DE1124160B - Becherfoermige elektrostatische Linse fuer eine Kathodenstrahlroehre - Google Patents

Description

INTERNAT. KL. HOIj

DEUTSCHES

PATENTAMT

S 46598 Vfflc/21g

ANMELDETAG: 5. DEZEMBER 1955

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 22. F E B RU AR 1962

Die Erfindung bezieht sich auf eine becherförmige elektrostatische Linsenelektrode für eine Kathodenstrahlröhre, die sich über die offenen Enden mehrerer Elektronenstrahlerzeugungssysteme erstreckt.

Bei den allgemein bekannten Farbfernsehbildröhren werden drei Elektronenstrahlerzeugungssysteme verwendet, deren Achsen parallel zueinander angeordnet sind. Die Elektronenstrahlen werden veranlaßt, sich an einem gemeinsamen Treffpunkt an einem Gitter oder einer mit Öffnungen versehenen Maske, welche dem Bildschirm zugeordnet ist, einander zu nähern. Die konvergierenden Strahlen dringen durch das Gitter oder die Maske und divergieren auf die die Leuchtschirmsubstanz tragenden Teile des Schirmes, wo sie nach Wahl die farbigen Elemente eines Bildes erzeugen. Das Maß der erforderlichen Konvergenz, um alle Strahlen auf dem gleichen Punkt des Schirmes auftreffen zu lassen, hängt von der Röhrengeometrie ab und variiert dem Grade nach in Abhängigkeit von demjenigen Teil des Schirmes, auf welchen die Strahlen konvergiert werden. Jede Röhrenart hat deshalb ihre für sie erforderlichen statischen und dynamischen Konvergenzarbeitsbedingungen. Der Ausdruck »statische Konvergenz« gibt das Maß der Konvergenz an, welches notwendig ist, um die Strahlen auf der Mitte des Schirmes zusammenzubringen, und der Ausdruck »dynamische Konvergenz« bezieht sich auf die veränderliche Konvergenz, welche hinzugeführt werden muß, um die Konvergenz an anderen Stellen des Schirmes zu erzeugen.

Es sind verschiedene Arten von Konstruktionen bekannt, um die erforderliche Konvergenz der Strahlen zu erzeugen. Eine Gruppe dieser Konstruktionen wendet elektromagnetische Ablenkfelder an. Auch elektrostatische Ablenkplatten oder elektrostatische Konvergenzlinsen können für diesen Zweck verwendet werden. Im Vergleich zwischen diesen beiden Gruppen erscheint die eine elektrostatische Konvergenz bewirkende Gruppe der Elektronenstrahlerzeugerkonstruktionen für Farbbildröhren vorteilhafter als die elektromagnetisch wirkende Gruppe, und zwar wegen ihres einfacheren Aufbaus, der verminderten Zahl äußerer Teile und der verminderten Zahl der erforderlichen Leistungszuführungen. Die Erfindung bezieht sich auf Konvergenzlinsen der elektrostatischen Art.

Bei Zweipotentiallinsenkonstruktionen, welche der Erzeugung von Strahlkonvergenz dienen, werden im allgemeinen in der die Linse bildenden Konstruktion zwei Elektroden vorgesehen. Eine Elektrode, die sogenannte Konvergenzelektrode, ist ein Zylinder oder ein Topf, welcher sich über die offenen Enden von Becherförmige elektrostatische Linse für eine Kathodenstrahlröhre

Anmelder:

Sylvania Electric Products Incorporated, eine Gesellschaft nach den Gesetzen

des Staates Delaware, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt, Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 6. Dezember 1954 (Nr. 473 213)

Glen Alden Burdick, Waterloo, N. Y.,

und Max Krawitz, Seneca Falls, N. Y. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

drei parallelen, in Dreieckform angeordneten Elektronenstrahlerzeugern gegen den Röhrenbildschinn hin erstreckt und mit einem Potential betrieben wird, welches gleich demjenigen der letzten Elektroden der Elektronenstrahlerzeuger ist. Der andere Teil der die Linse erzeugenden Konstruktion kann eine Verlängerung eines graphithaltigen Anodenüberzugs an der Innenseite des Halses der Kathodenstrahlröhre sein, welcher die Konvergenzelektrode überlappt, oder es kann ein Zylinder sein, der mittels der Befestigung für den Elektronenstrahlerzeuger gehalten wird. Dieser Teil wird mit dem Anodenpotential der Kathodenstrahlröhre betrieben, einem wesentlich höheren Potential als jedes andere, welches den Elektronenstrahlerzeugern der Röhre zugeführt wird. Bei Kathodenstrahlröhren mit elektrostatischer Fokussierung ist bisher ganz allgemein im Verhältnis der Tiefe zum Durchmesser der Konvergenzelektrode von ungefähr 1 angewendet worden. Auch ein Tiefe-zuDurchmesser-Verhältnis von 1:1,25 wurde schon bei einer bekannten Einrichtung mit nur einem Elektronenstrahl verwendet.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine elektrostatische Linsenkonstruktion zu schaffen, bei welcher die notwendige Linsenspannung herabgesetzt ist auf einen Wert, der unter demjenigen bekannter Linsen liegt und der im wesentlichen geringer ist als die Hälfte der Anodenspannung, wodurch die Verwendung

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höherer Spannungen an^: der Endanode der Farbbildröhre ermöglicht wird.

Es wurde gefunden, daß sich dieses Ziel bei einer elektrostatischen Linse mit einer Zweipotentiallinsenkonstruktion mit einer becherförmigen Konvergenzelektrode, die sich über die offenen Enden mehrerer Elektronenstrahlerzeuger erstreckt, dadurch erreichen läßt, daß erfindungsgemäß der Potentialgradient des elektrostatischen Feldes der Linsenelektrode am lassen haben, mit Hilfe einer Anode 26 gegen den Schirm hin beschleunigt, die als ein leitender Überzug auf der Innenseite des konischen Abschnittes der Bildröhre ausgebildet sein kann, wobei die Verbindung zu dem Überzug mit Hilfe eines Verbindungsgliedes 28 bewerkstelligt wird, welches die Wand der Röhre durchdringt.

Jede einzelne der Öffnungen 30 in der Maske 22 ist einer Gruppe von Dreifarbenleuchtschirmsubstanzen

Eintrittspunkt eines jeden ElektronenstraWes in die io 32 auf dem Schirm zugeordnet. Die relative Anord-

Linsenelektrode kleiner ist als der benachbarte Potentialgradient zwischen den gleichen Feldlinien.

Eine derartige Ausbildung gestattet, das Verhältnis

von Anodenspannung zu erforderlicher Konvergenznung der Elektronenstrahlerzeuger, der die öffnung aufweisenden Abdeckung und der Schirmpunkte ist derart, daß, wenn das Bündel der Kathodenstrahlen 14 durch eine Öffnung 30 gerichtet wird, jeder Strahl

spannung bei konstanter Brennweite gegenüber be- i₅ einen der drei Punkte trifft, so daß, wenn ein Strahl

kannten Anordnungen zu erhöhen, da in einem solchen Falle infolge der größeren Potentialdifferenz zwar das Feld stärker, gleichzeitig jedoch die Wirkung der Linsenelektrode vermindert wird. Der Elektroneneinfallswinkel auf die zuerst getroffenen Äquipotentialflächen beim Eintreten eines Strahles in das Linsenfeld ist der Senkrechten noch stärker angenähert. Die verminderte Konvergenzwirkung in dem Bereich geringeren Potentials der Linse ist begleitet von etwa diejenige Leuchtsubstanz trifft, welche dem Elektronenstrahlerzeuger zugeordnet ist, von der der Strahl ausgeht, diese betreffende Leuchtsubstanz erregt wird.

Der in Fig. 2 dargestellte bekannte Dreifarbenelektronenstrahlerzeuger besteht aus drei einzelnen Elektronenstrahlerzeugern 34, 36 und 38, welche nebeneinander angeordnet sind, so daß die Achsen der Elektronenstrahlerzeuger die Kanten eines Pris-

den gleichen Massen der Divergenzwirkung in dem 25 mas bilden, wie es am besten in der Ansicht der

Bereich hohen Potentials.

Die oben angeführten Bedingungen werden erfüllt, wenn das Verhältnis der Länge zum Durchmesser der becherförmigen Linsenelektrode kleiner als 1, vorzugs-Fig. 1 ersehen werden kann. Jeder der Elektronenstrahlerzeuger besitzt einen Kathoden- und Heizabschnitt 40, aufgenommen innerhalb eines ersten Gitters 42, ferner ein zweites Gitter 44, ein drittes

weise 0,5 ist oder wenn eine metallische Elektrode 30 Gitter 46 und ein viertes Gitter 48, die alle im allge-

in axialer Richtung am Eingangsabschnitt der Linsenkonstruktion angeordnet ist. Bei Verwendung von auf einem Kreisring angeordneten Elektronenstrahlerzeugungssystemen ist die metallische Elektrode im Zentrum der Elektronenstrahlen angeordnet.

In den Zeichnungen wird die beschriebene Einrichtung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Katodenstrahlröhre mit drei Strahlerzeugungssystemen,

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Elektronenstrahlerzeugers mit einer bekannten elektrostatischen Konvergenzelektrode,

Fig. 3 eine Rückansicht der in Fig. 2 dargestellten Konvergenzelektrode,

Fig. 4 eine herausgebrochene Schnittansicht einer Konvergenzelektrode, bei der das Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Elektrode kleiner als 1 ist,

meinen Rohrform haben und mit Blenden 50 ausgerüstet sein können. Die vierten Gitter 48 erstrecken sich bis in die Rückwand einer topfförmigen Konvergenzelektrode 52, welche ihrerseits in den HaIsabschnitt 54 der Kathodenstrahlröhre hineinragt. Die dargestellte Konvergenzelektrodenkonstruktion weist einen Becher mit zylindrischen Wänden von einer Länge auf, welche gleich seinem Durchmesser ist.

Die bekannte Konvergenzelektrode und die letzte Anode arbeiten zusammen, um ein Feld zu erzeugen, wie es durch die Äquipotentiallinien 56 in Fig. 2 dargestellt ist, wobei die Strahlen längs der Bahn verlaufen, wie sie durch die strichpunktierte Linie 58 angegeben ist. Es ist ersichtlich, daß die Bahn eines Elektrons, welches seinen Elektronenstrahlerzeuger verläßt, allmählich zur Achse der Röhre hin gebogen wird, wenn es das Feld der Konvergenzelektrode durchquert. Wenn die Elektronen in den Divergenzabschnitt des Feldes eindringen, wird ihre Bahn erneut

Fig. 5 eine herausgebrochene Schnittansicht einer 50 in der entgegengesetzten Richtung gebogen, so daß Konvergenzelektrode, bei der eine metallische Elek- ihre endgültige Bahn nahe der Achse der Röhre ver-

trode in axialer Richtung angeordnet ist, und

Fig. 6 eine Endansicht der in Fig. 5 dargestellten Konvergenzelektrode.

Fig. 1 zeigt eine übliche Farbfernsehbildröhre, bei welcher eine mit Öffnungen versehene Maske verwendet wird. Die Röhre besitzt eine Hülle 10, in deren einem Ende ein Vielfach-Elektronenstrahlerzeuger 12 eingeschmolzen ist, der drei Kathodenläuft und allmählich zu dieser hin konvergiert.

In der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ist der Becher, welcher die Konvergenzelektrode 52 bildet, etwa halb so lang, wie er breit ist. Das abgewandelte Feld, welches auf diese Weise erzeugt wfxd, ist durch die Äquipotentiallinien 62 dargestellt, und der relative Unterschied zwischen der Bahn eines Elektronenstroms, welcher durch die Potentiale beschleunigt

Strahlbündel 14 erzeugt. Verbindungen zu den ver- 60 wird, die bei dem Elektronenstrahlerzeuger der Fig. 2

schiedenen Elektroden des Elektronenstrahlerzeugungsabschnittes der Röhre werden mit Hilfe von Leitungen 57 hergestellt, die sich nach rückwärts zu dem Sockel 16 und den Stiften 18 erstrecken. Der Schirm der Bildröhre weist eine Oberfläche 24, die die Leuchtschirmsubstanz trägt, sowie eine mit Öffnungen versehene Maske 22 auf. Die Strahlen werden, nachdem sie die Elektronenstrahlerzeuger ververwendet werden, und der durch diejenigen Elektronen beschriebenen Bahn, welche in den Feldern beschleunigt werden, die durch diese Neukonstruktion möglich gemacht werden, wird dadurch aufgezeigt, daß die entsprechende frühere Bahn 66 neben der neuen Bahn 64 eingetragen ist.

Die Konvergenzwirkung einer einfachen Zweipotentiallinse auf voneinander mit Abstand veriau-

fende Elektronenstrahlen ergibt sich aus der Ablenkung der Strahlen, wenn sie die Konvergenz- und Divergenzfelder innerhalb der einander zugeordneten, axial ausgerichteten zylindrischen Elektroden durchlaufen, wobei das Konvergenzfeld in derjenigen Elektrode angeordnet ist, an welche das geringere Potential angelegt ist, und das Divergenzfeld in derjenigen Elektrode angeordnet ist, an welche das höhere Potential angelegt ist. Die Stärke der Linse hängt von der Stärke der in den Zylindern erzeugten Felder ab, und die Stärke der Felder ist ihrerseits im wesentlichen proportional der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden. Weil das Konvergenzfeld eine größere Wirkung auf die Elektronenstrahlen hat als das Divergenzfeld, ergibt sich als Gesamtwirkung der einfachen Zweipotentiallinse auf voneinander getrennte parallele Strahlen ein Richtungswechsel, wenn die Strahlen die Seite hohen Potentials der Linse verlassen. Die Änderung tendiert fort von der Parallelität und in Richtung auf die verlängerte Linsenachse. Ein Anwachsen der Linsenstärke, verursacht durch eine Erhöhung der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden, verkürzt den Abstand, nach welchem ein gegebener nichtaxialer Elektronenstrahl die Linsenachse kreuzt, nachdem er das Linsenfeld verlassen hat.

In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Verminderung des Potentials der Konvergenzelektrode begleitet von der Anwendung des stärkeren Feldes, das sich aus dem Anwachsen der Potentialdifferenz über die Linse ergibt, während das Feldbild in der Linse wohlüberlegt in der Weise geändert wird, daß die Wirkung der verstärkten Linse auf die Elektronenstrahlen vermindert wird. Dies wird durchgeführt, indem die Konvergenzelektroden gekürzt werden, so daß eine Interferenz zwischen dem Konvergenzfeld und den Rückwandteilen der Elektrode verursacht wird, welche die Krümmung der Äquipotentiallinien in diesem Bereich vermindert und so den Konvergenzeffekt der Linse herabsetzt. Da die Brennweite der Elektronenstrahlerzeugeranordnung grundsätzlich durch andere Bedingungen bestimmt und somit festgelegt ist, gleicht die geschwächte Linse, welche durch den kürzeren Becher erzeugt wird, die vermehrte Stärke der Linse auf Grund der größeren Feldstärke aus.

Die Art des Feldbildes, welches in der Linse nach der Fig. 4 verwendet wird, ist durch die Äquipotentiallinien 62 dargestellt. Da der Endabschlußteil 60 des Bechers wegen der öffnungen an den Eintrittsstellen der vierten Gitterelektroden 48 eine Rotationsunsymmetrie aufweist und da außerdem ebene Elektrodenflächen an der Rückseite des Bechers vorhanden sind, ist die Krümmung der Äquipotentiallinien in dem Feldbereich dicht an der Rückseite des Bechers und an der Linsenachse nicht mehr regelmäßig, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, sondern sie kann gekennzeichnet werden durch Abflachungen im Bereich der ebenen Flächen und durch schärfere Krümmungen in den Bereichen, welche sich radial außerhalb der Öffnungen befinden. Die Gesamtwirkung ist diejenige einer verminderten Feldkrümmung an den Eintrittsstellen der Strahlen, und somit ist die Ablenkung der Strahlen, wenn sie durch die Linse laufen, verringert.

Wie bereits erwähnt, hat sich als ein guter Wert der Becher für eine Konvergenzelektrode mit einem Durchmesser von etwa 38 mm, welche in einem Röhrenhals von etwa 51 mm Durchmesser angeordnet ist, experimentell eine Länge von etwa 19 mm für eine Dreifach-Elektronenstrahlerzeugerkonstruktion mit einem Durchmesser des vierten Gitters von etwa 9,5 mm ergeben. Eine Verminderung der Länge der Konvergenzelektrode unter diesen Punkt ergab eine beträchtliche Verzerrung der Strahlen und ein Anwachsen der Punktgröße. Es wurde auch gefunden, daß bei weiterer Verminderung der Elektrodenlänge

ίο die Sammelwirkung der Konvexabschnitte der Linsenfelder nahe der öffnungen des vierten Gitters sehr ausgeprägt wird und daß die Spannung der Konvergenzelektrode, welche für eine genaue Konvergenz erforderlich ist, negativ wird, was eine unerwünschte Bedingung für die Schaltungstechnik ist. Eine Änderung der Größen der Teile mit Bezug aufeinander ergibt natürlich andere Werte bei der Bestimmung der optimalen Länge der Konvergenzelektrode.
Elektronenstrahlerzeuger, welche bei der Konver-

ao genzelektrode ein Verhältnis der Länge zur Breite von 1:2 anwenden, sollten, wie weiter gefunden wurde, ein Verhältnis der Spannungen des vierten Gitters zur Anode von etwa 0,25 aufweisen und benötigen beispielsweise etwa 8 kV für die Konvergenz, wenn sie in Verbindung mit einer Anodenspannung von 27 kV Verwendung finden. Es wurde weiter durch Versuche gefunden, daß der Bestwert des Verhältnisses der Tiefe zur Breite für die Abmessungen des Konvergenzelektrodenbechers bei 0,5 liegt. Wenn dieser Wert erhöht wird, ergeben sich unerwünschte Auswirkungen in bezug auf die Vergrößerung der Länge der Röhre, die eine derartige Elektrode aufweist, und auf die Vergrößerung der erforderlichen Konvergenzspannung. Auf der anderen Seite wächst aber, wenn das Verhältnis beträchtlich unter diesen Punkt abgesenkt wird, der Sammeleffekt der geformten Konvergenzlinse mit dem Ergebnis, daß eine zu starke Sammlung in der Konvergenzlinse hervorgerufen wird, die keinen Platz für das Ausführen der Sammlung in den Sammellinsen läßt. Das gleichzeitige Durchführen des Konvergierens und Sammelns in einer einzigen Linse wäre zwar vom Standpunkt einer vereinfachten verkürzten Konstruktion des Elektronenstrahlerzeugers vorteilhaft, ist aber nachteilig, weil mit dem Fortfall der Sammelelektroden Begrenzungsöffnungen in der zylindrischen Elektrode nahe und in Verbindung mit der Konvergenzelektrode erforderlich sein würden. Der durch diese Anordnung benötigte Strom würde unerwünscht hoch sein und eine unerwünschte Leistungszufuhr erfordern, die geeignet sein müßte, einen beträchtlichen Strom bei einer hohen Spannung zuzuführen. An manchen Stellen ergibt eine Verminderung der Becherlänge und die daraus resultierende Verminderung der Krümmung in dem Konvergenzabschnitt der Linse eine divergente Gesamtwirkung der Linse, da sich das divergente Verhalten des Ausgangsabschnittes der Linse stärker auswirkt als das konvergente Verhalten des Eingangsabschnittes der Linse, wodurch ein divergenter Gesamteffekt resultiert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem die Form des Konvergenzabschnittes einer Zweipotentiallinse durch einen axialen Stift 68, welcher zentrisch in dem Boden des Konvergenzelektrodenbechers befestigt ist, und durch die durch die vierten Gitterzylinder gebildeten Öffnungen bestimmt wird. Durch entsprechendes Bemessen der Stiftlänge in bezug auf die Becher-

länge ergibt sich eine abgewandelte Feldform, die durch die Umrißlinien 72 dargestellt ist, welche den Äquipotentiallinien entsprechen. Diese Anordnung erzeugt ein Feld, welches rotationssymmetrisch in bezug auf die Achse des Zylinders ist, und zwar an- S nähernd in der Art einer abgeflachten Halbkugelfläche, welche geeignet ist, mehrere Strahlen bei einer geringeren Spannung konvergieren zu lassen. Die Konstruktion ist der Anordnung gemäß Fig. 4 in einer Hinsicht unterlegen, nämlich sie ist etwas langer und verlangt deshalb eine größere Röhrenlänge bei einer Anwendung auf dem Farbfernsehgebiet. Eine weitere Formung des Feldes kann bewerkstelligt werden, indem die Abmessungen und die Form des Feldformstiftes verändert werden.

Obwohl die beiden dargestellten Konstruktionen im Zusammenhang mit dreiElektronenstrahlerzeugern für Farbfernsehröhren beschrieben sind, sind sie auch in anderen Kathodenstrahlröhren in gleicher Weise zur Erzeugung einer Ablenkung von einem oder mehreren Strahlen in Richtung auf die Achse einer Zweipotentiallinse geeignet, bei denen die Elektronenstrahlerzeugungssysteme mit einigem Abstand von der Achse der Elektronenstrahlröhre angeordnet sind. Im Falle einer axialsymmetrischen Konstruktion, wie sie beispielsweise in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, kann die beschriebene Einrichtung benutzt werden, um ein sich änderndes Maß der Konvergenz in einem hohlen zylindrischen Strahl zu erzeugen.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Becherförmige elektrostatische Linsenelektrode für eine Kathodenstrahlröhre, die sich über die offenen Enden mehrerer Elektronenstrahlerzeugungssysteme erstreckt, dadurch gekenn zeichnet, daß der Potentialgradient des elektrischen Feldes der Linsenelektrode am Eintrittspunkt eines jeden Elektronenstrahles in die Linsenelektrode kleiner ist als der benachbarte Potentialgradient zwischen den gleichen Feldlinien.

2. Elektrostatische Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge zum Durchmesser der becherförmigen Linsenelektrode kleiner als 1, vorzugsweise 0,5 ist (Fig. 4).

3. Elektrostatische Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische Elektrode in axialer Richtung am Eingangsabschnitt der Linsenkonstruktion angeordnet ist (Fig. 5).

4. Elektrostatische Linse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von auf einem Kreisring angeordneten Elektronenstrahlerzeugungssystemen die metallische Elektrode im Zentrum der Elektronenstrahlen angeordnet ist (Fig. 6).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 505 751, 510 699.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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