DE1108337B

DE1108337B - Elektronenstrahlerzeugungssystem mit kalter Kathode

Info

Publication number: DE1108337B
Application number: DET14327A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Phil Lien Wegmann
Original assignee: Trueb Taeubner & Co A G
Current assignee: Trueb Taeubner & Co A G
Priority date: 1957-01-31
Filing date: 1957-10-25
Publication date: 1961-06-08
Also published as: CH348753A; FR1186404A; US2987641A

Description

INTERNAT.KL. H 01 j

DEUTSCHES

PATENTAMT

T14327 Vmc/21g

ANMELDETAG: 25. OKTOB E R 1957

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

8. JUNI 1961

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenstrahlerzeugungssystem für Kathodenstrahlröhren mit kalter Kathode, Lochanode und Anodenblende.

Es sind verschiedene Prinzipien und Anordnungen zur Erzeugung von Elektronenstrahlen bekannt, bei welchen die Elektronen durch Sekundäremissionsprozesse ausgelöst werden. Diese Anordnungen werden im Gegensatz zu den Elektronenquellen mit thermischer Elektronenauslösung »kalte Kathoden« genannt. Von diesen kalten Kathoden hat sich insbesondere eine Ausführung bewährt, deren Aufbau und Wirkungsweise in der Helvetica Physica Acta, Bd. 20 (1947), S. 463 bis 466, sowie in der schweizerischen Patentschrift 214 210 beschrieben wird und deren Prinzip in Fig. 1 dargestellt ist. Der Kathode K, welche normalerweise auf negative Hochspannung aufgeladen ist, steht zuerst eine Lochanode A und dann eine weitere Anode B gegenüber, welche die Anodenblende enthält. Die beiden Anoden A und B befinden sich meist auf Erdpotential oder in dessen Nähe. Wesentlich ist jedoch nur, daß zwischen Kund A eine große, zwischen A und B eine kleine Spannungsdifferenz herrscht.

Nach der zitierten Beschreibung funktioniert diese Anordnung dann richtig, wenn der Gasdruck im Entladungsraum so gewählt wird, daß die freie Weglänge der Ionen oder Moleküle gleich oder größer ist als der Abstand zwischen Kathode K und Lochanode A und gleichzeitig gleich oder kleiner als der Durchmesser des Loches in der Lochanode A. Dann werden Ionen aus dem Gasraum zwischen A und B auf die Kathode K gesaugt, wo sie gleichzeitig fokussiert werden, und lösen dort die Elektronen aus, welche in einem feinen Strahl nach B hin beschleunigt werden und durch die Anodenblende B hindurch in die eigentliche Kathodenstrahlröhre, beispielsweise ein Elektronenmikroskop, ein Elektronenbeugungsgerät oder ein Kathodenstrahloszillograph, fallen.

Die Vorteile der beschriebenen Kathode sind folgende: Durch die kurze Distanz zwischen KathodeK und Lochanode A werden die Ionen bei vorschriftsgemäßer Dimensionierung des Loches auf die Kathode fokussiert, so daß ein sehr kleiner Emissionsfleck von nur wenigen Hundertstelmillimetern im Durchmesser entsteht. Diese gut punktf örmige Quelle hat im Gegensatz zu thermischen Kathoden eine sehr lange Lebensdauer von mehreren 100 bis zu einigen 1000 Stunden. Anderseits ist die Betriebsstabilität gegenüber andern Ausführungen von kalten Kathoden, welche keine Lochanode mit kleinerem Abstand zur Kathode als die mittlere freie Weglänge aufweisen, sehr groß, und ihre Intensität ist in weitem Rahmen, d. h. etwa im Bereich 1:100, leicht und kontinuierlich durch den Elektronenstrahlerzeugungssystem
mit kalter Kathode

Anmelder:
Trüb, Täubner & Co. A. G., Zürich (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 4

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 31. Januar 1957

Dipl.-Phys. Dr. phil. Lienhard Wegmann,

Wallisellen (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

Gasdruck regulierbar, ohne daß die Stabilität der Entladung leidet.

Die Nachteile der beschriebenen Kathode sind folgende:

1. Die obenerwähnte Stabilität und Lebensdauer ist, wie die zitierte Veröffentlichung erwähnt, nur für Beschleunigungsspannungen bis zu 50 kV gewährleistet. Bei höheren Spannungen vermindert sich die Lebensdauer stark, beispielsweise beträgt diese bei einer Beschleunigungsspannung von 70 kV weniger als 50 Stunden. Nach Ablauf dieser Brenndauer wird der Brennfleck diffus und unstabil.

2. Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Kathode, der auch bei Beschleunigungsspannungen unterhalb 50 kV auftritt, liegt bei der Intensität der emittierten Elektronenstrahlung. Bei Verwendung von bekannten Fokussieranordnungen mit der beschriebenen Kathode ist zwar die Intensität des im Elektronenstrahlapparat benutzten Elektronenstrahles nach dem ersten Einschalten der Kathodenspannung vergleichbar mit derjenigen von Anordnungen mit thermischer Emission; sie nimmt jedoch während der ersten Minuten oder Stunden der Brenndauer — je nach dem verwendeten Kathodenmaterial — kontinuierlich ab bis auf ein Drittel bis ein Sechstel des ursprünglichen Wertes. Bei diesem verminderten Wert bleibt die Intensität während der restlichen Lebensdauer des Emissionsfleckes angenähert konstant. Die auf längere Zeit zur Verfügung stehende Intensität der kalten Kathode liegt deshalb um Faktoren 5 bis 20 unterhalb den bei

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gleicher Beschleunigungsspannung mit thermischen Kathoden erreichten Werten.

Für das Nachlassen der Intensität sind hauptsächlich zwei Gründe angeführt worden:

Einerseits kann durch das Ionenbombardement eine Materialveränderung am Ort des Emissionsflecks eintreten. Dies dürfte bei wenigen Metallen mit ausgesprochener Oxydhaut mit ein Grund sein, doch kann im allgemeinen Fall eine solche Veränderung nicht wesentlich für die Intensitätsabnahme verantwortlich gemacht werden. Die Tatsache, daß die Emission vom verwendeten Kathodenmetall sehr weitgehend unabhängig ist, spricht zu stark dagegen. Die Hauptursache für die Intensitätsabnahme ist die durch das Ionenbombardement bewirkte Kraterbildung. Am Ort des Emissionsflecks bildet sich nach einiger Brennzeit ein Erosionskrater, welcher sich mit fortschreitender Brenndauer ständig vertieft und nach einigen 100 bis 1000 Stunden, je nach der Widerstandsfähigkeit des Kathodenmaterials und dem durchschnittlichen Emissionsstrom, eine Tiefe von 1 cm oder mehr erreichen kann. Die Lebensdauer der kalten Kathode ist dann auch dadurch beschränkt, daß bei einer gewissen Tiefe des Kraters die Fokussiereigenschaften der Ionenoptik geändert werden und die Intensität deshalb weiter abnimmt oder aber, daß die ganze Dicke des Kathodenmaterials durchgebohrt ist, womit eine sogenannte Molekularkathode entsteht, welche ebenfalls kleinere Emissionsintensität aufweist als die kalte Kathode.

Daß diese Kraterbildung für die störende Intensitätsabnahme verantwortlich ist, wurde schon früher erkannt, und so wurden entsprechende Verbesserungen vorgeschlagen, welche darauf ausgehen, den Krater zu vermeiden oder von Anfang an mechanisch zu bilden. So beschreibt beispielsweise die schweizerische Patentschrift 240 060 eine Molekularkathode, bei welcher von Anfang an ein Loch in die Kathode gebohrt wird. Diese Kathode hat eine unbegrenzte Lebensdauer und eine gute Stabilität, doch ist die Intensität ihrer Elektronenemission so klein wie diejenige einer vollkommen ausgebrannten Kathode der beschriebenen Art; dies macht die Molekularkathode für die vorgesehenen Verwendungszwecke unbrauchbar. Vorschläge zur Verwendung von drehbaren oder kontinuierlich drehenden Kathoden sowie zur Ersetzung des festen Kathodenmaterials durch flüssiges Metall wurden schon für die früheren Kathoden ohne Lochanode gemacht und könnten an sich auch bei der eingangs beschriebenen Kathode eine Verbesserung der Intensität erzielen; abgesehen von der technischen Unannehmlichkeit der letzten Lösung haben alle diese Vorschläge den Nachteil, daß sie einerseits die einfache Anordnung der kalten Kathode komplizieren und damit auch die Stabilität der Emission beeinträchtigen und daß anderseits die Punktförmigkeit der kalten Emission vor der Kraterbildung nicht gewährleistet ist, was auch diese Lösungen für die vorgesehenen Anwendungszwecke unbrauchbar macht. Erst der Krater hilft den »punktförmigen« Emissionsfleck für die Elektronen zu bilden.

Es ist deshalb nicht wünschenswert, die Kraterbildung zu vermeiden, sondern das Ziel muß sein, ein System zu finden, welches bei eingebranntem Krater und somit punktförmigem Fleck dem Elektronenstrahlgerät einen Elektronenstrahl von genügender Intensität, Stabilität und Lebensdauer liefert. Oder, anders ausgedrückt, es soll untersucht werden, wohin die vor der Kraterbildung noch vorhandene Intensität nach der Kraterbildung zum größten Teil verschwindet und wie diese Intensität dem Elektronenstrahlapparat wieder zugeführt werden kann, und zwar für eine lange Brenndauer.

Zu diesem Zweck wurden eingehende Untersuchungen und Messungen durchgeführt. Im folgenden sollen deren Resultate angegeben werden und auf Grund dieser Resultate ein Strahlerzeugungssystem, welches dieser Forderung entspricht, sowie das Vorgehen, ίο welches zur richtigen Dimensionierung dieses Beleuchtungssystems führt.

Aus den Untersuchungen gehen folgende wichtige und zum Teil ganz neue Erkenntnisse hervor:

1. Bei eingebranntem Krater bilden sich im Strahlengang der Elektronen im oder unmittelbar vor dem

Krater mindestens zwei Überkreuzungspunkte.

Ein Beispiel eines solchen Strahlenganges ist, allerdings mit weit überdimensionierter Apertur, schematisch in Fig. 2 dargestellt. In der Kathode K hat sich ein Krater gebildet, auf dessen Boden der Emissionsfleck E sich nun befindet. Das Kriterium dafür, daß der Krater oder der Emissionsfleck »eingebrannt« ist, liegt in der Punktförmigkeit der Emissionsquelle E, welche durch Abbildung oder Vergrößerung im Elektronenstrahlapparat kontrolliert werden kann. Solange der Krater nicht fertig eingebrannt ist, ist der abgebildete Emissionsfleck groß. Mit sich vertiefendem Krater wird er kleiner und erreicht dann den Durchmesser von etwa 3 · 10~² mm, was offenbar dem Teil des Kraterbodens entspricht, welcher, optisch gesehen, in Richtung der Anodenblende emittiert. Der ebenfalls schwach in Richtung der Anodenblende emittierende Kraterrand soll hier nicht weiter betrachtet werden, da die Intensität dieser Strahlen 100- bis lOOOmal schwächer ist.

Das in den Krater durchgreifende Feld zwischen Anode und Kathode ergibt eine Linse, welche die etwas seitlich vom auf der Z-Achse liegenden Punkt des Emissionsflecks ausgesandten Strahlen zu mindestens zwei Überkreuzungen C₁ und C₂ zwingt. Der Strahlengang wird offenbar beeinflußt einerseits von der Linsenwirkung des Kraters und andererseits von der geometrischen Form des emittierenden Kraterbodens.

2. Wie bei den meisten Elektronen-Richtstrahlern ist auch bei der kalten Kathode mit Krater der Strahlengang so, daß ein virtueller Fleck hinter der Kathode entsteht. Genau definiert wird der Ort dieses virtuellen Flecks durch das Verhältnis von Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen tangentiell zur Emissionsfläche zu Beschleunigungsspannung. Näherungsweise kann dieser Punkt auch gefunden werden durch die Rückverlängerung der in Fig. 2 eingezeichneten Strahlen. Dies ergibt den Ort des virtuellen Emissionsflecks Ev. Der Fehler, welcher bei dieser näherungsweisen Bestimmung gemacht wird, ist gleich dem Radius des virtuellen Emissionsflecks Ev dividiert durch die Apertur χ der Rückverlängerung. Diese Größe ist klein gegenüber dem Abstand zwischen virtuellem Emissionsfleck und erster Abbildungslinse des Elektronenstrahlapparates und kann deshalb vernachlässigt werden.

3. Die gemessene Intensitätsverteilung einer solchen kalten Kathode mit Krater ergibt einen »Hohlstrahl«. Der Hohlstrahl ist dadurch definiert, daß das Maximum des integralen Richtstrahlwertes bei einer von Null verschiedenen Apertur liegt. Der Richtstrahlwert R ist definiert als der pro Flächenelement und pro Raumwinkel ausgestrahlte Elektronenstrom. Wird der Raumwinkel symmetrisch zur Z-Achse aufge-

im Raum zwischen Kathode K und Anodenblende B so gewählt ist, daß die mittlere freie Weglänge der Ionen im Gasgrößer als der Abstand zwischen Kathode K und Lochanode A und kleiner als der Abstand zwischen Kathode Kund Anodenblende B ist. Der Durchmesser des Loches in der Lochanode A kann bis zu 25 % kleiner als der Abstand zwischen Kathode K und Anode A sein.
Unter Berücksichtigung dieser Angaben wird ein

nicht die in der betreifenden Ebene erreichbare Gesamtintensität an Elektronenstrahlung, sondern die Flächendichte der Elektronenstrahlung wesentlich. In

spannt, so ist dadurch der integrale Richtstrahlwert definiert. Ein Hohlstrahl bedeutet nun, daß der Richtstrahlwert, als Funktion der Apertur aufgetragen, nicht in der Art einer Gaußschen Verteilung oder einer Glockenkurve von einem Maximum bei der Apertur Null kontinuierlich abnimmt, sondern daß er von seinem Wert für die Apertur Null gegen größere Aperturen hin zuerst ansteigt, um nach Erreichen eines Maximums wieder abzufallen.

Eine solche gemessene Kurve ist in Fig. 3 auf ge- ίο Strahlerzeugungssystem mit kalter Kathode mit der tragen. Sie wurde gemessen an einer kalten Kathode größtmöglichen Elektronenausbeute erhalten. In den der beschriebenen Bauart bei 56 kV. Der Richtstrahl- meisten Fällen kommt es dabei darauf an, an einem wert R ist aufgetragen in Amp./cm² ■ rad² als Funktion bestimmten Punkt im Apparat eine höchstmögliche der Apertur (α). Die Kurve zeigt, daß die ausgemessene Flächendichte des Elektrodenstrahles zu erzeugen, kalte Kathode bei eingebranntem Fleck beispielsweise 15 beispielsweise in einem Elektronenmikroskop am Ort einen maximalen integralen Richtstrahlwert für eine des Präparates, um eine größtmögliche Helligkeit des Apertur von etwa 1,6 · 10~³ aufweist und daß dieser stark vergrößerten Bildes auf dem Leuchtschirm zu Wert über 6mal höher ist als der Richtstrahlwert für erreichen, oder im Elektronenstrahloszillographen, um kleine Aperturen. auf dem Leuchtschirm oder auf der photographischen

Über die Entstehung dieses Hohlstrahles kann man 20 Schicht eine möglichst intensive Strahlung oder sich an Hand von Fig. 2 ein Bild machen. Es genügt, Schwärzung zu erhalten. In allen diesen Fällen ist daß der Boden des Kraters eine Form hat, bei welcher
der Krümmungsradius vom Zentrum auf der Z-Achse
nach außen hin kontinuierlich zunimmt, um einen
Hohlstrahl entstehen zu lassen. Diese Form des 25 den meisten Fällen kommen aber noch Einschränkun-Kraterbodens ist bei der Kleinheit des Kraters nicht gen dazu für den Öffnungswinkel, unter welchem die

Elektronenstrahlung auf diese Ebene trifft, so daß die Größe, welche für die Güte des Strahlerzeugungssystems ausschlaggebend ist, definiert werden muß als Elektronenstrom pro Flächeneinheit und pro Raumwinkeleinheit, gemessen in der Ebene, in welcher der Elektronenstrahl zu einem bestimmten Zweck fokussiert wird. Dieselbe Größe, in der Emissionsebene definiert, heißt Richtstrahlwert R. Bezeichnen wir mit

Man kann sich leicht vorstellen, daß einerseits der 35 j den Elektronenstrom pro Fläche und Raumwinkel in Durchgriff des Feldes in den Krater mit der Tiefe des einer vorgegebenen Ebene des Apparates und mit β

Kraters sich ändert und damit die Linsenwirkung dieses Durchgriffes variiert. Anderseits kann auch der Kraterboden mit zunehmender Tiefe seine Gestalt verändern und das Maximum des Richtstrahlwertes auf eine andere Apertur zu liegen kommen. Dies ist bei ungeeigneter Dimensionierung tatsächlich der Fall. Das oben beschriebene Strahlerzeugungssystem behält bei Spannungen über 50 kV nur während relativ kurzer Zeit seine Eigenschaften bei, da die im zitierten Artikel in der Helvetica Physica Acta gegebene Dimensionierung ungeeignet ist. Mit zunehmender Kratertiefe wirkt das nach diesen Angaben dimensionierte System nicht mehr unter optimalen Bedingungen

und nimmt also an Intensität ab. Da die Lebensdauer 50 Durchmesser des Loches in der Lochanode kleiner ist dadurch definiert wird, daß die erhältliche Intensität als der Abstand zwischen Kathode und Lochanode

sich während dieser Zeitdauer nicht wesentlich ändert, ist bei falscher Dimensionierung die Lebensdauer relativ klein, d. h., sie beträgt auch für ein geeignetes Kathodenmaterial weniger als 100 Stunden.

Bei richtiger Dimensionierung dagegen kann experimentell festgestellt werden, daß die Intensität und deren Verteilung nach erfolgtem Einbrennen des Flecks sich über lange Zeit, d. h. über mehrere 100 Stunden, nicht ändert, sofern ein geeignetes Kathodenmaterial, beispielsweise Chromstahl, verwendet wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Durchmesser des Loches in der Lochanode A kleiner ist als der Abstand zwischen

Kathode K und Anode A, daß der Abstand zwischen 65 angebracht wird, wird der Elektronenstrom Z₁ in Ab-Lochanode A und Anodenblende B mindestens das hängigkeit vom Blendendurchmesser d_x gemessen.

Zweieinhalbfache des Abstandes zwischen Loch- e) Dieselbe Messung wird wiederholt für eine Blende

anödet und Kathode ^T beträgt und daß der Gasdruck mit variierenden Durchmessern in einer anderen

nachprüfbar. Ob diese Hypothese richtig ist, ist hier auch nicht von wesentlicher Bedeutung, da nur Wert auf die Tatsache des Hohlstrahles gelegt wird, nicht aber auf die Ursache seiner Entstehung.

4. Bei geeigneter Dimensionierung der kalten Kathode bleibt deren Intensitätsverteilung über lange Zeit unverändert.

Dieses Resultat ist keineswegs selbstverständlich.

den Öffnungswinkel, unter welchem die Elektronenstrahlen in diese Ebene eintreten dürfen, so gilt

J = Jt-R(k)-ß*. (1)

Dabei ist R(oc) der beispielsweise in Fig. 3 eingezeichnete Richtstrahlwert der kalten Kathode. Die Gleichung (1) zeigt, daß die wesentliche Größe./ dort ein Maximum erreicht, wo R ein Maximum wird.

Das beschriebene Elektronenstrahlerzeugungssystem kann beispielsweise also folgendermaßen dimensioniert werden:

a) Gemäß Punkt 4 der obigen Beschreibung muß die kalte Kathode so dimensioniert werden, daß der

und daß der Abstand zwischen Anodenblende und Lochanode größer ist als das Zweieinhalbfache des Abstandes zwischen Lochanode und Kathode.

b) Diese Kathode muß bei einem Gasdruck betrieben werden, für den die mittlere freie Weglänge der Moleküle größer ist als der Abstand Kathode— Lochanode und kleiner als der Abstand Kathode— Anodenblende.

c) Die Kathode wird so lange in Betrieb genommen, bis der Krater gemäß Punkt 1 eingebrannt ist.

d) Mit Hilfe einer Blende (beispielsweise B in Fig. 4) von variablem Durchmesser und eines Auffängers, welcher im nach der Blende unbeeinflußten Strahl

Ebene (ζ. B. in der Linsenebene L). Dies ergibt den Elektronenstrom z₂ als Funktion des Blendendurchmessers d₂.

f) Aus diesen beiden gemessenen Kurven wird der Richtstrahlwert der benutzten Kathode berechnet. Dieser ergibt sich als

π«²

(2)

D ist Durchmesser des Emissionsflecks an der Stelle des virtuellen Emissionsflecks Ev. Der einzusetzende Öffnungswinkel « ist aber vorläufig unbekannt und muß erst bestimmt werden. Da « nach Fig. 4 gegeben

ist durch yy, wo/ der jeweilige Abstand der Blende vom virtuellen Emissionsfleck Ev ist, wird

ziehen sich auf die Dimensionierung dieser Blende und haben die optimale Ausnützung des erzeugten Elektronenstrahles in einer Ebene E zum Zweck.

Diese ist dann gewährleistet, wenn der Durchmesser der die kathodenseitige Apertur (α) begrenzenden Blende so gewählt wird, daß die kathodenseitige Apertur («), gemessen in bezug auf den virtuellen Fleck Ev, gleich der Apertur ist, bei welcher der nach dem letzten Crossover gemessene integrale Richtstrahlwert bei Erreichung der stabilen Intensitätsverteilung sein Maximum hat.

Es sei beispielsweise die Anodenblende B die die kathodenseitige Apertur begrenzende Blende.

Die gemäß dieser Beschreibung durchgeführten Messungen ergeben ein Maximum des integralen Richtstrahlwertes bei der Apertur * {Rmax)· Dann ist die Größe der Anodenblende B so zu wählen, daß

(3)

wo für η die Indices 1 und 2 der ausgeführten Messungen einzusetzen sind. Weiter müssen die zwei ausgeführten Messungen natürlich denselben Wert R{oc) ergeben, so daß gilt:

4/|

— ,

4P₁

(4)

Daraus ergibt sich ein Wert für die Größe

Da nach Fig. 4 auch die Größe I₂ —I₁ bekannt ist, lassen sich daraus I₁ und I₂ bestimmen.

g) Auf diese Weise erhält man den Abstand des virtuellen Emissionsflecks Ev von der Kathode K.

h) Nun wird durch eine oder mehrere Linsen (beispielsweise L) der Emissionsfleck in einer Ebene E abgebildet und dort dessen Durchmesser De ausgemessen. Aus den Abständen LE und LEv ergibt sich die Vergrößerung oder Verkleinerung und daraus der Durchmesser D des virtuellen Emissionsflecks Ev.

i) Mit den gemessenen Größen d und i und dem berechneten D und / kann jetzt aus (3) der Richtstrahlwert für jeden gemessenen Punkt berechnet und wie in Fig. 3 eine Kurve R{x) aufgetragen werden.

k) Diese Kurve hat nach Punkt 3 ein Maximum bei einem bestimmten Wert von %, den man als «₀ bezeichnet.

1) Die die kathodenseitige Apertur begrenzende Blende wird so dimensioniert, daß der Quotient von Radius der Blende und Abstand der Blende vom virtuellen Emissionsfleck Ev gleich «₀ ist. Diese Blende kann irgendwo zwischen der Anodenblende B und der Linsenblende L, die beiden Blenden inbegriffen, liegen; sie muß aber die einzige die kathodenseitige Apertur begrenzende Blende sein.

Ein so dimensioniertes Strahlerzeugungssystem ergibt nach (1) die optimale Intensität in einer vorgegebenen Ebene und genügt den Anforderungen an Stabilitat und Lebensdauer auch bei Betriebsspannungen über 50 kV. Sie gibt den verlangten Richtstrahlwert.

Die Flächendichte in einer Ebene E im Elektronenstrahlapparat hängt jedoch weiter von der Dimensionierung der übrigen Elemente des Elektronenstrahlerzeugungssystems und insbesondere von der Lage und Größe der die kathodenseitige Apertur begrenzenden Blende ab. Die weiteren Ausführungsbeispiele be

2I₁ Weiter sei durch nicht in der Konstruktion des Strahlerzeugungssystems liegende Gründe der Durchmesser d₂ einer Blende in der der Kathode am nächsten liegenden Linse L vorgegeben. Dann ist der Abstand zwischen der Linse L und dem virtuellen Fleck Ev so

zu wählen, daß -~ > »{Rmax), d. h., daß die Blende ■t-k

in der Linse L nicht aperturbegrenzend ist.

Liegt die die kathodenseitige Apertur begrenzende Blende beispielsweise in der der Kathode am nächsten liegenden Linse L, so ist üblicherweise diese Blende auch aperturbegrenzend für die nicht kathodenseitige Apertur (ß) und also durch anderweitige elektronenoptische Gründe deren Durchmesser d₂ festgelegt. Dann ist der Abstand I₂ zwischen Linse L und virtuellem

Fleck Ev so zu wählen, daß -~- = <x = <x{R_max). Um

zu gewährleisten, daß diese Blende die einzige die kathodenseitige Apertur begrenzende Blende bleibt, gilt natürlich für die Anodenblende B:

2I₁ ■ ·

Die aperturbegrenzende Blende kann in irgendeiner Ebene zwischen der Anodenblende B und der der Kathode am nächsten liegenden Linse L angebracht werden. Diese Blende mit einem Durchmesser d befinde sich im Abstand / vom virtuellen Fleck Ev. Dann

muß gelten:

sowie

Zl₂

^y = »{Rmax), weiter
> oi{R_max).

> *{R_max)

Alle diese Ausführungen sind auf die maximale in der Ebene E erreichbare Flächendichte nach Gleichung (1) ausgelegt. Die beim Betrieb des Elektronengerätes meist notwendige Veränderungsmöglichkeit in Richtung auf kleinere Flächendichten in der Ebene E ist in bekannter Weise realisierbar durch Veränderung der Brennweite der Linse oder Linsen L oder durch Auswechseln der aperturbegrenzenden Blende durch eine solche kleineren Durchmessers. Befindet sich die Blende beispielsweise zwischen der Anodenblende B und der der Kathode am nächsten liegenden Linse L, so können an Stelle dieser Blende mehrere aperturbegrenzende Blenden verschiedenen Durchmessers vorgesehen sein, welche abwechslungsweise in den Strahlengang gebracht werden können, wobei mindestens eine und normalerweise die größte dieser Blenden einen solchen Durchmesser besitzt, daß die kathoden-

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seitige Apertur (cc) in bezug auf den virtuellen Fleck Ev gleich oc(Rmax) ist. Auch hier gelten:

—— > Oi(Rmax) und —~ > Oi(R_max).

Mit der beschriebenen Dimensionierung des Elektronenstrahlerzeugungssystems ist bei Wahl von einer einzigen Linse L der Durchmesser des Bildes des Emissionsflecks in der Ebene E bei größter Flächenhelligkeit gegeben. Bei Wahl von mehreren Linsen kann eine Änderung dieses Durchmessers auch in fokussiertem Zustand erreicht werden. Es genügt zur Erfüllung der an das System gestellten Anforderungen, daß bei nur einer Konstellation von Blenden und Linsenbrennweiten die gestellten Bedingungen erfüllt sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektronenstrahlerzeugungssystem für Kathodenstrahlröhren mit kalter Kathode, Lochanode und Anodenblende, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Loches in der Lochanode (A) kleiner ist als der Abstand zwischen Kathode (K) und Lochanode (^4), daß der Abstand zwischen Lochanode (A) und Anodenblende (B) mindestens das Zweieinhalbfache des Abstandes zwischen Kathode (K) und Lochanode (A) beträgt und daß der Gasdruck im Raum zwischen Kathode (K) und Anodenblende (B) so gewählt ist, daß die mittlere freie Weglänge der Ionen im Gas größer als der Abstand zwischen Kathode (K) und Lochanode (A) und kleiner als der Abstand zwischen Kathode (K) und Anodenblende (B) ist.

2. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach An-Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der die kathodenseitige Apertur (oc) begrenzenden Blende so gewählt ist, daß die kathodenseitige Apertur (α), gemessen in bezug auf den virtuellen Fleck (Ev), gleich der Apertur ist, bei welcher der nach dem letzten Überkreuzungspunkt gemessene integrale Richtstrahlwert bei Erreichung der stabilen Intensitätsverteilung sein Maximum hat.

3. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aperturbegrenzende Blende die Anodenblende (B) ist und daß der Abstand (Z₂) zwischen der der Kathode am nächsten liegenden Linse (L) und dem virtuellen Fleck (Ev) so gewählt wird, daß die Linse (Z,) für die kathodenseitige Apertur nicht begrenzend wirkt.

4. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aperturbegrenzende Blende in der der Kathode am nächsten liegenden Linse (L) liegt und daß der Abstand (^₂) zwischen dem virtuellen Fleck (Ev) und dieser Blende (Z₂) so gewählt ist, daß die kathodenseitige Apertur (ca) in bezug auf den virtuellen Fleck (Ev) gleich der Apertur ist, bei welcher der integrale Richtstrahlwert sein Maximum hat.

5. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aperturbegrenzende Blende in irgendeiner Ebene zwischen Anodenblende (B) und Linse (L) angeordnet ist.

6. Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere aperturbegrenzende Blenden verschiedener Durchmesser vorgesehen sind, welche abwechslungsweise in den Strahlengang gebracht sind, wobei mindestens eine dieser Blenden einen solchen Durchmesser aufweist, daß die kathodenseitige Apertur in bezug auf den virtuellen Fleck gleich der Apertur ist, bei welcher der integrale Richtstrahlwert sein Maximum hat.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 240 060.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen