DD153018A5 - Kathodenstrahlroehre - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlroehre und bezieht sich auf Massnahmen zum Unterdruecken von Ueberschlaegen in der Roehre, insbesondere von Ueberschlaegen im Hals einer Kathodenstrahlroehre, die einen durch Isolatorstaebe gehaltenen Elektrodenaufbau enthaelt. Gemaess der Erfindung ist hierbei zumindest ein Teil (43a,43b) der dem Roehrenhals(13) zugewandten Oberflaeche jedes der die Elektroden aufnehmenden Haltestaebe (23a,23b) aus elektrisch isolierendem Material elektrisch leitend. Hierbei besteht zweckmaessig jeder der elektrisch leitenden Teile (43a,43b) im wesentlichen aus einem Metallbelag, der an der Oberflaeche eines Haltestabes haftet.

Description

Kathodenstrahlröhre

Anv;endtiiip;sp:ebiet der Erfindung: - ""

Die Erfindung "betrifft eine Kathodenstrahlröhre und "bezieht sich auf Maßnahmen zum Unterdrücken von Überschlägen in der Röhre, insbesondere von Überschlägen im Hals einer Kathodenstrahlröhre, die einen durch Isolatorstäbe gehaltenen Elektrodenaufbau enthält. Charakteristik^ der bekannten technischen Lösungen; Eine Farbfernseh-Bildröhre ist eine Kathodenstrahlröhre mit einem evakuierten Glaskolben, der ein einen Leuchtschirm tragendes Sichtfenster hat und einen Hals aus Glas aufweist, in dem ein Strahlsystem-Aufbau. untergebracht ist, um einen oder mehrere Elektronenstrahlen zur selektiven Abtastung des Leuchtschirms zu erzeugen. Jedes einzelne Strahlsystem setzt sich zusammen aus einer Kathode und mehreren weiteren Elektroden, die, im Abstand hintereinanderliegend, als Einheit durch mindestens zwei langgestreckte, axial orientierte Haltestäbe zusammengehal-

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werden, bei welchen es sich gewöhnlich um Glasschmelzstücke 'handelt. Die Haltestäbe haben ausgedehnte Oberflächenbereiche, die der inneren Oberfläche des gläsernen Röhrenhalses zugewandt sind und in dichtem Abstand dazu liegen. Die Haltestäbe erstrecken sich gewöhnlich vom Bereich nahe dem Röhrenfuß, wo die umgebenden elektrischen Felder gering sind, bis zum Bereich derjenigen Elektrode, an die das höchste Betriebspotential gelegt 'wird und wo die umgebenden elektrischen Felder während des Betriebs der Röhre.stark sind. Die Zwischenräume zwischen den Haltestäben und den Innenflächen des Röhrenhalses bilden Kanäle, in denen Leckströme vom Bereich des Röhrenfußes bis hoch in den Bereich der mit dem höchsten Potential beaufschlagten Elektrode fließen können. Diese Leckströme gehen einher mit einem blauen Glimmen im Glas des Röhrenhalses, mit einer Aufladung der Halsoberfläche und mit Lichtbogenbildung oder "Überschlägen im Hals. Das treibende Feld für diese Ströme ist die Längskomponente des elektrischen Feldes im besagten Kanal.

Es sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden, um diese Leckströme fernzuhalten oder zu vermindern. Beläge auf dem Glas des Röhrenhalses können Überschläge nur teilweise verhindern und brennen durch, wenn tatsächlich einmal ein "Überschlag stattfindet. Ein im Kanal eingebrachter Draht oder Streifen aus Metall (denAufbau teilweise oder vollständig umgebend) ist ebenfalls, nur zum Teil wirksam, weil er häufig infolge seiner begrenzten Ausdehnung in Längsrichtung überbrückt bzw. nebengeschlossen wird, ferner weil der begrenzte Zwischenraum zwischen den Haltestäben und der Halswandung KurzSchlußprobleme mit sich bringt, und schließlich weil häufig eine Feldemission von der Metal!struktur stattfindet. Es ist die Aufgabe der Erfindung, Überschläge in der Röhre wirksamer zu verhindern.

Darlegung; des ^esens der Erfindung:

Die Erfindung geht aus von einer Kathodenstrahlröhre, die einen evakuierten EoITden mit einem Hals aus Glas oder anderem Isolatormaterial sowie einen Strahlsystem-Aufbau aufweist, der mehrere, an mindestens zwei Haltestäben oder Stützen aus Glas oder anderem elektrisch isolierendem Material gehaltene Elektroden enthält und im Hals der Röhre untergebracht ist, wobei die Haltestäbe in nahem Abstand zur Innenseite des Röhrenhalses liegen. Die.obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Haltestab auf seiner der Wandung des Röhrenhalses zugewandten Oberfläche ein elektrisch leitendes Gebiet hat, das z.B._o durch einen Metallbelag gebildet sein kann. Die leitenden Gebiete seien vorzugsweise ohne festes Potential ("elektrisch schwimmend"),, sie können aber auch •mit einer Elektrode des Aufbaus verbunden oder an eine feste Spannung angeschlossen sein. Vorzugsweise verdünnen sich die leitenden Gebiete zu ihren Rändern hin, insbesondere zu denjenigen Rändern, welche zu der das höchste Potential führenden Elektrode weisen.

Jedes leitende Gebiet hat die Wirkung, das längsgerichtete elektrische Feld im zugehörigen Kanal zu neutralisieren und damit den Längsstrom im betreffenden Kanal zu reduzieren, zumindest so weit, daß "Überschläge praktisch verhindert werden. Jedes leitende Gebiet beansprucht in jeder seiner möglichen Formen nur ein Minimum an Raum. Durch das Verjüngen der Dicke des Gebiets auf einen dünnen glatten Rand läßt sich die vom leitenden Gebiet ausgehende Feldemission auf unerhebliche Werte reduzieren, so daß das Gebiet sehr nahe an die das höchste Betriebspotential führende Elektrode reichen kann, wodurch die Unter- drückung von Durchschlägen noch besser wird.

Aiigf uhr Li ngsbei spiele:

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen. näher erläutert.

Figo 1 (auf Blatt 1) zeigt, teilweise aufgebrochen, den Hals einer Kathodenstrahlröhre, die gemäß einer "bevorzugten Ausführungsform_: der Erfindung ausgebildet ist;

Pig. 2 (auf Blatt 1) ist eine Schnittansicht gemäß der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 (auf Blatt 1) zeigt, teilx^eise aufgebrochen, eine Ansicht des Röhrenhalses gemäß der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 (auf Blatt 2) zeigt in einer graphischen Darstellung einige Bedingungen für Sekundäremission an einer Glasoberfläche;

Fig. 5 (auf Blatt 2) veranschaulicht in einer schematischen Darstellung eine "an der Innenwandung des Röhrenhalses hochwändernde Elektronenlawine;

Fig. 6 (auf Blatt 3) zeigt mittels einer Kurven vergleichend die Wahrscheinlichkeiten für Überschläge unter vier verschiedenen Umständen;

Fig. 7 (auf Blatt 2) ist eine Teilansicht des Halses einer Kathodenstrahlröhre und veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung.

In den Fig. 1, 2 und 3 sind strukturelle Einzelheiten -des Halses einer speziellen Farbfernseh-Bildröhre vom Schatten-

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maskentyp dargestellt. Die Struktur dieser Kathodenstrahlröhre, bei der es sich um eine Rechteckröhre der Größe 25 V mit 110°-Ablenkung handelt, ist mit Ausnahme des Strahl syst em-Auf "baus herkömmlicher Art.

Die Kathodenstrahlröhre hat einen evakuierten Glaskolben 11, bestehend aus einer rechteckigen !Frontplatte (nicht dargestellt), einem sich an die Frontplatte dichtend anschließenden Röhrentrichter (ebenfalls nicht dargestellt) und einem sich an den Trichter einstückig anschließenden Röhrenhals 13» Ein Glasfuß 15, durch den mehrere Zuleitungen oder Stifte 17 hindurchgeführt sind, ist vakuumdicht an den Hals 13 angesetzt und schließt das eine Ende des Halses ab« Mit den Stiften 17 ist außerhalb des Kolben? 11 ein Sockel 19 zusammengefügt. Die Frontplatte der Röhre hat ein Sichtfenster, das auf seiner inneren Oberfläche einen Leuchtschirm aus Leuchtetofflinien trägt. Die Leuchtstofflinien des Schirms laufen in Richtung der kleineren Hauptachse des Schirms, die im !Tormalfall der Vertikalrichtung des wiedergegebenen Bildes entspricht.

Zentral innerhalb des Röhrenhalses 13 sitzt ein durch Haltestäbe zusammengehaltener Strahlsystem-Aufbau 21, der drei Zweipotential-Strahlsysteme in sogenannter Inline-Anordnung enthält, um drei Elektronenstrahlen zu erzeugen und sie auf koplanaren Wegen konvergierend zum Leuchtschirm zu senden. Der Aufbau enthält zwei Haltestäbe oder Stützen 23a und 23b aus Glas, welche die ver-.schiedenen Elektroden halten, um eine zusammenhängende Einheit zu bilden, wie es allgemein bekannt ist. Diese Elektroden umfassen drei Kathoden 25 (,jeweils eine zur Erzeugung jeden Strahls), die in gemeinsamer Ebene

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("koplanar") lind in Querrichtung im wesentlichen gleich "beabstandet angeordnet sind, ferner eine Steuergitter-Elektrode (auch als G^-Elektrode bezeichnet) 27, eine Schirmgitter-Elektrode (auch als Gg-Elektrode"bezeichnet) 29, eine erste Beschleunigungs- und Fokussierung^elektrode (G^-Elektrode) 31, eine zweite Beschleunigungs- und Fokussierungselektrode (G₂.-Elektrode) 33 und·schließlich einen Abschirmbecher 35· Diese Elektroden werden in der genannten Reihenfolge durch die Haltestäbe 23a und_; 2'3b in der genannten Reihenfolge im Abstand hintereinander gehalten. Die verschiedenen Elektroden des Strahlsystem-Aufbaus 21 sind mit den Stiften 17 elektrisch verbunden, entweder direkt oder über Metallstreifen 37. Der Aufbau 21 wird * in einer vorbestimmten Position im Röhrenhals 13 auf den Stiften 17 und mit Hilfe von Anlagestücken 39 festgehalten, wobei letztere gegen einen elektrisch leitenden inneren Belag 4-1 an der Innenfläche des Halses 13 drücken und Kontakt damit bilden. Der innere Belag 4-1 erstreckt sich über die innere Oberfläche des Trichterteils der Röhre und ist mit einem Hochspannungsanschluß (nicht dargestellt) verbunden.

Jeder der Haltestäbe 23a und 2pb ist ungefähr 10 mm breit und 25 mm lang und hat auf einem Teil seiner Oberfläche, die der inneren Oberfläche 4-5 des Röhrenhalses 13 im Abstand zugewandt ist, ein elektrisch leitendes Gebiet oder Pflaster 43a und 4-3b. Beim hier beschriebenen Beispiel ist jedes Gebiet 43a und 43b ein Belag aus Ghrommetall, der nach dem Zusammensetzen des Aufbaus im Vakuum aufgedampft wurde. Jedes leitende Gebiet 4-3a und 43b hat eine im wesentlichen rechteckige Eorm mit. einer Länge von etwa . 15 mm und einer Breite von etwa 10 mm, die der vollen Breite des betreffenden Haltestabes entspricht. Jedes

Gebiet ist etwa 1000 $. dick, mit Ausnahme an den· Rändern, wo es auf eine Dicke von etwa 500 §. verjüngt ist. Jedes leitende Gebiet ist "elektrisch schwimmend", d.h. ohne festes Potential. Jedes Gebiet hat einen spezifischen Widerstand' (Elächenwiderstand) von etwa 50 Ohm pro Quadrat, gemessen mit Silberpaste-Kontakten, die entlang dem oberen und unteren Rand des Gebiets in einem gegenseitigen Abstand von etwa 12 mm angelegt wurden.

Zum normalen Betrieb der Röhre können an die Stifte 1? und an den inneren Belag 4-1 (über den Hochspannungsanschluß) Betriebsspannungen gelegt werden, und zwar typischerweise weniger als 100 Volt an die G^-Elektrode, etwa 600 Volt an die Gg-Elektrode, etwa 5000 Volt an die G₅-Elektroae und etwa 30 000 Volt an die G^-Elektrode. Wegen der beschriebenen Struktur mit den Haltestäben' verhalten sich die Bereiche zwischen den Stäben -und'dem Röhrenhals, die im folgenden kurz als "Hinterstabkanäle" 4-7 bezeichnet werden, anders als die Bereiche zwischen dem Röhrenhals und den anderen Teilen des Strahl syst eia-Aufbaus, die im folgenden "Seitenkanäle" genannt werden und in den Zeichnungen mit der Bezugszahl 4-9 bezeichnet sind. Wenn die Röhre in Betrieb ist und keine leitenden Gebiete 4-3a und 4-3b vorhanden sind, dann erscheinen Lichtbogenentladungen (Überschläge), falls sie auftreten, in den Hint er stabkanälen 4-7. Sind die leitenden Gebiete jedoch vorhanden,'wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt, dann v/erden Überschläge, in diesen Kanälen praktisch völlig unterdrückt .

Bei Strahlsystem-Aufbaüten des oben beschriebenen Typs sind mehrere verschiedene Arten von Durchschlagserscheinungen beobachtet worden. Je nach Art der zu treffenden

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vorbeugenden Maßnahmen kann man diese Erscheinungen in zwei Hauptklassen einteilen, nämlich erstens Überschläge direkt von einer zur anderen Metallelektrode (hauptsächlich zwischen der G,- und der G^-El ektro de und in geringerem Maß zwischen der G₂-'und der G^-Elektrode) und zweitens Überschläge, bei denen Isolatoren^ (hauptsächlich das Glas des Röhrenhalses) als vermittelndes Medium beteiligt sind.

Ein direkter Überschlag von Elektrode zu Elektrode hat seine Ursache gewöhnlich darin, daß an einer Elektrode ein oder mehrere kleinste vorstehende Teile (Mikrospitzen) oder Staub vorhanden ist oder daß Materiepartikel von einer auf die andere Elektrode überwandern«, Scharfe Spitzen oder Kanten und Schweißspritzer an der G^-Elektrode können kalte Emission (Feldemission) hervorrufen, die zu Durchbruchserscheinungen führt. Die.hauptsächliche vorbeugende Maßnahme hiergegen ist eine Hochspannungsbehandlung, in erster Linie das sogenannte "elektrische Putzen" (spot knocking), bei dem intensive Entladungen zum Schmelzen, Verdampfen oder Abstumpfen "scharfer Spitzen führen. Die Hochspannung spürt auch Staub und andere Partikel auf, und diese werden zerstäubt oder zu weniger beanspruchten Bereichen des Strahlsystems transportiert. Bei dem gewöhnlichen elektrischen Putzen können auf polierten Oberflächen Krater mit scharfen Rändern zurückbleiben, insbesondere an Stellen, die den Randfeldern ausgesetzt sind. Durch elektrisches Putzen unter Hochfrequenz lassen sich Krater wegwischen, womit eine viel glattere Oberfläche erhalten wird. Wenn man bei der Herstellung von Bildröhren ohne elektrisches Putzen auskommen will, dann muß man bei der Bearbeitung und Handhabung der Teile sehr pedantisch vorgehen, außerdem muß das Zusammenbauen des Strahlsystems

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und sogar die Herstellung in hochreinen Räumen erfolgen. Dieses Vorgehen-wäre extrem kostspielig. Somit, ist das elektrische Putzen nicht nur eine hervorragende Methode zum Unterdrücken der Überschläge von Elektrode zu Elektrode, sondern es ist auch -kosteneffektiv.

Ein Überschlag, der über das Glas des Röhrenhalses geht, setzt eine Aufladung der Innenfläche des Ealsglases voraus, und ihm voran geht gewöhnlich ein gut sichtbares blaues Glimmen des Glases. Diese Erscheinung kann am oberen Ende '"und an den Planschteilen der G^-Eiektrode auftreten und kann durch wirksames elektrisches Putzen unter Hochfrequenz (HF-Putzen) verhindert werden. Eine ernstere Form der Glasüberschläge wird durch kalte Emission (Feldemission) im Fußbereich des Strahlsystems verursacht, wo das elektrische Putzen weniger wirksam ist. Man nimmt an, daß sich ein Glasüberschlag durch folgende Kette von Ereignissen ergibt:

(1) Wegen der kleinen, aber endlichen Leitfähigkeit ,,,des Glases des Röhrenhalses macht sich die an die G^-Elektrode gelegte Spannung (etwa 30 kV) an der Stelle gegenüber dem unteren Teil des Strahlsystems fühlbar.

(2) Wenn in diesem Bereich Spitzen oder VorSprünge vorhanden sind, schlagen Elektronen, die von diesen Punkten durch Feldemission ausgesandt v/erden, gegen das Glas des Röhrenhalses.

(3) Es findet eine Sekundärelektronenemission und eine Elektronenaufladung am Röhrenglas statt, was dazu führt, daß Elektronenlawinen längs des Röhrenglases laufen, und zwar in erster Linie entlang dem relativ abgesondert liegenden Hinterstabkanal, der zwischen dem Haltestab und dem Röhrenglas gebildet

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ist. Diese Lawinen, die das blaue Glimmen des Glases infolge Elektronenbombardierung verursachen, enden an einer Stelle gegenüber der G₂,-Elektrode. Die Lawinen können ziemlich stabil sein und führen Leckströme bis zu einigen wenigen Mikroampere während der gesamten Lebensdauer der Kathodenstrahl- - röhre«

(4) Die in den Lawinen längs des Glases fließenden Elek-

tronen können zur Desorption der '·. am Glas absorbierten Gasatome führen. Dieses Gas kann durch die Elektronen ionisiert werden, und die Ionen können unter'dem Einfluß der vorhandenen elektrischen Felder zur Peldemissionsquelle wandern und dort eine verstärkte Emission hervorrufen (lonenrückkopplung). Auf diese Weise kann der Zustand "durchgehen", was schließlich zum Überschlag (Lichtbogenbildung) führt.

Nachdem sich der Überschlag gelöscht hat, wird das Gas aus dem Hinterstabkanal abgezogen, das Glas wird entladen, und die ganze Abfolge der Ereignisse (1) bis (4) kann sich wiederholen. Nach jedem Überschlag werden jedoch die vorhandenen Feldemissionsquellen stumpfer, auch kann das . Glas des Röhrenhalses dabei mehr und mehr entgast werden. Es ist also möglich, daß sich die Röhre durch solche Überschläge selbst stabilfeuert, wie es häufig beobachtet wird.. Ein solches Stabilfeuern ist jedoch ein Prozeß, der viel Zeit verbraucht, da jeder Zyklus von Aufladung und Überschlag minutenlang bis zehnminutenlang dauern kann.

Im Prinzip eignet sich zur Verhinderung von Überschlägen jede Maßnahme, die irgendeines der Ereignisse im Verlauf des Auflade-Überschlag-Zyklus verhindert. Nachfolgend ' seien einige solcher vorbeugender Maßnahmen angeführt.

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Zunächst könnte man durch Verwendung eines Glases niedriger Leitfähigkeit, also eines im wesentlichen ionenfreien Glases, die Stärke des am unteren Ende des Strahlsystems vorhandenen elektrischen Feldes klein halten. Da jedoch aus verschiedenen praktischen Gründen für den Bau des Kolbens ionenreiches Glas erforderlich ist-, wird man diese Lösung nicht praktizieren können. Eine zweite Möglichkeit wäre, durch das Fehlen jeglicher Feldemissionszentren zu verhindern, daß sich Elektronenlawinen aufbauen. Hierzu müssen Mikrospitzen vermieden werden, was" eine pedantische Genauigkeit und Mühe beim Herstellen und Zusammensetzen der Teile erfordert. Ein rigoroses elektrisches Putzen im Bereich des Fußes wird kaum möglich sein, da elektrische Felder dort nicht gut durchdringen und weil empfindliche Teile (Heizung und Dichtungen) in diesem Bereich die Behandlung einschränken. Ein Säubern dieses Bereichs diirch Anwendung der Zerstäubungstechnik im Wege der Röhrenbehandlung ist nicht zu empfehlen, da die starke Materialabtragung, die hierbei zum Abstumpfen von Emissionszentren erforderlich wäre, zu Leckproblemen im Fuß führen würde. Eine andere Möglichkeit wäre, das oben.beschriebene Stabilfeuern der Köhre'durch Laserzündung zu beschleunigen, jedoch müssen hierzu notwendigerweise spezielle Emissionszentren eigens aufgesucht werden, was sehr zeitraubend, und daher ungeeignet für die Massenfertigung ist. Drittens ist vorgeschlagen worden, Hindernisse' im Ves der Elektronenlawinen längs des Glases vorzusehen. Solche Hindernisse (sogenannte "Suppressoren") haben sich als wirksames Mittel erwiesen, um die Bildung von Lawinen zu verhindern« Ein Suppressor kann aus einem Metalldraht oder -streifen bestehen, der an der G-»-Elektrode befestigt ist und den Kanal zwischen dem Haltestab und dem Glas des Söhrenhalses durchauert. Andere Hinder-

nisse, die sich, wirksam gezeigt haben, sind leitende Beläge am Glas des Röhrenhalses längs dieses Kanals. Die am' Glas entlang laufenden Lawinen selbst sind harmlos. Jedoch können Überschläge, insbesondere wenn sie häufig auftreten, einen solchen Belag durchbrennen und unerwünschte Trümmer hinterlassen. Eine vierte vorbeugende Maßnahme besteht darin, das Glas des Röhrenhalses während der Röhrenbehandlung effektiver zu enlgasen, denn die Glasüberschläge hängen mit Gasdesorption zusammen« Erforderlich hierzu ist längeres Ausheizen und Kathodenaktivierung während des Evakuierens der Kathodenstrahlröhre. Beide Maßnahmen sind zu kostspielig.

Die Mechanismen, die bei der Bildung von Elektronenlawinen eine Rolle spielen, sind in der Literatur ausführlich diskutiert worden. Wichtig sind zwei Arten von Elektronenemission, nämlich die Feldemission und die Sekundärelektronenemission. Die Feldemission ist ein Kaltemissionsvorgang, der sehr starke Felder (in der Größenordnung von

1Cr Volt/cm) am Emitter (d.h. an der Emissionsquelle) erfordert. Die Elektronenemissions-Stromdichte j ist durch folgenden Ausdruck gegeben:

3 = 3_?2 · 1CT⁶ E² exp £-6,8 - 10⁷ jd^3/2 E"¹Uvcm². (1)

In diesem Ausdruck bedeutet E (Volt/cm) das elektrische Feld am Emitter, und £ ist die Austrittsarbeit am Emitter. Häufig ist E viel größer als V/d, wobei V die Spannung zwischen Emitter und Sammelelektrode (Kollektor) ist und d der Abstand zv/ischen den Elektroden ist. Diese Verstärkung des Feldes ergibt sich durch kleinste vorstehende Spitzen und Kanten (Mikrospitzen) am' Emitter. Für jeden gegebenen Fall jedoch steigt j mit V an und nimmt mit d.ab. Eine Sekundärelektronenemission findet statt, wenn

irgendein Objekt (Metall oder Isolator) mit einem Primärstrahl von Elektronen bombardiert wird. Die Selcundäremissionsausbeute <5" ist definiert durch

(* - A^nza M- der Sekundär elektronen ~ Anzahl der Primärelektronen

und ist eine Funktion der Auftreffenergie V der Primärelektronen. Diese Beziehung zwischen & und V entspricht gewöhnlich einer Kurve, wie sie mit 7Ί in Fig. 4- dargestellt ist. Von besonderer Bedeutung sind die Werte der Auftreffenergie Vy und Vyy, für die € = Λ ist. Ebenfalls wichtig ist die mittlere Anfangsenergie ΊΓ , mit welcher die Sekundärelektronen aus den Emittern austreten. Typische Werte für Glas sind Υ_χ = 30 Volt, V₁₁ = 2500 Volt und'T₀ = 5 Volt.

Wenn die Sekundäremissionsquelle ein Isolator ist (z.B. das Glas des Röhrenhalses), ist eine besondere Betrachtung erforderlich, da die Zahl der am Emitter auftreffenden Elektronen gleich der Zahl der den Emitter verlassenden Elektronen sein muß. Ausgenommen bei V = V_T oder V_TT,

Λ~ al- J-

lädt sich die Isolatoroberfläche, immer auf irgendein Potential auf, um diese Forderung zu erfüllen.

Zunächst sei der Fall betrachtet, daß Elektronen durch Feldemission an einer nahe der Isolatoroberfläche liegenden scharfen Spitze oder Kante ausgesandt v/erden und mit einer Energie V, die größer ist als Vy und kleiner ist als Vj₁, auf die Oberfläche schlagen. Da in diesem Fall O y Λ ist, verlassen mehr Elektronen die Oberfläche als Elektronen dort ankommen, und das Glas ladt sich positiv auf. Hiermit wird V und somit der Strom größer (gemäß der obigen Gleichung (1)). Die Aufladung dauert an, bis V=V, Falls V über Vyy ansteigen sollte, würde die Aufladung

des Glases negativer werden "und das Oberflächenpotential wieder auf Yj j einstellen, was ein staMler Punkt ist.

An zweiter Stelle sei der Fall betrachtet, daß die emittierten Elektronen an einem anderen Punkt des Glases wieder zuia Glas zurückkehren. Dies erfordert ein bremsendes PeId E für die emittierten Elektronen und ein elektrisches PeId E parallel zur Oberfläche. Ein annäherndes mechanisches Analogon zu diesem Fall ist die Situation, die sich ergibt, wenn man einen Ball eine schiefe Ebene hinabwirft. Die Auftreffenergie F. des Elektrons am zweiten Punkt ist

Υ ₊ \ \Λ

(2)

Unter der Voraussetzung, daß V etwas größer ist als Vj, gilt Ci? 1 β Die Oberfläche lädt sich an diesem Punkt positiv auf, wodurch E größer wird. Gemäß dem vorstehenden Ausdruck (2) nimmt V dann ab, womit das Potential auf Vj zurückkehrt. In ähnlicher Weise wird, wenn V kleiner ist als Vj, der Wert für V ansteigen und sich wieder dem Wert Vj nähern, der ein stabiler Punkt ist. Aufgrund gleicher Überlegungen läßt sich zeigen, daß "V_7T instabil ist. Für

Stabilität gilt also:

oder

Als typisch für Glas gilt j E /E

J Z 3

1.12.

Bei dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Aufbau v/erden die Elektroden durch -.zwei längliche, gläserne Stützen, die Haltestäbe 23a und 23b, gehalten, die sich entlang den .Hauptteilen des Aufbaus erstrecken. In einer axialen Ebene 51 (Fig. 2), die durc'h die Mitte der Haltestäbe 23a und 23b und der Hinterstabkanäle geht und als "Haltestabebene" bezeichnet sei, sind die Metallteile vom Glas des Röhrenhalses durch die gläsernen Haltestäbe getrennt. Zwischen dem Glasstab 23a und 23b einerseits und dem Glas des Eöhrenhalses 13 andererseits bildet sich jeweils ein relativ isoliert liegender Hinterstabkanal 4-7 (Fig. 1). In einer axialen Ebene 53 (Fig. 2), die senkrecht zur Haltestabebene liegt und im folgenden als "Strahlsysteiaebene" bezeichnet sei, liegen die Metallteile des Strahlsystems nahe am Glas des Röhrenhalses 13* Experimentelle Beobachtungen haben ergeben, daß Elektronenlawinen fast ausschließlich in den Hinterstabkanälen 47 vorkommen und nur entlang dem Glas des Eöhrenhalses 13 laufen.

Das Zustandekommen einer Lawine sei anhand des folgenden, in Fig. 5 schematisch dargestellten Modells betrachtet: durch Feldemission an Mikrospitzen 55 am unteren Ende das Strahlsystem-Aufbaus werden Primärelektronen abgegeben. An einer Auftreffstelle 57.am Glas des Eöhrenhalses 13, .beispielsweise in der Nähe des unteren Endes des Haltestabes 43b oder irgendwo entlang der Seite des Haltestabes 43b im G^ -^-Bereich, schlagen Primär elektronen auf, Elektronenlav/inen 59 schreiten längs des Röhrenglases 13 im Hint er st abk an al 47 fort und enden bei., oder nahe der G^-Elektrode. Der primäre Aufschlag und Strom sind durch die Gleichung (1) bestimmt. Jeder Schritt oder Sprung in der Elektronenlawine wird durch die Gleichung (4) be-, herrscht. Die notwendigen, durch die Gleichung (4) be- .

A (ρ

S"

stimmten elektrischen Felder sind ein Ergebnis der Überlagerung der Originalenfelder E_7n und E^₀ mit den durch

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J Z

die Aufladung des Röhrenglases erzeugten Feldern E ρ _ und Ep .Es gilt somit:

= E

"o

+ E

(5)

(6)

Ep und Ep stehen in direkter Beziehung zur Ladungsdichte S an der Oberfläche des Röhrenglases, und zwar in folgender Weise:

= K E

un.d

^E?

(7)

Hierin ist K eine Eonstante, und € ist die Dielektrizitätskonstante des Vakuums. Falls die ungestörten Felder E und E bekannt sind, kann aus den Gleichungen (5) und (6) die zur Aufrechterhaltung der Elektronenlawinen notwendige Ladungsdichte entlang des Röhrenglases errechnet v/erden.

Die Größen Ξ und E für einen Strahlsystem-Aufbau des in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Typs sind berechnet worden, und zwar sowohl für die "Haltestabebene" als auch für die "Strahlsystemebene". Betrachtet wurde erstens eine Anordnung ohne Suppressor, zweitens eine Anordnung mit einem Suppressorring und drittens eine Anordnung mit metallisiertem -Haltestab gemäß der Erfindung₀ Die Fig. .6 zeigt in graphischer Darstellung die Ladungsdichte, die zur

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im β

Unterstützung einer Elektronenlawine (blaues Glimmen) am Glas des Röhrenhalses erforderlich ist, als Funktion des Ortes längs der Glasoberfläche des Röhrenhalses. Diese Darstellung offenbart quantitativ die zur Aufrechterhaltung von Elektronenlawinen erforderliche Verteilung der Ladungsdichte an der Glasoberfläche des Röhrenhalses für den oben beschriebenen speziellen Typ des Strahl syst eins. Wenn diese Ladung nicht aufrechterhalten werden kann, können keine Lawinen existieren. Da das Glas 'ein wenig leitend ist, fließen Ladungsmengen aus Bereichen großer Ladungsdichte ab. Wo also große Ladungsdichten und -gradieilten erforderlich sind, ist das Auftreten von Lawinen weniger wahrscheinlich.

Die Kurve 73 in Fig. 6 gilt für die Haltestabebene ohne Suppressor. Hier ist f relativ niedrig, und es werden keine steilen Gradienten gefordert, so daß die Bildung von Lawinen begünstigt ist. Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve 75 j cLie für die Strahlsystemebene ohne vorhandenen Suppressor gilt, daß dort große Werte vonfund steile Gradienten notwendig sind: daher sind hier Lawinen unwahrscheinlich, wie auch das Experiment zeigt.

Als nächstes sei die Kurve 77 .betrachtet, die für die Haltestabebene im Falle eines vorhandenen Suppressors in Form eines Drahtringes gilt. Hier müssen in der Nähe des Suppressorrings sehr große Werte für ¹Jj erreicht werden, was die Wirksamkeit eines solchen Suppressors zur Verhinderung von Lawinen erkennen läßt. Eine Schwach- stelle bei dieser Struktur ist der Bereich zwischen' dem Suppressorring und der G„-Elektrode. Mikrospitzen am Suppressorring selbst können zur Feldemission führen, so daß sich im Bereich zwischen der G^.-Elektrode und dem

-2a-

-SO-

Suppressorring, vjo relativ kleine Werte für J* erforderlich sind, Lawinen bilden können₀ Diese Erscheinung wird häufig beobachtet und erfordert zu ihrer Verhinderung eine rigorose Hochspannungsbehandlung des Suppressorrings selbst.

Die in Fig. 6 dargestellte Kurve 79 schließlich gilt für die Haltestabebene im Falle-, daß ein metallisierter Haltestab wie bei der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Kathodenstrahlröhre verwendet wird. Diese'Kurve 79 ist ähnlich der für die Strahlsystemebene ohne vorhandenen Suppressor geltenden Kurve 75· Der metallisierte Haltestab macht, daß die Haltestabebene für eine Lawinenbildung ebenso ungünstig xirird wie die Strahlsystemebene. Außerdem läßt sich ein aufgedampfter Metallfilm mit einer sehr glatten scharfen Kante ausstatten, die ungünstig für Feldemission ist.

Wie sich aus den vorstehenden Überlegungen ergibt, kann das elektrisch leitende Gebiet jede beliebige Größe und/ oder Form haben, und in derselben Röhre können gleiche oder verschiedene Größen und/oder Formen an verschiedenen Haltestäben verwendet v/erden. Die wirksamste Unterdrückung von Überschlägen erhält man, wenn das elektrisch leitende Gebiet so breit und so lang wie möglich ist und keine Quellen für kalte oder heiße Emission bildet. Der Ausdruck "elektrisch leitend" bedeutet hier, daß jedes so genannte Gebiet vorzugsweise den spezifischen Widerstand eines Metalls hat, aber auch einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen kann, der noch nicht die Gefahr mit sich bringt, daß sich elektrische Ladungen an lokal begrenzten Stellen des Gebiets ansammeln, wenn die Röhre in Betrieb ist. Im allgemeinen sollte das leitende Gebiet einen spezifischen Widerstand von weniger

-Saals 50 000 Ohm pro Quadrat haben. Die Gebiete sind vorzugsweise nicht angeschlossen, d.h. sie sind vorzugsweise "elektrisch schwimmend", sie können aber auch an ein festes Potential wie z.B. an die G^-Elektrode angeschlossen v/erden. .

Vorzugsweise sollten die elektrisch leitenden Gebiete, insbesondere wenn es Metallbeläge sind, so frei wie möglich von Spitzen und VorSprüngen sein, damit an ihnen keine wirksamen Peldemissionsquellen gebildet v/erden. Die höchste Spannung liegt an der G₇.-Elektrode, d.h. an der zweiten Pokussierungselektrode₀ Je näher die Ränder der elektrisch leitenden Gebiete an dieser Elektrode sind, desto höher sind die an diesen Rändern vorhandenen elektrischen Felder und desto mehr besteht dort die Gefahr einer Feldemission.· Daher ist es vorteilhaft, die Dicke der Gebiete zu ihren Rändern hin abnehmen zu lassen, insbesondere zu dem der G₇.-Elektrode zugewandten Rand, so daß der Rand dort sehr glatt.und dünn ist. Hierdurch wird es möglich, das. .leitende Gebiet näher an die auf der höchsten Spannung liegende Elektrode (hier die G₇,-Elektrode) reichen zu lassen.

Die elektrisch leitenden Gebiete können durch eine Oberflächenfrehandlung der Haltestäbe gebildet werden, oder sie können ein Belag oder eine Beschichtung auf den Haltestäben sein. Vorzugsweise verwendet man für die leitenden Gebiete einen Metallbelag z.B. aus Ohrommetall, Aluminiummetall, Silbermetall, Inconel-Legierung oder Platinmetalle Chrom, Aluminium, Silber und Inconel können im Vakuum aus den Dämpfen dieser Metalle niedergeschlagen v/erden. Die leitenden Gebiete können auch durch ein Metallisierungsverfahren geschaffen werden, etwa durch Aufstreichen oder Aufsprühen einer Schicht eines Platinharzsalzes auf die

Haltestäbe und anschließendes Erhitzen der Stäbe zum Aushärten der. Schicht. Die leitenden Bereiche können gebildet werden vor oder nach dem Zusammensetzen des Aufbaus, vor oder nach dem Einschließen des Aufbaus in den Hals der Kathodenstrahlröhre und vor oder nach dem Evakuieren und Abdichten des Kolbens.

In einer Ausführungsform wird ein Maskenaufsatz, bestehend aus einem Metallrohr mit zwei rechteckigen Fenstern, über den Aufbau gesetzt, so daß die'Fenster an Orte zu liegen kommen, v/o die leitenden Gebiete gebildet v/erden sollen. Zwischen den Haltestäben und den Fenstern ist ein Abstand von etwa Im₀ Diese Anordnung wird dann in einen Glocken-Verdampfapparat gebracht, mit einem verchromten Wolframdraht gegenüber jedem Fenster«, Die Verdampf erglocke v/ird evakuiert, und der Draht wird auf etwa 1000⁰G erhitzt, wobei das Chrom vom Draht verdampft und sich als Belag von etwa 1000 £ Dicke auf den Haltestäben niederschlägt. Wegen des Abstandes zwischen den Haltestäben und den Fenstern bekommen alle Ränder der Beläge sich verdünnende oder zugeschärfte Kanten, Bei einer anderen. Ausführungsform wird nach dein gleichen Verfahren vorgegangen, wobei jedoch Aluminium statt Chrom verwendet wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird jeder Haltestab metallisiert, d.h. er erhält sein leitendes Gebiet, bevor er mit dem Rest des Aufbaus zusammengesetzt v/ird. Bei dieser Ausführungsform v/ird der Haltestab im gewünschten Bereich mit einem Metallharzsalz, beschichtet (z.B. mit Hanovia Liquid Bright Platinum No. 5_? das von der Englehard Industries Inc., East Newark, IT.J., U.S.A. verkauf wird). Eine Harzsalzbeschichtung kann auf irgendeine

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gekannte Weise erfolgen, z.B. durch. A^-Ufstreichen, Siebdruck, Aufsprühen oder Kontakt abzug,, Der mit Harzsalz beschichtete Haltestab wird dann auf etwa 500⁰G in Luft erhitzt, um die organische Materie zu verflüchtigen und die Schicht auszuhärten, und dann auf Zimmertemperatur abgekühlt. Der metallisierte Haltestab kann dann in irgendeiner, bekannten Weise mit den Teilen des Strahlsystems zusammengeheftet werden.

Bei einer wieder anderen Ausführungsform wird der elektrisch leitende Belag auf dem Haltestab erst dann gebildet, nachdem der Strahlsystem-Aufbau in den Röhrenhals eingeschlossen und die Kathodenstrahlröhre evakuiert worden ist. Die Fig. 7 zeigt den Hals 13 der Röhre und den in Pig. 1 dargestellten Strahlsystem-Aufbau 21 und einen hitzebeständigen Metallstreifen 81, der in Höhe der G-,-Elektrode vollständig um den Aufbau gelegt ist. An dem Streifen 81 sind Lappen 83a und 83b angeformt, die sich an den Stellen der Haltestäbe 23a bzw, 23b befinden und in Richtung zur G^-Elektrode weisen. Jeder Lappen bildet einen spitzen Winkel mit der Oberfläche des betreffenden Haltestabes. Die zum Haltestab weisende Oberfläche jedes Lappens ist vorher mit einem verdampfbaren Metall beschichtet worden. Nach dem Evakuieren der Kathodenstrahlröhre wird-Hochfrequenzenergie auf den Streifen 81 gekoppelt, wodurch der Streifen 81 heiß wird und die daran befindliche Metallbeschichtung verdampft, so daß sich das Metall als leitendes Gebiet 85 auf der gegenüberliegenden, verhältnismäßig kalten Oberfläche des Haltestabes nieder« schlägt.

Um auf diese Weise Chrom oder Silber niederzuschlagen, kann ein verchromter Wolframstreifen oder ein versilberter Streifen aus rostfreiem Stahl verwendet werden.

Claims (6)

1. Kathodenstrahlröhre

   Br Γ iiidangsansOr uc h:

   Kathodenstrahlröhre mit einem evakuierten Kolben, der einen Hals aus elektrisch isolierendem Material enthält, und mit einem Strahlsystem-Äufbau₅ der innerhalb des Röhrenhalses in dichtem Abstand von der Innenfläche des Halses sitzt und eine Vielzahl von Elektroden auf v/eist, die an mindestens zwei Haltestäben aus elektrisch isolierendem Material befestigt sind, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein Teil (4Ja^Jb, 85) der dem Röhrenhals (13) zugewandten Oberfläche jedes der Haltestäbe (23a, 23b) elektrisch leitend ist,
2. 2. Kathodenstrahlröhre nacL·. ^^^ 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der elektrisch* leitenden Teile (43a,43b;85) im wesentlichen aus einem Metallbelag besteht, der an der Oberfläche eines Halte™ Stabes (23a,2Jb) haftet.

   —2—
3. 3. Kathodenstrahlröhre nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet , daß um den Strahlsystem-Aufbau (21) ein Metallstreifen (81) gel'egt ist, der in spitzem Winkel zu jeder der besagten Haltestaboberflachen jeweils eine Trägerfläche (83a,83b) aufweist, von der aus das Metall für den Belag aufgedampft ist.
4. 4·. Kathodenstrahlröhre nach einem der punkte 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes der elektrisch leitenden Teile (z.B_o 43a, 43b) zu mindestens einem seiner Ränder hin .zusammenläuft, um Elektronenemission von dem betreffenden Rand beim Vorhandensein eines elektrischen Feldes minimal zu haitenο
5. 5. Kathodenstrahlröhre nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet , daß der leitende Belag im wesentlichen aus metallischem Chrom besteht.
6. 6. Kathodenstrahlröhre nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet , daß der leitende Belag im wesentlichen aus metallischem Aluminium besteht.

   ?. Kathodenstrahlröhre nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet , daß der leitende Belag im wesentlichen aus metallischem Platin besteht.