date: 1977-10-26
Publication date: 1981-09-15
Also published as: PL201843A1; FR2371769A1; JPS5737207B2; GB1588883A; IT1087811B; CA1098578A; DE2748322A1; PL120544B1; JPS5356961A; NL7711885A; FR2371769B1

Abstract

RCA 68,973/68,973A CATHODE STRUCTURE AND METHOD OF OPERATING THE SAME An insulating substrate is provided with a plurality of discrete electrode pads on a surface thereof. A thermionic line cathode, e.g., a directly heated filament, is positioned to one side of the substrate surface and extends across a surface of each one of the electrode pads. An apertured electrode is positioned in spaced relation to the cathode and the electrode pads. The apertured electrode may include a single slit-shaped aperture or a plurality of colinear apertures. The structure may also include a pair of spaced parallel filter plates whose surfaces are disposed in parallel relation to the longitudinal axis of the line cathode and in orthogonal relation to the surfaces of the electrode pads. The filter plates function to collimate the electron flow emitted from the cathode.

Description

Vynález se týká katodové konstrukce obsahující izolační substrát, termionickou katodu umístěnou k jedné straně alespoň jednoho povrchu izolačního substrátu a děrovanou elektrodou p.vo dosahování elektronové emise z katody. Vynález se týká zejména katodových konstrukcí s přímkovou katodou.The invention relates to a cathode structure comprising an insulating substrate, a thermionic cathode disposed on one side of at least one surface of the insulating substrate, and a perforated electrode to achieve electron emission from the cathode. In particular, the invention relates to straight-line cathode structures.

Katodové konstrukce jsou velmi dobře známy. V nejjednodušší formě konstrukce obsahuje katodu, to jest zdroj elektronů, a několik elektrod v odstupu od katody. Elektrody mají vhodné elektrické potenciály, tak aby řídily tok elektronů emitovaných katodou. Termionická katoda vyžaduje další konstrukce pro její ohřev na dostatečnou teplotu, aby docházelo k emisi elektronů.Cathode structures are well known. In its simplest form, the structure comprises a cathode, i.e. an electron source, and a plurality of electrodes spaced from the cathode. The electrodes have suitable electrical potentials to control the flow of electrons emitted by the cathode. The thermionic cathode requires additional design to heat it to a sufficient temperature to cause emission of electrons.

Konvenční katodová konstrukce je popsána v patentu USA č. 3 772 554. U tohoto typu katodové konstrukce je použTo tří diskrétních katod a tohoto typu je rozsáhle používáno u barevných obrazovek. Přes toto rozsáhlé používání má tato konstrukce různé nevýhody, Jedním problémem je, že řídicí mřížka, to jest první mřížka před katodami, musí být pečlivě v zákrytu s každou katodou. Ale vlivem toho, že tato řídicí mřížka, obecně označovaná jako mřížka Gl, je volně postavena, je dosažení zákrytu velmi těžkým úkolem. Zákryt je dále ztížen skutečností, že tři katody, které jsou v elektronové trysce, samy neleží v jedné . rovině. Také teplo generované každou z katod může · být dostatečně veliké, takže ovlivní pečlivý zákryt tím, že způsobuje malý pohyb mřížky Gl vůči . jedné nebo několika katodám nebo jiným mřížkám.A conventional cathode structure is disclosed in U.S. Patent No. 3,772,554. Three discrete cathodes are used in this type of cathode structure and is widely used in color cathode ray tubes. Despite this widespread use, this design has various disadvantages. One problem is that the control grid, i.e. the first grid in front of the cathodes, must be carefully aligned with each cathode. However, due to the fact that this control grid, commonly referred to as the grid G1, is freely positioned, it is a very difficult task to achieve alignment. The masking is further made more difficult by the fact that the three cathodes that are in the electron gun do not lie in one. plane. Also, the heat generated by each of the cathodes may be large enough to affect careful obscuration by causing little movement of the lattice G1 relative to. one or more cathodes or other grids.

Nevýhody obvyklých katodových konstrukcí jsou ještě vážně . ší, když ' je použito' dlouhého katodového ..zdroje. Například v případě přímkového zdroje elektronů, který . přesahuje vzdálenost tří diod, problémy se zákrytem a teplem se zvětšují. s délkou přímkového zdrOje. Takový přímkový zdroj by byl obzvláště žádoucí pro použití jako katoda ve velkoplošných katodoluminiscenČních zobrazovacích zařízeních. U jedné takové konstrukce by byl přímkový zdroj vhodný pro emitování elektronů selektivně podél jeho délky. To jest, katodový přímkový zdroj by fungoval jako několik diskrétních zdrojů, z nichž každý představuje malý úsek po délce přímkového zdroje. Elektrony emitované zdrojem by pak byly vedeny ke stínítku s fosforem, takže se vytvoří displej.The disadvantages of conventional cathode structures are still serious. when a long cathode source is used. For example, in the case of a linear electron source, which. it extends over the distance of three diodes, the eclipse and heat problems increase. with linear source length. Such a line source would be particularly desirable for use as a cathode in large-area cathodoluminescence imaging devices. In one such construction, a line source would be suitable for emitting electrons selectively along its length. That is, the cathode line source would function as several discrete sources, each representing a small section along the length of the line source. The electrons emitted by the source would then be routed to a phosphor screen to form a display.

Uvedené nevýhody jsou odstraněny u katodové konstrukce podle vynálezu, jejíž podstata. spočívá v tom, že na povrchu izolačního substrátu, jsou alespoň . dvě · diskrétní elektrodové podušky, katoda je uspořádána napříč k povrchu každé z elektrodových po208751 dušek v odstupu od něho a děrovaná elektroda je umístěna v odstupu od katody a elektrodových podušek.These disadvantages are overcome with the cathode structure according to the invention, whose essence. is that on the surface of the insulating substrate, they are at least. two discrete electrode pads, the cathode is arranged transverse to the surface of each of the electrode pads at a distance therefrom, and the apertured electrode is spaced from the cathode and electrode pads.

Tělesným vytvořením katodové konstrukce podle vynálezu se dosáhne, že řídicí elektrodové podušky jsou pevně seřazeny vůči katodě. Tato katodová konstrukce je velmi vhodná pro použití jako zdroj elektronů u velkoplošných plochých katodoluminiscenčních zobrazovacích zařízení.By the physical design of the cathode structure according to the invention, the control electrode pads are fixedly aligned with the cathode. This cathode structure is very suitable for use as an electron source in large area cathodoluminescent imaging devices.

Příklady provedení katodové konstrukce podle vynálezu jsou zobrazeny na připojených výkresech, na nichž na obr. 1 je půdorysný pohled na jedno provedení katodové konstrukce podle vynálezu, na obr. 2 je řez podle čáry 2—2 na obr. 1, na obr. 3 je částečně otevřený perspektivní pohled, znázorňující katodovou konstrukci z obr. 1 a 2, na obr. 4 a 5 jsou schematická znázornění, ukazující rozložení elektrického potenciálu přítomného v katodové konstrukci podle vynálezu během dvoustavového provozu, na obr. 6 je perspektivní pohled, částečně otevřený, s modifikací katodové konstrukce, znázorněné na obr. 1 až 3, na obr. 7 je příčný řez katodovou konstrukcí z obr. 6 podél čáry 7—7, na obr. 8 je schematické znázornění elektronové kolimace dosahované katodovou konstrukcí podle obr. 6 a 7, na obr. 9 a 10 jsou perspektivní pohledy na části jiných modifikací katodové konstrukce podle vynálezu, na obr. 11 a 12 jsou modifikace děrované elektrody v katodové konstrukci podle vynálezu v půdorysném pohledu, na obr. 13 je jiné provedení katodové konstrukce podle vynálezu v příčném řezu, na obr.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT OF THE cathode structure of the invention is shown in the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a plan view of one embodiment of the cathode structure of the invention; FIG. 2 is a sectional view taken along line 2--2 of FIG. 4 and 5 are schematic representations showing the distribution of the electrical potential present in the cathode structure according to the invention during the two-state operation, FIG. 6 is a perspective view, partially open, with the modification of the cathode structure shown in Figures 1 to 3, Fig. 7 is a cross-section of the cathode structure of Fig. 6 taken along line 7-7; Fig. 8 is a schematic representation of the electron collimation achieved by the cathode structure of Figs. Figures 9 and 10 are perspective views of parts of other modifications of the cathode structure according to the invention; 13 is a cross-sectional view of another embodiment of the cathode structure of the present invention; FIG.

je jedno provedení nepřímo žhavené katody, vhodné pro použití u katodové konstrukce podle vynálezu v příčném řezu, na obr. 15 je jiná modifikace katodové konstrukce z obr. 1 až 3 v perspektivním pohledu, částečně znázorněná otevřená, na obr. 16 je katodová konstrukce z obr. 15 v řezu podle čáry 16—16 a na obr. 17 a 18 jsou příklady elektrických propojení vhodných pro použití u katodových konstrukcí podle obr.one embodiment of an indirectly heated cathode suitable for use in the cathode structure of the invention in cross-section, FIG. 15 is another perspective view of the modification of the cathode structure of FIGS. 1 to 3, partially shown open; FIG. Fig. 15 is a cross-sectional view taken along lines 16-16, and Figs. 17 and 18 are examples of electrical connections suitable for use in the cathode structures of Figs.

a 16 v řezu provedeném jak na obr. 16.and 16 in cross-section taken as in FIG. 16.

Na obr. 1 až 3 je znázorněno první provedení 10 katodové konstrukce podle vynálezu. První provedení 10 katodové konstrukce má elektricky izolační substrát 12, jako například křemen, v němž je dutina 14. Povrch na dně dutiny 14 je opatřen několika diskrétními elektrodovými poduškami 16. Je výhodné, když povrch 16a každé elektrodové podušky 16 je koplanární s povrchy 16a druhých elektrodových podušek 16. Každá elektrodová poduška 16 může být opatřena tantalovou vrstvou. Tloušťka tantalové vrsttvy není kritická, typické tloušťky jsou od 3000 A do 5000 A.1 to 3 show a first embodiment 10 of a cathode structure according to the invention. The first embodiment 10 of the cathode structure has an electrically insulating substrate 12, such as quartz, in which the cavity 14. The surface at the bottom of the cavity 14 is provided with several discrete electrode pads 16. It is preferred that the surface 16a of each electrode pad 16 is coplanar with the surfaces 16a of the other. Each electrode pad 16 may be provided with a tantalum layer. The thickness of the tantalum layer is not critical, typical thicknesses are from 3000 A to 5000 A.

Vlákno katody 18 je zavěšeno v dutině 14 a je uspořádáno napříč к povrchům 16a elektrodových podušek 16, takže s různými elektrodovými poduškami 16 jsou sdruženy oddělené části po délce katody 18. Délka vlákna katody 18 je typicky řádu od asi 1 centimetru do asi 1 metru. Katoda 18 může být přímožhavená ve formě vlákna,j ako tungstenové tělísko, které bylo kataforézou pokryto emitujícím uhličitanem. Vhodný emitující uhličitan může obsahovat asi 13 % uhličitanu vápenatého (СаСОз), 31 % uhličitanu strontnatého (SrCO3) a 56 °/o uhličitanu barnatého (ВаСОз). Průměr vlákna katody 18 s emitujícím pláštěm měří asi 0,25 mm. Katoda 18 je udržována na svém místě v dutině 14 tím, že se působí silou na oba konce katody 18 pružinami 20. Pružiny 20 mohou být ze slitiny Haynes číslo 25 o průměru 100 ,am. Pružiny 20 mohou být předpjaty na tah 0,38 kg, čímž se vlákno 18 vystaví napětí 470 MPa.The cathode filament 18 is suspended in the cavity 14 and is disposed across the surfaces 16a of the electrode pads 16, so that separate portions along the length of the cathode 18 are associated with the various electrode pads 16. The cathode filament length 18 is typically of the order of about 1 centimeter to about 1 meter. The cathode 18 may be rectilinear in the form of a filament, such as a tungsten body, which has been covered by cataphoresis by an emitting carbonate. A suitable emitting carbonate may contain about 13% calcium carbonate (СаСОз), 31% strontium carbonate (SrCO3), and 56% barium carbonate (ВаСОз). The fiber diameter of the cathode 18 with the emitting sheath is about 0.25 mm. The cathode 18 is held in place in the cavity 14 by applying a force to both ends of the cathode 18 by springs 20. The springs 20 may be of Haynes number 25 alloy with a diameter of 100, am. The springs 20 may be biased to a tension of 0.38 kg, thereby subjecting the fiber 18 to a stress of 470 MPa.

V odstupu od katody 18 je umístěna elektroda 22, v níž je otvor 24, přičemž katoda 18 je uzavřena mezi elektrodovými poduškami 16 a děrovanou elektrodou 22. Otvor 24 děrované elektrody 22 je proveden jako jediná štěrbina. Děrovaná elektroda 22 může být z jakéhokoliv dobře elektricky vodivého materiálu, který může být patřičně zpracován. Například jedna taková elektroda 22 s otvorem 24 může být z poniklované beryliové mědi. Co se týče vzájemných vztahů, poměr odstupu mezi elektrodou 22 s otvorem 24 a katodou 18 к odstupu mezi katodou 18 a elektrodovými poduškami 16 činí typicky nejméně 10 : 1. Například u jednoho provedení činí vzdálenost mezi katodou 18 a elektrodovými poduškami 16 100+25 a vzdálenost mezi katodou 18 a elektrodou 22 s otvorem 24 2500+^m.Spaced apart from the cathode 18 is an electrode 22 having an aperture 24 therein, the cathode 18 being enclosed between the electrode pads 16 and the apertured electrode 22. The aperture 24 of the apertured electrode 22 is formed as a single slit. The apertured electrode 22 may be of any well electrically conductive material that may be appropriately processed. For example, one such electrode 22 with aperture 24 may be nickel-plated beryllium copper. With respect to the relationships, the spacing between the electrode 22 with the aperture 24 and the cathode 18 to the spacing between the cathode 18 and the electrode pads 16 is typically at least 10: 1. For example, in one embodiment, the distance between cathode 18 and electrode pads 16 is 100 + 25; the distance between the cathode 18 and the electrode 22 with the aperture 24 of 2500 + .mu.m.

Při provozu katodové konstrukce 10 je katoda 18 udržována na zvýšené teplotě, například 760 °C, čímž dochází к emisi elektronů. Když je požadováno vysílání elektronů otvorem 24, jsou katoda 18 a elektrodové podušky 16 udržovány na zemním napětí, dále definovaném jako 0 voltů, zatímco elektroda 22 s otvorem 24 je udržována na hodnotách v rozsahu od asi +10 voltů stejnosměrných do asi +100 voltů stejnosměrných v závislosti na specifických rozměrech a na požadované úrovni maximální emise. Za těchto podmínek teče elektrodou 22 s otvorem 24 po celé délce katody 18 proud. To se uvažuje jako stav katody 18 „zapnutý“. Vysílání elektronů otvorem 24 elektrody 22 může být jednoduše řízeno změnou elektrického potenciálu na jedné nebo několika elektrodových poduškách 16, to jest tím, že se elektrodové podušky 16 učiní zápornějšími vůči katodě 18. Například při děrované elektrodě 22 pod napětím +100 voltů stejnosměrných elektrodová poduška 16 na asi —90 voltech stejnosměrných způsobí, že elektrony emitované na katodě 18 jsou tam zachycovány. To je pokládáno za stadium katody 18 „vypnuté“. Obecně je zánikové napětí velikosti stejného řádu jako napětí přiložené na děrovanou katodu 22. Působení elektrodových podušek 16 při řízení katody je takové, že elektrodové podušky 16 lze také nazývat řídicími poduškami 16.In operation of the cathode structure 10, the cathode 18 is maintained at an elevated temperature, for example, 760 ° C, thereby causing emission of electrons. When it is desired to transmit electrons through the aperture 24, the cathode 18 and the electrode pads 16 are maintained at ground voltage, hereinafter defined as 0 volts, while the electrode 22 with the aperture 24 is maintained at values ranging from about +10 volts DC to about +100 volts DC. depending on the specific dimensions and the required level of maximum emission. Under these conditions, a current flows through the electrode 22 with the aperture 24 along the entire length of the cathode 18. This is considered to be cathode state 18 on. The transmission of electrons through the electrode aperture 24 can be simply controlled by varying the electrical potential on one or more electrode pads 16, i.e., making the electrode pads 16 more negative to the cathode 18. For example, a perforated electrode 22 under +100 volts DC electrode pad 16 at about -90 volts DC causes electrons emitted on cathode 18 to be trapped there. This is considered to be cathode 18 off. Generally, the leakage voltage is of the same order of magnitude as applied to the apertured cathode 22. The action of the electrode pads 16 in controlling the cathode is such that the electrode pads 16 can also be called control pads 16.

U katodové konstrukce 10 je každá poduška 16 na svém pevném místě vůči katodě 18, takže řízení nahoře popsané může být dosaženo vhodným přikládáním žádaného elektrického potenciálu na jednu nebo několik řídicích podušek 16. V důsledku toho katoda 18, to jest její souvislé vlákno, je efektivně přeměněna na více malých katod, z nichž každá je řízena jedinou řídicí poduškou 16 s ní sdruženou. Řídicí podušky 16 mohou být vytvořeny fotolitograficky a jsou umístěny na tepelně stálém izolačním substrátě, takže lze snadno dosáhnout jejich seřazení vůči celé katodě 18 a/nebo . otvoru 24. V důsledku toho jsou řídicí podušky 16 rovněž seřazeny vůči každé malé katodě, pojaté do katody 18. U této konstrukce je důležité poznamenat, že řídicí podušky 16, které jsou znázorněny jako umístěné v pozadí katody 18 fungují jako ekvivalent obvyklé řídicí mřížky, která je typicky umístěna před katodou. To jest, řídicí mřížka v obvyklé elektronové trysce i řídicí podušky 16 v konstrukci podle vynálezu, řídí tok elektronů z katody. Ale je zde význačný rozdíl. Katodová konstrukce znázorněná na obr. 1 až 3 značně minimalizuje problémy se seřazením, které jsou vlastní obvyklým katodovým konstrukcím.In the cathode structure 10, each cushion 16 is in its fixed position relative to the cathode 18 so that the control described above can be achieved by suitably applying the desired electrical potential to one or more control cushions 16. Consequently, the cathode 18, i.e. its continuous filament, is effectively converted into a plurality of small cathodes, each of which is controlled by a single control pad 16 associated therewith. The control pads 16 may be photolithographically formed and are placed on a thermally stable insulating substrate so that alignment thereof with respect to the entire cathode 18 and / or can be easily achieved. As a result, the control pads 16 are also aligned with each small cathode accommodated in the cathode 18. In this construction, it is important to note that the control pads 16, shown as located in the background of the cathode 18, function as equivalent to a conventional control grid, which is typically located upstream of the cathode. That is, the control grid in a conventional electron gun and the control pad 16 in the structure of the invention control the electron flow from the cathode. But there is a significant difference. The cathode structure shown in Figures 1 to 3 greatly minimizes alignment problems inherent in conventional cathode structures.

Také by mělo být nyní poznamenáno, že řízení dříve popsané je dosti neočekávané, to . jest, u katodové konstrukce podle tohoto vynálezu zvětšení záporného potenciálu, na elektrodě umístěné za katodou, způsobuje snížení otvorového proudu. Obecně očekávaným výsledkem by bylo, že zvýšení záporného potenciálu, na elektrodě umístěné za. katodou, by způsobilo zvýšení otvorového proudu vlivem toho, že elektrony emTorované katodou jsou odpuzovány záporným potenciálem elektrody.Also, it should now be noted that the control previously described is quite unexpected, that is. that is, in the cathode structure of the present invention, increasing the negative potential at the electrode downstream of the cathode causes a reduction in the orifice current. A generally expected result would be that an increase in the negative potential on the electrode placed behind. the electrode emitted by the cathode are repelled by the negative potential of the electrode.

Toto neočekávané chování při řízení u katodové konstrukce podle vynálezu může být vysvětleno pomocí rozložení elektrického potenciálu zde přítomného. Toto rozložení elektrického potenciálu je znázorněno schematicky na obr. 4 a 5 s použitím pryžového modelu. Diskuse o použití pryžového modelu pro zobrazení rozložení potenciálu je obsažena v Electron Optics and the Electron Microscope, Zworykin a jiní, John Wiley, Nový York, strany 418 až 442 (1945).This unexpected steering behavior of the cathode structure according to the invention can be explained by the distribution of the electrical potential present here. This electrical potential distribution is shown schematically in Figures 4 and 5 using a rubber model. A discussion of the use of a rubber model to display potential distribution is contained in Electron Optics and the Electron Microscope, Zworykin et al., John Wiley, New York, pages 418-442 (1945).

Na obr. 4 lze vidět, že ve stavu „zapnuto“ s katodou a řídicími poduškami na zemním potenciálu (0 voltůj, je rozložení elektrického potenciálu takové, že elektrony emitované na katodě jsou přitahovány k elektrodě s otvorem a pak jí procházejí. Ale na obr. 5 lze vidět, že ve stavu „vypnuto“ s řídicí poduškou dostatečně zápornou vůči katodě (-5 V stejnoměrných), je rozložení elektrického potenciálu takové, že elektrony emitované na katodě jsou obklopeny potenciálovou jámou. . Potenciálová jáma je dostačující velikosti, aby elektronům emitovaným na katodě bylo značně bráněno opustit katodu. Nutno poznamenat, že existuje podmínka, která musí být splněna, aby mohlo dojít k nahoře popsanému stavu „vypnuto“. Nezbytnou podmínkou je, aby katoda při nulovém potenciálu byla umístěna dostatečně blízko řídicí podušky se záporným předpětím, tak aby prostorová oblast, v níž je umístěna, byla jinak zápornou, kdyby zde katoda nebyla. Je-li tato podmínka splněna, řídicí poduška se záporným předpětím vyvolává potenciálové minimum umístěné kolem katody, která je udržována na zemním potenciálu, to jest 0 V stejnosměrných. Tedy tak dlouho, jak je tato podmínka plněna, může být odstup mezi prvky a napětí libovolně měněno, přičemž se zachovávají dříve popsané stavy „vypnuto“ a „zapnuto“.Figure 4 shows that, in the "on" state with the cathode and control pads at ground potential (0 volts, the electrical potential distribution is such that the electrons emitted on the cathode are attracted to the electrode with the orifice and then pass through it. 5 it can be seen that in the off state with the control pad sufficiently negative to the cathode (-5 V DC), the potential distribution is such that the electrons emitted at the cathode are surrounded by a potential pit. It is important to note that there is a condition that must be met in order for the above-described “off” condition to occur. A prerequisite is that the cathode, at zero potential, be positioned close enough to the negative cushion control pad. , so that the spatial area in which it is located is different If this condition is met, a negative bias control pad produces a potential minimum located around the cathode that is maintained at ground potential, i.e., 0 V DC. Thus, as long as this condition is met, the spacing between the elements and the voltage can be varied at will, while maintaining the previously described "off" and "on" states.

Katodová konstrukce podle vynálezu dovoluje, aby bylo dosaženo modulace přídavně k základnějším stavům „zapnuto“ a „vypnuto“. Například řízení šířkou impulsů je jedním vhodným prostředkem pro měnění množství elektrického náboje, který prochází děrovanou elektrodou. Při řízení šířkou impulsů se doby stavu katody „zapnuto“ mění v souhlase s požadovanou změnou náboje. U této formy řízení náboje zvětšování doby stavu „zapnuto“ zvětšuje množství náboje, který prochází děrovanou elektrodou. Opačně snižování doby stavu katody „vypnuto snižuje náboj, který prochází děrovanou elektrodou. Budiž poznamenáno, že emise stavu „zapnuto“ je zcela Jednotná, vzhledem k jednotnému odstupu katody od otvoru a jevu prostorového náboje.The cathode structure according to the invention allows modulation to be achieved in addition to the more basic "on" and "off" states. For example, pulse width control is one suitable means for varying the amount of electrical charge that passes through the apertured electrode. In pulse width control, the cathode on state "on" times change in accordance with the desired charge change. In this form of charge control, increasing the on time condition increases the amount of charge that passes through the apertured electrode. Conversely, decreasing the cathode off time reduces the charge that passes through the apertured electrode. It should be noted that the emission of the "on" state is completely uniform, given the uniform distance of the cathode from the aperture and the spatial charge phenomenon.

Na obr. 6 a 7 je znázorněna modifikace dříve popsané katodové konstrukce. Konstrukce je v podstatě stejná jako konstrukce dříve popsaná vyjma toho, že . obsahuje dvě paralelní filtrové desky 26 v odstupu od sebe. Filtrové desky 26 jsou umístěny na stěnách dutiny 14 a mají povrchy 26a, které mají ortogonální vztah k povrchu 16a řídicích podušek 16 a vztah rovnoběžnosti s podélnou osou katody 18.6 and 7 show a modification of the previously described cathode structure. The construction is substantially the same as that previously described except that. it comprises two parallel filter plates 26 spaced apart. The filter plates 26 are disposed on the walls of the cavity 14 and have surfaces 26a that are orthogonal to the surface 16a of the control pads 16 and have a parallelism relationship to the longitudinal axis of the cathode 18.

U jednoho výhodného provedení filtrové desky mohou být ze stejného materiálu jako řídicí podušky 16. Při provoze konstrukce, znázorněné na obr. 6 a 7., filtrové desky 26 mohou být udržovány na slabě kladném potenciálu, například +5 voltů stejnosměrných proti zemnímu potenciálu (0 voltů) katody 18. Při těchto pracovních parametrech filtrové desky 26 slouží k odstranění nekolimovaných eletronů (e_n~) z děrované elektrody 22, jak znázorněno schematicky na obr. 8. Alternativně filtrové desky mohou být provozovány se záporným potenciálem, čímž se zvětší ohnisko elektronového svazku děrovanou elektrodou (neznázorněnou).In one preferred embodiment, the filter plates may be of the same material as the control pads 16. During operation of the structure shown in Figures 6 and 7, the filter plates 26 may be maintained at a weakly positive potential, for example +5 volts DC against ground potential (0). At these operating parameters, the filter plate 26 serves to remove non-collimated eletrons (e _n ~) from the apertured electrode 22, as shown schematically in FIG. 8. Alternatively, the filter plates may be operated at a negative potential, thereby increasing the focus of a beam with a perforated electrode (not shown).

Budiž podotknuto, že napětí ' na filtrových deskách 26 může mýt nastaveno, tak, aby se dosáhlo specifického ohniska nebo kolimace vytaženého svazku elektronů. Toto řízení může být užitečné při přizpůsobování katodové konstrukce konstrukci použité pro vedení elektronů k zobrazovacímu stínítku.It should be noted that the voltage on the filter plates 26 can be adjusted to achieve a specific focus or collimation of the extracted electron beam. This control may be useful in adapting the cathode structure to the structure used to guide the electrons to the display screen.

Nutno uvést, že u dříve popsaných katodových konstrukcí, znázorněných na obr. 6 a 7, vysoká aktivace katody a provozní teploty 1100 °C a 760 °C vyžadují pečlivý výběr filtrové desky a materiálu substrátu. Také z důvodů dále diskutovaných pro zlepšení práce katody je žádoucí, aby elektrický měrný odpor filtrových desek byl nízký, to jest kolem 64,516 ohmů na čtvereční milimetr. Ačkoliv, jak dříve konstatováno, pro řídicí podušky může být použito tantalu, takový materiál, je-li použit pro filtrové desky, nemusí mít za výsledek optimální výkon katody vlivem jeho poměrně vysokého elektrického měrného odporu.It should be noted that in the previously described cathode structures shown in Figures 6 and 7, high cathode activation and operating temperatures of 1100 ° C and 760 ° C require careful selection of the filter plate and substrate material. Also, for reasons discussed further to improve the cathode operation, it is desirable that the electrical resistivity of the filter plates be low, i.e., about 64.516 ohms per square millimeter. Although, as previously stated, tantalum can be used for control pads, such a material, when used for filter plates, may not result in optimal cathode performance due to its relatively high electrical resistivity.

Jeden materiál filtrové desky, který vykazuje výhodný nízký elektrický měrný odpor a teplotní slučitelnost, má tantalovou vrstvu silnou 2500 A, použitou jako nárazníkovou vrstvu, na níž je vodivý materiál obsahující 95 % molybdenu a 5 % steatitu. Vodivý materiál je žíhán při 1300 °C v tvářecí plynové atmosféře, nasycené 10 % vody. Výsledná vodivá vrstva má měrný odpor asi 64,516 ohmů na čtvereční milimetr.One filter plate material that exhibits advantageous low electrical resistivity and temperature compatibility has a 2500 A tantalum layer used as a buffer layer on which is a conductive material containing 95% molybdenum and 5% steatite. The conductive material is annealed at 1300 ° C in a forming gas atmosphere saturated with 10% water. The resulting conductive layer has a resistivity of about 64.516 ohms per square millimeter.

U katodové konstruce podle vynálezu je obecně žádoucí, aby se udrželo řízení katody každou z diskrétních řídicích podušek, zajistit, aby ' žádné usazeniny z emitující katody nevytvářely vodivé cesty mezi sousedními řídícími elektrodovými poduškami. Tyto napařené usazeniny se všeobecně vytvářejí při provozu kysličníkových katod.In the cathode structure of the invention, it is generally desirable to maintain the control of the cathode by each of the discrete control pads, ensuring that no deposits from the emitting cathode form conductive paths between adjacent control electrode pads. These steam deposits are generally formed during the operation of the oxide cathodes.

Jedním prostředkem pro zabránění tomu, aby se tvořily . tyto vodivé cesty, je vytvoření drážek 28 v povrchu ' substrátu · mezi sousedními řídícími poduškami 16, jak znázorněno na obr. 9. . Drážky 28 tvoří diskontinuity mezi sousedními elekrodovými · poduškami 16. Výhodné jsou drážky 28· se stěnami 28a v pravém úhlu k povrchům · 16a elektrodových podušek 16, protože takové drážky silně brání vytváření vodivých cest mezi sousedními elektrodovými poduškami. Bylo shledáno, že všeobecně vyhovují drážky 28, jejichž hloubka je řádu od 0,13 do 0,25 mm.One means to prevent them from forming. These conductive paths are the formation of grooves 28 in the substrate surface between adjacent control pads 16, as shown in Figure 9. The grooves 28 form discontinuities between adjacent electrode pads 16. The grooves 28 with walls 28a at right angles to the electrode cushion surface 16a are preferred because such grooves strongly prevent the formation of conductive paths between adjacent electrode pads. It has been found that grooves 28 having a depth of the order of 0.13 to 0.25 mm are generally suitable.

V některých případech dochází k nežádoucí interakcí sousedními svazečky elektronů, vytvářenými elektrodovými poduškami 16 podél katody. Tato nežádoucí interakce vzniká vlivem elektrického potenciálu jedné elektrodové podušky, ovlivňující oblast sousední elektrodové podušky. Jedním prostředkem pro redukování této nežádoucí interakce je umístění izolačních elektrod 30 mezi elektrodovými poduškami 16, jak je znázorněno na obr. 10.In some cases, unwanted interaction occurs with adjacent electron beams generated by the electrode pads 16 along the cathode. This undesirable interaction is due to the electrical potential of one electrode pad affecting the area of the adjacent electrode pad. One means of reducing this unwanted interaction is by placing insulating electrodes 30 between the electrode pads 16, as shown in Figure 10.

Je výhodné zapustit elektrodové podušky 16 vůči izolačním elektrodám 30, aby se zabránilo tomu, aby se vytvářely zkraty mezi izolačními elektrodami 30 a elektrodovými poduškami 16. V důsledku zapuštění jsou izolační podušky 30 blíže katodě (nenaznačené) než elektrodové podušky 16.It is preferred to embed the electrode pads 16 relative to the insulating electrodes 30 to prevent short circuits between the insulating electrodes 30 and the electrode pads 16. As a result of the recessed, the insulating pads 30 are closer to the cathode (not indicated) than the electrode pads 16.

Při provozu konstrukce, znázorněné na obr. 10, mají izolační elektrody 30 záporné předpětí vůči katodě, například —30 V stejnosměrných, čímž jsou vtroušeny bariérové oblasti záporného potenciálu po délce katody. Tento záporný potenciál je superponován na potenciálu, který obklopuje katodu, takže čistý potenciál je transformován ' do střídajících se segmentů vyšší a nižší intezity pole po délce katody.In operation of the structure shown in FIG. 10, the insulating electrodes 30 have a negative bias to the cathode, for example -30 V DC, thereby breaking the negative potential barrier regions along the cathode length. This negative potential is superimposed on the potential that surrounds the cathode, so that the net potential is transformed into alternating segments of higher and lower field intensities along the cathode length.

Tímto způsobem jsou elektrodové podušky 16 účinně navzájem izolovány oblastmi přibližně konstantní intenzity pole, vytvářenými izolačními elektrodami 30. Tyto střídající se segmenty záporného potenciálu pó délce katody slouží k odstranění vazby mezi sousedními svazečky elektronů, které jsou extrahovány z katody.In this way, the electrode pads 16 are effectively insulated from each other by regions of approximately constant field strength generated by the insulating electrodes 30. These alternating negative-potential segments of the cathode length serve to remove bonding between adjacent electron beams that are extracted from the cathode.

Navíc, ač děrovaná elektroda 22 je znázorněna s jedním otvorem 24, vytvořeným jako plynulá štěrbina, jsou možné modifikace. U každé modifikace · však je nezbytné, aby · děrovaná elektroda ' byla schopna vytvářet vhodné rozložení potenciálu vůči katodě, takže může nastat extrakce elektronů. Například děrovaná elektroda 22 může mít více, v podstatě kolineárních otvorů 24, ·jak znázorněno na obr. 11. Nebo děrovaná elektroda může být tvořena několika dráty, jak znázorněno na obr. 12. Nuže, děrovaná elektroda může mít formu kteréhokoliv elektricky vodivého materiálu majícího . otvory, jimiž mohou procházet elektrony.Moreover, although the apertured electrode 22 is shown with one aperture 24 formed as a continuous slot, modifications are possible. For each modification, however, it is necessary that the apertured electrode is able to produce a suitable potential distribution relative to the cathode so that electron extraction can occur. For example, the apertured electrode 22 may have a plurality of substantially collinear apertures 24, as shown in FIG. 11. Or, the apertured electrode may be formed of multiple wires as shown in FIG. 12. Well, the apertured electrode may take the form of any electrically conductive material having . holes through which electrons can pass.

Ač dříve popsaná katodová konstrukce měla elektrické podušky, které byly umístěny bočně ke katodě mimo děrovanou elektrxlu ‘(obr. 1 až 3, 6 a 7), jsou také možné modifikace. Ale u každé modifikace je nezbytné, aby relativní odstup a orientace prvků byly takové, aby elektrodové podušky byly schopny vytvářet potenciálovou jámu kolem katody. Například u katodové konstrukce znázorněné na obr. 13 jsou elektrodové podušky 16 umístěny k jedné straně katody 18, ale blíže k děrované katodě 22.Although the previously described cathode structure had electric pads that were located laterally to the cathode outside the perforated electrode (Figs. 1 to 3, 6 and 7), modifications are also possible. However, for each modification, it is necessary that the relative spacing and orientation of the elements be such that the electrode pads are capable of forming a potential pit around the cathode. For example, in the cathode structure shown in FIG. 13, the electrode pads 16 are positioned to one side of the cathode 18, but closer to the apertured cathode 22.

Aby . se docílil v podstatě jednotný proud po délce katody u dříve popsaných konstrukcí, je nezbytné, aby potenciálový rozdíl mezi katodou a děrovanou elektrodou byl v podstatě jednotný po délce katody. Ale protože, jak dříve popsáno, katoda je zahřívána tím, že jí prochází proud, objevuje se potenciálový gradient napříč délky katody. Tento potenciálový gradient je nežádoucí, protože mění hodnotu extrakce potenciálu podél přímkové katody a proto velikost extrahovaného proudu.Order. In order to achieve a substantially uniform current over the cathode length of the previously described structures, it is necessary that the potential difference between the cathode and the apertured electrode be substantially uniform over the length of the cathode. However, since, as previously described, the cathode is heated by passing current, a potential gradient occurs across the cathode length. This potential gradient is undesirable because it changes the value of potential extraction along the line cathode and therefore the magnitude of the extracted current.

Napěťový . gradient, který se objevuje napříč délky katody, může být eliminován použitím filtrových desek nahoře popsaných jako topných prvků. To je možné proto, že dutina substrátu je obklopena elektrodovými poduškami a. děrovanou elektrodou takovým způsobem, že funguje jako · účinná pec.Voltage. a gradient that occurs across the cathode length can be eliminated by using the filter plates described above as heating elements. This is possible because the substrate cavity is surrounded by electrode pads and a perforated electrode in such a way that it functions as an efficient furnace.

Jiným přístupem k problému napěťového gradientu žhavicího vlákna, který se jeví napříč délky katody, je použití nepřímožha208751 vené katody o malém katodovém odporu. Taková konstrukce 31 může obsahovat ' žhavicí prvek 32, jako wolframový drát, koncentricky obalený tělesem 34 z izolačního materiálu, jak znázorněno na obr. 14. Těleso 34 z izolačního materiálu je obaleno vodivým tělesem 36, které je opět obaleno vrstvou 38 emitujícího materiálu.Another approach to the problem of the filament voltage gradient that appears across the length of the cathode is to use an indirect cathode of low cathodic resistance. Such a structure 31 may comprise a heating element 32, such as tungsten wire, concentrically wrapped with an insulating material body 34 as shown in FIG. 14. The insulating material body 34 is wrapped with a conductive body 36, which is again wrapped with a layer 38 of emitting material.

Vodivé těleso 36 funguje jako prostředek pro vytvoření žádaného elektrického potenciálu pro nepřímo žhavenou katodu. Napěťový gradient, který se objevuje napříč délky žhavicího prvku 32, je izolován od emitujícího povrchu katody izolačním tělesem 34. Nepřímožhavená přímková katoda 31 může pak být považována za fungující jako přímožhavená katoda, vyjma toho, že vykazuje v podstatě konstantní napětí podél své délky.The conductive body 36 functions as a means to create the desired electrical potential for the indirectly heated cathode. The voltage gradient that occurs across the length of the heater element 32 is isolated from the emitting surface of the cathode by an insulating body 34. The non-fired line cathode 31 can then be considered to function as a rectangular cathode, except that it exhibits a substantially constant voltage along its length.

Jak dosud popsáno stran katodové konstrukce podle vynálezu, kde elektrodové podušky 16 jsou umístěny za katodou (obr. 1 až 3] nebo k jedné straně katody (obr. 13j, je velikost napětí potřebného pro dosažení bodu zániku silně funkcí průměru katody. Přesněji, čím větší je průměr katody, tím je větší požadované napětí bodu zániku.As previously described on the side of the cathode structure according to the invention, wherein the electrode pads 16 are located behind the cathode (Figs. 1 to 3) or to one side of the cathode (Fig. 13j), the magnitude of voltage required to reach the point of extinction is a the larger the cathode diameter, the greater the required break point voltage.

U některých aplikací tento pevný vztah mezi průměrem katody a napětím bodu zániku může být nežádoucím.In some applications, this fixed relationship between the cathode diameter and the decay point voltage may be undesirable.

Jedna variace katodové konstrukce 110, která minimalizuje závislost napětí bodu zániku na průměru katody, je zobrazena na obr. 15 a 16. Katodové! konstrukce 110 může mlt všechny prvky dříve popsaných katodových konstrukcí podle obr. 1 až 3, ale je zde několik změn. Nejdůležitější změna se týká počtu a umístění elektrodových podušek 16.One variation of the cathode structure 110 that minimizes the dependence of the point of extinction on the cathode diameter is shown in Figures 15 and 16. construction 110 can accommodate all elements of the previously described cathode structures of Figs. 1-3, but there are several changes. The most important change concerns the number and positioning of the electrode pads 16.

U tohoto provedení přímková katoda 18 je mezi dvěma soustavami elektrodových podušek 116, přičemž elektrodové podušky 116 každé soustavy jsou umístěny proti sobě. Jak u dřívějších provedení, jsou oddělené části přímkové katody 18 sdruženy s různými proti sobě ležícími dvojicemi elektrodových podušek 116. Každá z elektrodových podušek 116 má dvojici koncových částí 116e, které leží mimo obvod katody 18. Je výhodné umístit za katodu 18 vodivou zadní desku 120, aby se zajistilo, aby elektrický potenciál v oblasti za katodou byl dobře definován.In this embodiment, the straight-line cathode 18 is between two sets of electrode pads 116, the electrode pads 116 of each assembly being opposed. As in the earlier embodiments, the separate portions of the straight cathode 18 are associated with different opposing pairs of electrode pads 116. Each of the electrode pads 116 has a pair of end portions 116e that lie outside the periphery of the cathode 18. It is preferable to place a conductive backplate 120 to ensure that the electrical potential in the region behind the cathode is well defined.

Na obr. 17 a 18 jsou znázorněny příklady elektrického spojení použitelného u katodové konstrukce podle vynálezu. Nutno uvést, že je výhodné pro každou protilehlou dvojici elektrodových podušek 116, aby byly elektricky navzájem spojeny, z důvodů dále pro10 diskutovávaných ve spojení s funkcí katodové konstrukce.Figures 17 and 18 show examples of electrical connections applicable to the cathode structure of the invention. It should be noted that it is advantageous for each opposing pair of electrode pads 116 to be electrically connected to each other for reasons discussed further in connection with the function of the cathode structure.

Na obr. 17 je katodová konstrukce opatřena průchodkovou kontaktní svorkou, která prochází substrátem 12 a jé ve styku s jednotlivými elektrodovými poduškami 116. Průchodkové kontaktní svůrky 122 mají části 122a, které vedou kf -společné vstupní svorce 122b. Na obr. 18 izolační substráty 212 a 214, ' ležící v odstupu proti sobě, mají proti sobě v odstupu ležící izolační povrchy 212a a 214a, na nich jsou umístěny elektrodové podušky 116. Třetí izolační substrát 216 je umístěn mezi substráty 212 a 214, ležícími proti sobě a kolmo k nim. Třetí substrát 216 má povrch 216a, na němž je vodivá zadní deska 120. U této konstrukce ' jsou ' kontaktní svorky 218 připojeny k částem 116a elektrodových podušek, které leží za katodou 18.In Fig. 17, the cathode structure is provided with a lead-in contact terminal that extends through the substrate 12 in contact with the individual electrode pads 116. The lead-in contact terminals 122 have portions 122a that lead to a common input terminal 122b. Referring to FIG. 18, the spaced-apart insulating substrates 212 and 214 have spaced insulating surfaces 212a and 214a on which electrode pads 116 are disposed. A third insulating substrate 216 is disposed between the substrates 212 and 214, respectively. against each other and perpendicular to them. The third substrate 216 has a surface 216a on which the conductive back plate 120 is provided. In this construction, the contact terminals 218 are attached to the electrode pad portions 116a that lie behind the cathode 18.

Při provozu katodové konstrukce 100 na obr. 15 a 16 přikládají se modulační potenciály na oddělené dvojice protilehlých elektrodových podušek 116 podle požadovaného výstupu katody. Všimněte si, žé to jé poněkud odchylné od dřivě popsané kátodové konstrukce, u níž modulační potenciály byly přikládány na jednotlivé elektrodové podušky. Vlivem skutečnosti, že katoda 18 na obr. 15 a 16 je obklopena elektrodovými poduškami 116, je pro dosažení bodu zániku třeba u srovnatelného průměru katody poměrně menších napětí ve srovnání s dříve popsanou katodovou konstrukcí podle obr. 1 až 3. Tato - situace je žádoucí z různých důvodů. Jedním důvodem je, že snížená ’ závislost napětí bodu zániku na průměru katody umožňuje použití katod větších průměrů, které vyžadují nižší hustotu emisního proudu a proto vykazují delší životnost katody pro danou aplikaci. Také použití katody o větším průměru má za následek nižší odpor katody a proto snížený potenciálový gradient způsobovaný napětím . žhavicího vlákna u přímožhavené katody.15 and 16, modulation potentials are applied to separate pairs of opposing electrode pads 116 according to the desired cathode output. Note that this is somewhat different from the previously described catheter structure in which the modulation potentials were applied to individual electrode pads. Due to the fact that the cathode 18 in FIGS. 15 and 16 is surrounded by electrode pads 116, relatively lower voltages are required for a comparable cathode diameter compared to the previously described cathode structure of FIGS. 1 to 3. This situation is desirable for various reasons. One reason is that the reduced dependence of the point of disappearance on the cathode diameter allows the use of larger diameter cathodes that require lower emission current density and therefore exhibit longer cathode life for the application. Also, the use of a larger diameter cathode results in a lower cathode resistance and therefore a reduced potential gradient due to voltage. a filament filament for a straight-through cathode.

Nutno si všimnout, že katodové konstrukce znázorněné na obr. 16 až 18 mohou být měněny. Mezi modifikacemi je i ' provedení s elektrodovými poduškami, ležícími jen za jednou stranou katody, to jest stranou extrakce. Mezi modifikacemi ínohou být variace dříve popsané v souvislosti s katodovou konstrukcí podle obr. 1 až 3, 9 až 12 a 14. Například, jak dříve prodiskutováno, děrovaná elektroda 22 může být volně měněna a dokonce vyloučena, pokud je použito nějakého prostředku pro dosažení elektronové emise z katody.It should be noted that the cathode structures shown in Figures 16-18 can be varied. Among the modifications is an embodiment with electrode pads lying only one side of the cathode, i.e. the extraction side. Among the modifications may be variations previously described in connection with the cathode structure of Figs. 1 to 3, 9 to 12, and 14. For example, as previously discussed, the apertured electrode 22 may be freely changed and even eliminated when some means of achieving electron cathode emissions.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A cathode structure comprising an insulating substrate, a thermionic cathode disposed on one side of at least one surface of the insulating substrate, and an apertured electrode for achieving electron emission from the cathode, characterized in that on the surface [212a, 214a] of the insulating substrate (12, 212, 214) there are at least two discrete electrode pads (16, 116), the cathode (18, 31) is disposed transversely to the surface (16a) of each of the electrode pads (16, 116) spaced therefrom, and the apertured electrode (22, 22a) is disposed in a distance from the cathode (18, 31) and the electrode pads (16, 116).

2. The cathode structure according to claim 1, wherein the cathode (18, 31) is linear between the apertured electrode (22, 22a) and the electrode pads (16, 116).

Cathode structure according to Claim 2, characterized in that the ratio of the spacing between the perforated electrode (22, 22a) and the cathode (18, 31) and the spacing between the cathode (18, 31) and the electrode pads (16, 116) is at least about 10: 1.

The cathode structure according to claim 2, characterized in that adjacent electrode pads (16, 116) are electrically insulated from each other.

The cathode structure according to claim 2, characterized in that at least one insulating electrode (30) is arranged between adjacent electrode pads (16).

6. The cathode structure of claim 2, wherein said filter plate (26) has at least two filter plates (26) spaced apart, each filter plate (26) having at least one surface (26a) perpendicular to the surfaces (16a). The electrode pads (16) and parallel to the longitudinal axis of the linear cathode (18, 31) and the filter plate (26) are arranged between the cathode (18, 31) and the apertured electrode (24).

Cathode structure according to Claim 6, characterized in that the filter plates (26) are arranged on the insulating substrate (12).

Cathode structure according to claim 7, characterized in that the insulating substrate (12) comprises quartz, the filter plates (26) have a tantalum buffer layer and the buffer layer has a conductive layer of molybdenum and steatite.