DE10013634A1 - Kathodenstrahlröhre - Google Patents

Abstract

Für eine Kathodenstrahlröhre wird vorgeschlagen, den zentralen Bereich der Kathodenfläche nicht emittierend auszubilden. Dies verringert eine alterungsbedingte Abnahme des Strahlstroms und verbessert für Wanderfeldröhren zugleich den Wirkungsgrad.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlröhre der im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Art.

Bei Kathodenstrahlröhren zeigt sich ein Alterungseffekt der Art, daß mit zu­ nehmender Betriebsdauer die Strahlstromstärke zurückgeht. Dies ist zumindest teilweise darauf zurückzuführen, daß im evakuierten Röhreninnenraum Gas­ moleküle vorhanden sind, welche als positiv geladene Ionen zur Kathode hin beschleunigt werden und dort einen sogenannten Ionenbrennfleck erzeugen, welcher eine verminderte Elektronen-Emissionsfähigkeit aufweist. Dies wirkt sich besonders nachteilig dahingehend aus, daß ein Arbeitspunkt nur für einen Abschnitt der gesamten Betriebsdauer optimierbar ist und für die übrige Be­ triebszeit sich das Röhrenverhalten deutlich ungünstiger darstellt.

Zur Verringerung einer solchen Schädigung ist es bei Wanderfeldröhren be­ kannt, eine Anode mit einem Potential über dem der Verzögerungsleitung vor­ zusehen. Eine solche Maßnahme ist jedoch aufwendig und nicht immer an­ wendbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kathodenstrahl­ röhre mit verbessertem Emissionsverhalten der Kathode anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche ent­ halten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Durch die Maßnahme, einen zentralen Bereich der Kathodenoberfläche nicht emittierend auszubilden, bleibt von vornherein der von der Degradation primär betroffene Teil der Kathodenfläche für die Elektronenemission ausgeschlossen. Die Strahlstromstärke bleibt dadurch über die Lebensdauer der Röhre im we­ sentlichen konstant. Dadurch kann ein für die gesamte Lebensdauer günstiger Arbeitspunkt voreingestellt werden.

Die Ausbildung eines nicht emittierenden Bereichs der Kathodenfläche zeigt darüber hinaus bei Wanderfeldröhren, bei welchen der Elektronenstrahl in Wechselwirkung mit einem HF-Signal eine Verzögerungsleitung durchläuft, überraschenderweise eine Verbesserung des Wirkungsgrads einer solchen Röhre, was mit der Entstehung eines hohlen Elektronenstrahls geringer Elek­ tronendichte auf der Strahlachse und mit der verstärkten Wechselwirkung von zur Strahlachse weiter beabstandet laufenden Elektronen mit dem HF-Feld er­ klärbar ist. Die Erfindung zeigt damit besondere Vorteile in Verbindung mit der Ausführung der Kathodenstrahlröhre als Wanderfeldröhre. Der Bereich für das Maß der Kathodenflächenabdeckung ist vorzugsweise eingeschränkt.

Die Erfindung ist insbesondere bei geschalteten Röhren von Vorteil, welche eine besonders starke Alterung in Form des Rückgangs der Strahlstromstärke zeigen.

Der nicht emittierend ausgeführte zentrale Bereich bildet in der Kathodenstrahl­ fläche eine geschlossene Teilfläche um die Strahlachse des Elektronenstrahls und hat vorzugsweise eine drehsymmetrische Form, insbesondere eine Kreis­ form.

Die Fläche des nicht emittierenden zentralen Bereichs beträgt vorteilhafterwei­ se wenigstens 1%, insbesondere wenigstens 2,5% und höchstens 20%, ins­ besondere höchstens 10% der emittierenden Kathodenfläche.

Der nicht emittierende zentrale Bereich kann insbesondere durch Aussparung von emissionsfähigem Kathodenmaterial im Kathodenkörper und/oder durch Abdeckung einer an sich auch in diesem Bereich emissionsfähigen Kathoden­ fläche durch nicht emittierendes Material gebildet sein. Auch eine gezielte Her­ absetzung der Emissionsfähigkeit der Kathodenfläche durch Verändern der Oberflächen- oder Materialbeschaffenheit, durch gezielte sogenannte Vergif­ tung der Kathodenfläche in dem zentralen Bereich mittels An- oder Einlagerung von Störatomen kann vorteilhaft sein.

Bei der Aussparung von Kathodenmaterial in dem zentralen Bereich kann eine so entstandene Lücke leer bleiben oder teilweise oder vollständig mit nicht emittierendem Material ausgefüllt sein. Die Abdeckung eines zentralen Be­ reichs oder eines Teils desselben kann insbesondere durch Aufbringen, bei­ spielsweise Aufdampfen, Sputtern, Abschneiden einer Schicht nicht emittieren­ den Materials oder vorzugsweise durch Auflegen einer Maske nach Art eines Schaltungsgitters erfolgen.

Kathodenmaterialien für Kathodenstrahlröhren sind in vielfacher Zusammen­ setzung bekannt und können insbesondere ein hoch temperaturbeständiges Gerüst aus Schwermetallen wie Wolfram, Chrom etc., oder Verbindungen mit solchen Elementen enthalten, in welches Elemente oder Verbindungen mit ge­ ringer Elektronenaustrittsarbeit wie z. B. Barium eingelagert sind. Das Katho­ denmaterial ist zu einem kompakten Kathodenkörper mit einer der Anode bzw. einem Steuergitter zugewandten Kathodenfläche verbunden und in einem Ka­ thodenträger gehalten, welcher auch ein Heizelement birgt. Als nicht emittierend sei hier auch ein Materialverhalten verstanden, bei welchem zwar ein Elektronenaustritt unter dem Einfluß der Anodenspannung möglich, gegenüber dem Strahlstrom aus dem Kathodenmaterial aber vernachlässigbar gering ist. Die emittierende Kathodenfläche ist typischerweise geschliffen und konkav ge­ krümmt.

Die Kathodenfläche kann zusätzlich zu dem zentralen Bereich eine sich nach außen zum Rand der Kathodenfläche hin fortsetzende Flächenstruktur nach Art eines Gitters oder Netzes aufweisen, welche gleichfalls nicht emittierend aus­ gebildet ist. Dies ist insbesondere von Vorteil bei einer Flächenstrukturierung eines in geringem Abstand von der Kathodenfläche angeordneten Steuergit­ ters. Die diesem im wesentlichen gleiche nicht emittierende Flächenstruktur auf der Kathodenfläche ist als sogenanntes Schattengitter an sich bekannt. Eine Ausführung mit einem derartigen Schattengitter, bei welchem dann ein zentra­ ler Bereich um die Strahlachse durch eine geschlossene Fläche des Schatten­ gitters maskiert ist, ist besonders aufwandsarm und baut auf gebräuchlicher Technik auf.

Ein bei ausgespartem Kathodenmaterial die Lücke in dem zentralen Bereich teilweise oder vollständig ausfüllendes Materials, welches insbesondere gleich dem Material des Kathodenträgers sein kann, kann zugleich auch eine mecha­ nische Funktion zur Fixierung eines Schattengitters, zur Haltung eines Trä­ gerelements usw. erfüllen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Da­ bei zeigt:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführung mit Schattengitter Fig. 2 eine Kathode ohne Emissionsmaterial im Zentrum

Die Fig. 1 zeigt ein Schattengitter SG in geschnittener Seitenansicht (A) senk­ recht zur Strahlachse SA und Draufsicht (B) aus Richtung der Strahlachse so­ wie eine Kathode KA, auf welche das Schattengitter aufgesetzt wird, in ge­ schnittener Seitenansicht (C).

Die Kathode KA ist in der dargestellten Ausführungsform in an sich bekannter und gebräuchlicher Art ausgebildet und enthält in einem Kathodenhalter KT, welcher beispielsweise aus Molybdän besteht, in einer in Strahlrichtung SR des Elektronenstrahls weisenden topfförmigen Aufnahme einen Kathodenkörper KK und von diesem durch eine Wand getrennt und entgegen der Strahlrichtung angeordnet eine Heizspirale oder ein anderes Heizelement zur Heizung der Kathode.

Der Kathodenkörper ist beispielsweise als poröser Sinterkörper aus Wolfram, Chrom und Verbindungen solcher Elemente aufgebaut und vorzugsweise mit einem Material geringer Elektronenaustrittsarbeit wie z. B. einer Bariumverbin­ dung getränkt. Die in Strahlrichtung weisende Kathodenfläche KF ist vorteil­ hafterweise geschliffen und vorzugsweise konkav entgegen der Strahlrichtung SR gekrümmt. Details und Varianten im Aufbau der Kathode und der Zusam­ mensetzung des Kathodenkörpers sind dem Fachmann bekannt.

Das Schattengitter SG ist in seiner Flächenkontur der Kathodenfläche KF an­ gepaßt und liegt eng auf dieser auf. Das Schattengitter wird mit dem Rand des Kathodenträgers verbunden, beispielsweise verschweißt und liegt auf Katho­ denpotential. Das Schattengitter zeigt einen geschlossenen Randbereich, wel­ cher einen äußeren Randstreifen der Kathodenfläche KF abdeckt. Der Rand­ streifen ist nicht funktionsnotwendig, bietet aber einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Bemessung der emissionswirksamen Kathodenfläche. Innerhalb der durch diesen Randbereich eingegrenzten Kreisfläche mit Durchmesser DK ist die Fläche des Schattengitters charakterisiert durch eine Mehrzahl von durch Gitterstege GS begrenzten Gitteröffnungen.

Ein Schattengitter dieser Art ist insbesondere von Bedeutung für Strahlerzeu­ gungssysteme, bei welchen eine Steuerelektrode in geringem Abstand, bei­ spielsweise in der Größenordnung von 0,1 mm vor der Kathodenfläche ange­ ordnet und als Gitterstruktur mit durch Stege begrenzten Öffnungen ausgeführt ist. Das Schattengitter weist dann dieselbe Struktur auf wie die Steuerelektrode und ist deckungsgleich zu dieser ausgerichtet, wodurch den Stegen der Steu­ erelektrode direkt gegenüberliegende Flächenstreifen der Kathodenfläche ab­ gedeckt werden und der auf die Steuerelektrode geleitete Anteil des von der Kathode emittierten Elektronenstroms gering bleibt. Die Dimensionierung der Stege und Öffnungen ist dem Fachmann bekannt und für die vorliegende Erfin­ dung nicht von wesentlicher Bedeutung.

Wichtig für die Verbesserung des Emissionsverhaltens der Kathode ist, daß gegenüber bekannten Ausführungen eines Schattengitters, bei welchen um die Strahlachse SA eine nicht durch radiale Stege unterbrochene Mittenöffnung vorliegt, das Schattengitter nunmehr um die Strahlachse eine geschlossene Fläche MZ aufweist und Öffnungen GO der Struktur des Schattengitters erst außerhalb dieser geschlossenen Fläche, deren Durchmesser mit DZ bezeich­ net ist, auftreten.

Der Durchmesser DZ der geschlossenen Mittenfläche MZ ist vorzugsweise we­ sentlich, insbesondere um ein Mehrfaches größer als die Breite BS der zwi­ schen dem Randbereich RB und der Mittenfläche verlaufenden Stege. Die Mittenfläche MZ deckt einen zentralen Bereich der Kathodenfläche ab und verhindert dadurch die Elektronenemission aus diesem zentralen Bereich. Die Flä­ che dieses zentralen nicht emittierenden Bereichs beträgt vorteilhafterweise wenigstens 1%, insbesondere wenigstens 2,5% und höchstens 20%, insbe­ sondere höchstens 10% der durch die Öffnungen GO freien emittierenden Flä­ che der Kathode, was in grober Näherung einem Radiusverhältnis DZ : DK zwi­ schen 0,1 und 0,4 entspricht.

Die Gitterstruktur kann in wiederum an sich bekannter Weise einen oder meh­ rere Ringstege mit Zwischendurchmessern DM zur Abstützung der radialen Stege aufweisen. Die Gitterstruktur ist vorzugsweise drehsymmetrisch, im skiz­ zierten Beispiel mit achtzähliger Drehsymmetrie, um die Strahlachse SA aus­ geführt.

Die detailliert erläuterte Schattengitterstruktur zur Abdeckung eines zentralen Bereichs der Kathodenfläche ist selbstverständlich im Sinne der vorliegenden Erfindung auch vorteilhaft in Anwendungen, in welchem das Schattengitter SG ohne eine dicht anliegende gleich strukturierte Steuerelektrode nicht seine na­ mensgebende Funktion der Abschattung einer Steuergitterstruktur erfüllt, son­ dern dann als mechanischer Träger für die zentrale geschlossene Mittenfläche MZ dient.

In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Ausführung skizziert, bei welcher in Abwandlung der in Fig. 1(C) skizzierten Kathode der Kathodenkörper KKR die Strahlachse nicht kreisförmig, sondern unter Aussparung eines mittleren Bereichs ZB um die Strahlachse diese als Ring umgibt. Dieser zentrale Bereich kann als Ring­ öffnung des ringförmigen Kathodenkörpers frei bleiben oder, wie skizziert, be­ vorzugt zumindest teilweise durch nicht emittierendes Material ausgefüllt sein.

Vorteilhafterweise kann in dem zentralen Bereich ein Mittenstift MS vom Grund der topfförmigen Aufnahme für den Kathodenkörper KKR im Kathodenträger KT in Strahlrichtung SR anfragen. Für die Herstellung kann vorteilhafterweise der Aufnahmeraum unter Belassung des Mittenstifts beispielsweise durch Ero­ dieren aus einem Rohling für den Kathodenträger erzeugt und die Sintermasse für den Kathodenkörper KKR in den ringförmigen Aufnahmeraum eingepresst werden.

Beim Schleifen der Kathodenfläche KF wird dann gleichzeitig auch der Mitten­ stift mit abgetragen auf eine mit der Kathodenfläche durchgehende, insbeson­ dere konkave Fläche. Der Mittenstift kann seinerseits wie mit unterbrochener Linie angedeutet, eine zentrale zur Strahlachse parallele Bohrung ZA aufwei­ sen, welche beispielsweise Befestigungselemente als mechanische Träger für weitere Komponenten eines Strahlerzeugungssystems aufnehmen kann.

Die Aussparung eines zentralen Bereichs im Kathodenkörper KKR kann auch mit einem Schattengitter über der Kathodenfläche kombiniert sein, wobei dann das Schattengitter beispielsweise zusätzlich auf dem zentralen Mittenstift befe­ stigt sein kann.

Im Betrieb einer solchen Kathodenstrahlröhre werden die zur Kathode hin be­ schleunigten Ionen primär in Nähe der Strahlachse und somit in dem nicht emittierenden Bereich auftreffen, wogegen die umgebenden achsferneren emittierenden Kathodenflächenbereiche nicht oder kaum von dem Ionenbe­ schuß betroffen sind. Es tritt daher keine oder zumindest keine nennenswerte Verringerung der Emissionsfähigkeit der wirksamen Kathodenflächenbereiche auf.

Die aus einer ringförmigen, ggf. durch dünne Stege GS unterbrochenen Katho­ denfläche emittierten Elektroden werden zur Anode hin beschleunigt und evtl. durch weitere Elektroden eines Strahlerzeugungssystems gebündelt. In einer Wanderfeldröhre wird der gebündelte Elektronenstrahl durch zur Strahlachse parallele Magnetfelder in einer Verzögerungsleitung geführt und tritt über eine Reihe von achsial beabstandeten Elektroden oder eine Wendel in Wechselwir­ kung mit einem Hochfrequenzsignal, wobei Leistung aus dem Elektronenstrahl zur Verstärkung des HF-Signals ausgekoppelt wird. Es zeigt sich überraschen­ derweise, daß der z. B. durch das Verhältnis von ausgekoppelter Leistung zu Strahlstrom des Elektronenstrahls charakterisierte Wirkungsgrad einer solchen HF-Verstärkerröhre bei der Ausführung mit nicht emittierendem Mittenbereich der Kathodenfläche signifikant höher liegt als bei der Ausführung mit emittie­ render Flächenmitte. Dies ist erklärbar damit, daß zum einen relative Quer­ schnittsgeometrie der Elektronenemission aus der ringförmigen Kathodenfläche um den zentralen Bereich im Elektronenstrahl auch bei Bündelung zumindest annähernd erhalten bleibt und damit ein schlauchförmiger hohler Elektronen­ strahl entsteht, und daß zum anderen im gebündelten und in der Verzöge­ rungsleitung geführten Strahl Elektronen auf und in unmittelbarer Umgebung der Strahlachse nur gering mit dem HF-Feld wechselwirken und daher deren Beitrag zur auskoppelbaren Leistung sehr gering ist, wogegen die achsferner verlaufenden Strahlanteile durch bessere Wechselwirkung mit dem HF-Feld einen höheren Leistungsanteil auskoppeln.

Die vorstehend und in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildun­ gen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedene Kombinationen realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Aus­ führungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens auf mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere sind eine Vielzahl von Strukturen für ein Schattengitter denkbar. Der Mittenstift ist nicht notwendiger­ weise einstückig mit dem Kathodenträger verbunden.

Claims (10)

1. Kathodenstrahlröhre mit einer einen Elektronenstrahl erzeugenden Elek­ trodenanordnung, welche eine von der Strahlachse des Elektronenstrahls durchstoßene Kathodenfläche einer Elektronen emittierenden Kathode umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenfläche in einem zen­ tralen Bereich um die Strahlachse nicht emittierend ausgebildet ist.

2. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des zentralen Bereichs wenigstens 1%, insbesondere wenigstens 2,5% und höchstens 20%, insbesondere höchstens 10% der emittieren­ den Kathodenfläche beträgt.

3. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zentralen Bereich im Kathodenkörper kein Emissionsmaterial vorliegt.

4. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Bereich im Kathodenkörper zumindest teilweise mit nicht emittie­ rendem Material ausgefüllt ist.

5. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem zentralen Bereich die Kathodenfläche durch eine Abdeckung mit nicht emittierendem Material markiert ist.

6. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der zentrale Bereich als gitterartige nicht emittierende Flächenstruktur nach außen fortsetzt.

7. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht emittierende Flächenstruktur ein Schattengitter zu einem von der Kathodenfläche beabstandeten Steuergitter bildet.

8. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenstruktur auf die Kathodenfläche aufgesetzt ist.

9. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zentrale Bereich drehsymmetrisch ausgebildet ist.

10. Kathodenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Elektronenstrahl eine HF-Verzögerungsleitung einer Wanderfeldröhre durchläuft.