DE1133837B - Strahlerzeugungssystem fuer eine Kathodenstrahlroehre - Google Patents

Description

INTERNAT. KL. HOIj

DEUTSCHES

PATENTAMT

R 24253 Vmc/21g

ANMELDETAG: 23. OKTOBER 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 26. JULI 1962

Die Erfindung betrifft ein Strahlerzeugungssystem für eine Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronen emittierenden Kathode, einer Steuerelektrode und mindestens einer Beschleunigungselektrode, bei welchem der Elektronenstrahl hinter der Steuerelektrode eine Stelle kleinsten Querschnittes (Überkreuzungspunkt) aufweist.

Bei den üblichen Strahlerzeugungssystemen folgt auf die Kathode eine häufig als Wehneltzylinder bezeichnete Steuerelektrode in Form einer Blende mit einer verhältnismäßig kleinen Öffnung. Auf den Wehneltzylinder folgen im allgemeinen mehrere positiv vorgespannte Elektroden der verschiedensten Form, die einerseits zur Beschleunigung der Elektronen dienen und andererseits Linsenfelder zur Fokussierung des Elektronenstrahles erzeugen. Die Steuerelektrode muß ausreichend negativ vorgespannt werden, um zu verhindern, daß die angelegten Steuersignale sie ins Positive aussteuern können.

Blendenförmige Steuerelektroden erfordern für eine vollständige Modulation des Strahlstromes Signale von 50 bis 100 V Amplitude. Es ist bereits bekannt, daß man die erforderliche Signalspannung verringern kann, wenn man die Öffnung der Steuerelektrode mit einem Netzgitter überspannt. Der Abstand zwischen Kathode und Gitter muß dann jedoch sehr klein sein, die Bemessung wird kritisch, und die Elektroden müssen mit sehr engen Toleranzen gefertigt und montiert werden.

Es sind auch Strahlerzeugungssysteme bekannt, die zwischen der Kathode und einer blendenförmigen Anode mehrere Gitter enthalten, denen die Signalspannung zugeführt werden kann. Die Gitter können zur Fokussierung des Elektronenstrahls verschiedene Abstände voneinander haben oder konkav geformt sein. Bei den bekannten Strahlerzeugungssystemen ist es üblich, die durch die erste positiv vorgespannte Elektrode aus der sich vor der aktiven Kathodenfläche bildenden Raumladung herausgezogenen Elektronen in einem Punkt kleinsten Strahlquerschnitts, den sogenannten ersten Überkreuzungspunkt, zu sammeln und den ersten Überkreuzungspunkt dann durch eine weitere Elektronenlinse auf den Bildschirm abzubilden.

Durch die Erfindung soll nun ein Strahlerzeugungssystem angegeben werden, das wesentlich geringere Signalamplituden zur vollen Aussteuerung benötigt. Die Aussteuerung kann sogar bis ins positive Gebiet reichen, ohne daß dadurch der Strahl defokussiert wird. Mit dem Vorteil geringer Aussteueramplitude soll gleichzeitig der Vorteil eines weiten Bemessungsspielraumes und unkritischer Strahlerzeugungssystem für eine Kathodenstrahlröhre

Anmelder:

Radio Corporation of America, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1957 (Nr. 693 467)

James William Schwartz, Princeton, N. J. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

Toleranzen der Teile und ihrer Montage verbunden sein.

Dies wird bei einem Strahlerzeugungssystem für eine Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronen emittierenden Kathode, einer Steuerelektrode und mindestens einer Beschleunigungselektrode, bei welchem der Elektronenstrahl hinter der Steuerelektrode eine Stelle kleinsten Querschnittes, den sogenannten ersten Überkreuzungspunkt, aufweist, die elektronenoptisch auf einem Bildschirm der Röhre abbildbar ist, erreicht, wenn gemäß der Erfindung zwischen Kathode und Steuerelektrode eine die von der emittierenden Kathodenfläche ausgehenden Elektronen zu einem gebündelten Strahl sammelnde Kollimatorelektrode mit einer eine Mittelöffnung aufweisenden, blendenartigen Wand und ein die Elektronen beschleunigendes Raumladungsgitter mit einer Mittelöffnung angeordnet sind; wenn sich an die mit einer Mittelöffnung versehene Steuerelektrode eine rohrförmige Elektrode mit einer im Vergleich zur

209 627/271

Öffnung der Steuerelektrode großen Öffnung anschließt und wenn die rohrförmige Elektrode und die auf diese folgende Beschleunigungselektrode so bemessen und angeordnet sind, daß im Betrieb eine Sammellinse entsteht, die die Elektronen, die aus einer zwischen Raumladungsgitter und Steuerelektrode gebildeten virtuellen Kathode in Form einer Raumladung herausgezogen werden, in den Überkreuzungspunkt fokussiert, der in der Nähe der Öffnung der Beschleunigungselektrode liegt.

Das beschriebene Strahlerzeugungssystem soll nun am Beispiel einer Fernsehbildröhre in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben werden. Es bedeutet

sen, die eine Mittelöfmung 50 besitzt. Die Kathode ist so innerhalb der Elektrode 46 angeordnet, daß sich der Überzug 42 in enger Nachbarschaft der Oberfläche der Wand 48 befindet.

Auf der Wand 48 ist zuerst eine metallische Scheibe 52 mit einer Mittelöffnung 54, die mit der Öffnung 50 fluchtet, montiert. Zwischen der Scheibe 52 und der Wand 48 ist ein Isolierscheibchen 56 vorgesehen. Ein zweiter Isolierkörper 58 liegt zwischen ίο der Scheibe 52 und einer zweiten Metallscheibe 60 mit einer Öffnung 62, die mit den Öffnungen 54 und 50 fluchtet. Auf der Oberfläche der Scheibe 60 liegt ein wesentlich dickeres Metallteil 64 mit einer Öffnung 65. Die Isolierkörper und metallischen Blen-

Fig. 1 die Gesamtansicht einer teilweise im Schnitt 15 den sind an der Endwand 48 durch Schrauben, wie dargestellten Fernsehbildröhre, sie beispielsweise bei 66 dargestellt ist, befestigt, die

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittzeichnung des linken Teiles der Röhre nach Fig. 1 mit einigen äußeren Einzelheiten eines Strahlerzeugungssystems,

in einen Isolierring 68 eingeschraubt sind, der innerhalb der Elektrode 46 vorgesehen ist.

Die Öffnung 54 der Scheibe 52 ist mit einem fein-

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht der Kathode 20 maschigen Gitter 70 versehen, die Öffnung 62 der und Steuerelektrodenanordnung des Strahlerzeugungs- Scheibe 60 kann, braucht jedoch nicht notwendig, systems nach Fig. 2, mit einem ähnlich feinmaschigen Gitter 72 versehen

Fig. 3 a eine weiter vergrößerte Teilansicht der An- sein. Die Gitter sind vorzugsweise 500-Maschenordnung nach Fig. 3 und Gitter, es kann jedoch auch ein 200-Maschen-Gitter

Fig. 4 ein Diagramm, das die Kennlinien der Be- 25 Verwendung finden, wenn keine zu hohen Anfordetriebsdaten einer Anordnung wie beispielsweise nach rangen an die Auflösung auf dem Bildschirm 16 gestellt werden. Die obenerwähnte Beschleunigungselektrode 26 ist so angeordnet, daß ihre Öffnung 24 mit den Öffnungen 50, 54, 62 und 65 fluchtet.

Beim Betrieb ist die Elektrode 46 mit der Endwand 48 auf dem Potential der mit Masse verbundenen Kathode 36 oder ihr gegenüber geringfügig negativ vorgespannt. Die Blende 52 wird mit einem positiven Potential, beispielsweise zwischen 25 und 50 V, be-

Frontplatte 18. Ein Elektronenstrahl kann durch eine 35 trieben, während die Blende 60 und das Bauteil 64 magnetische Fokussierungsspule 19 auf dem Schirm veränderlich einige Volt positiv oder negativ vorgespannt sein können und außerdem Signalspannungen von einem Verstärker 74 erhalten, dessen Anode kapazitiv angekoppelt sein kann. Die Beschleunigungs-40 elektrode 26 liegt auf einem positiven Potential von etwa 250 V.

Das positive Gitter 70 (das die Blende 52 und die mit einem Netz versehene Öffnung 54 enthält) ist ein Raumladungsgitter, das die von der Oberfläche 42

weitere Beschleunigung längs der Röhrenachse erfolgt 45 emittierten Elektronen durch die Öffnung 50 bedurch eine rohrförmige Elektrode 28, die in ihrem schleunigt. Das Teil der Endwand 48, das die Öffnung der Elektrode 26 benachbarten Ende 30 eine Öffnung 50 umgibt, deckt ein Randteil der emittierenden 32 aufweist. Die Elektrode 28 wird bei etwa 20 kV Oberfläche 42 gegenüber dem Beschleunigungsfeld betrieben und ist elektrisch durch Federabstandshalter des Raumladungsgitters 70 ab und strebt dadurch 35 elektrisch mit einem leitenden Wandüberzug 34 50 dazu, die die Öffnung 50 durchsetzenden Elektronen verbunden, um innerhalb des Kolbens 10 einen an- zu einem gebündelten Strahl zu vereinigen. Die Endwand 48 kann deshalb also als Kollimatorelektrode bezeichnet werden. Einige der Elektroden werden vom Gitter 70 aufgenommen, die Mehrzahl durch-55 setzen jedoch die Gitteröffnungen und treten in das verzögernde Feld zwischen den Elektroden 70 und 72 ein, letztere ist das Steuergitter in Form der Blende 60 mit der Öffnung 62. Das Feld wirkt verzögernd, da das Steuergitter 72 in Abwesenheit von Signalen

deren Windungen geeignet isoliert sind. Die Außen- So negativ ist. Wenn das Steuergitter jedoch ins Positive fläche der Wand 38 ist mit einem thermisch elek- ausgesteuert wird, durchsetzen die meisten Elektronen tronenemittierenden Material 42 überzogen, normaler- zwischen den Gittern das Gitter 72, obgleich einige weise einer Mischung aus Barium und Strontium- von diesem aufgenommen werden, oxyden. Die das Gitter 72 durchsetzenden Elektronen wer-

Das Kathodenröhrchen 36 ist innerhalb einer kera- 65 den durch die zwischen dem Bauteil 64 und der Bemischen Scheibe 44 gehaltert, die ihrerseits innerhalb schleunigungselektrode 26 gebildet Elektronenlinse

Fig. 3 oder 3 a unter speziellen Betriebsbedingungen und einer speziellen Geometrie zeigt.

Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenstrahlröhre enthält einen evakuierten Kolben mit einem erweiterten Teil 10 und einem Hals 12, der ein Strahlerzeugungssystem 14 enthält. Ein Fluoreszenzschirm am anderen Ende des Kolbens 10 besteht aus einer dünnen Schicht 16 eines Phosphors auf der Innenfläche der

16 fokussiert werden, die Ablenkung des Strahles kann durch magnetische Felder erfolgen, die durch eine Jochanordnung 20 erzeugt werden, so daß der Schirm 16 in bekannter Weise abgetastet wird.

In Fig. 2 ist eine Kathoden-Gitter-Anordnung 22 dargestellt, die einen Elektronenstrahl liefert, der durch eine Öffnung 24 in einer topfförmigen Beschleunigungselektrode 26 beschleunigt wird. Eine

nähernd feldfreien Raum zu gewährleisten. Der Überzug 24 erstreckt sich von einem Punkt innerhalb des Halses 12 bis in die Nähe des Bildschirmes 16, wie in Fig. 1 dargestellt ist.

Die in den Fig. 3 und 3 a dargestellte Kathode 36 enthält ein Metallröhrchen, das am einen Ende durch eine Wand 38 verschlossen ist und das einen Heizer 40 enthält, der zu einer Doppelwendel aufgespult ist,

einer rohrförmigen Elektrode 46 befestigt ist; letztere ist am einen Ende durch eine Wand 48 abgeschlos-

gesammelt. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, besitzt das Teil 64 eine beträchtliche Dicke in Axialrichtung, so

daß das Feld zwischen ihm und der Elektrode 26 in die Öffnung 65 hineintaucht und eine stark sammelnde Linse bildet. Diese Linse strebt dazu, die durch das Gitter 72 fliegenden Elektronen in einem Überkreuzungsbereich zu fokussieren,- wo die Strahldichte am größten und die Querschnittsfläche am kleinsten ist. Der Überkreuzungsbereich liegt bei der Öffnung 24 der Elektrode 26 und wird durch das durch die Elektroden 26 und 28 gebildete Linsensystem und die Magnetspule 19 auf den Phosphorschirm 16 abgebildet.

Eine typische Betriebsart des Strahlerzeugungssystems nach Fig. 3 und 3 a ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, in der der Strahlstrom in Mikroampere (Ordinate) als Funktion der Spannung des Steuergitters 72 in Volt aufgetragen ist. Fig. 4 zeigt die Arbeitsbedingungen, wenn das Gitter 70 auf H-50 V liegt und die Kollimatorelektrode 48 geerdet ist. Die Kurve 80 stellt den Strahlstrom dar, der auf den Phosphorschirm 16 trifft. Der Strahlstrom ist Null, wenn sich das Steuergitter 72 auf — 3 V befindet, und maximal, wenn das Steuergitter auf ungefähr + 3 V liegt. Aus der Kurve 80 ist ersichtlich, daß der maximale Aussteuerbereich für das Steuergitter 72 etwa 6 V Signalspannung beträgt. as

Die Kurve 82 zeigt den Raumladungsstrom zum Raumladungsgitter 70. Dieser Strom steigt langsam an, wenn die Steuergitterspannung unterhalb des Sperrpotentials ansteigt. Wenn sich jedoch die Steuergitterspannung dem Wert Null nähert, fällt der Strom zum Gitter 70 plötzlich ab. Der Grund hierfür besteht darin, daß unterhalb des Sperrpotentials für den Strahl die durch das Gitter 70 fliegenden Elektronen durch das Steuergitter 72 reflektiert werden und entweder zur Kathodenoberfläche zurückkehren oder vom Gitter 70 aufgenommen werden. Der plötzliche Abfall des Stromes zum Gitter 70 läuft konform mit dem Durchtreten von Elektronen durch das Steuergitter 72, wenn dessen Spannung über den Sperrpegel steigt.

Wenn das Steuergitter 72 einige Volt positiv ist, kehren keine Elektronen mehr zur Kathodenoberfläche oder zum Raumladungsgitter 70 zurück. Wie aus der Kurve 80 ersichtlich ist, tritt bei einer geringfügig positiven Spannung des Steuergitters 72 eine Sättigung des zum Schirm 16 gelangenden Strahlstroms ein. Die Kurve 84 zeigt den Verlauf des Kathodenstroms beim Ansteigen der Spannung am Steuergitter 72.

Wenn das Steuergitter 72 positiv ist, nimmt es Elektronen aus dem Strahl auf. Diesen Effekt zeigt die Kurve 86, aus der auch ersichtlich ist, daß der Gitterstrom schnell einer Sättigung zustrebt. Dies ist darin begründet, daß das Beschleunigungsfeld der Elektrode 26 eine übermäßige Aufnahme von Strahlelektronen durch das Gitter 72 verhindert. Der Anteil des Strahlstroms, der durch Aufnahme vom Gitter 72 verlorengeht, ist üblicherweise geringer, als aus dem Anteil der Öffnungen in dem Gitter zu erwarten wäre, wenn die Öffnung 62 mit einem Netz versehen ist. Dies rührt von einer leicht fokussierenden Wirkung des Netzgitters her, das die Strahlelektronen in die Gitteröffnungen zu drängen neigt.

Geeignete Abmessungen für die maßgeblichen Teile der zwei oben beschriebenen Strahlerzeugungssysteme sind in der unten stehenden Tabelle angegeben, deren Bezugszeichen sich auf die Fig. 3 und 3 a beziehen (Werte in mm):

Bezugszeichen	Elektrode 72 mit Netz	Elektrode 72 ohne Netz
42-48 Abstand	0,127	0,127
48Dicke ....	0,178	0,178
50 Durch messer ....	0,889 bis 1,27	1,27
52Dicke ....	0,381 bis 0,508	0,381
54 Durch messer ....	1,52	1,52
56 Dicke	0,051	0,051
58Dicke ....	0,051	0,051
60 Dicke	0,127	0,127
62 Durch messer ....	0,889 bis 0,381	0,381 bis 0,127
64Dicke ....	0,762	0,762
65 Durch messer ....	2,54	2,54
64-26 Abstand	2,03	2,03
24 Durch messer ....	0,762	0,762

Im Gegensatz zu normal betriebenen Strahlerzeugungssystemen kann das Steuergitter 72 mit positivem Potential betrieben werden, ohne die Strahlschärfe nachteilig zu beeinflussen. Bei üblichen Strahlerzeugungssystemen bewirkt ein Betrieb beim Potential Null oder in positiver Richtung darüber hinaus ein Verschwinden des ersten Uberkreuzungspunktes, so daß die Strahlschärfe vollständig verlorengeht und der Strahl sich aufweitet, wobei das Bild auf dem Schirm verschwindet. Die tiefe Gitteröffnung 65 des Teils 64 erhält jedoch das fokussierende Feld zwischen dem Gitter 72 und der Elektrode 26, so daß die durch das Gitter 72 tretenden Elektronen auf einen Überkreuzungspunkt fokussiert bleiben, der in der beschriebenen Weise auf dem Bildschirm abgebildet werden kann.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Strahlerzeugungssystem für eine Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronen emittierenden Kathode, einer Steuerelektrode und mindestens einer Beschleunigungselektrode, bei welchem der Elektronenstrahl hinter der Steuerelektrode eine Stelle kleinsten Querschnittes (Überkreuzungspunkt) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kathode (36) und Steuerelektrode (60) eine die von der emittierenden Kathodenfläche (42) ausgehenden Elektronen zu einem gebündelten Strahl sammelnde Kollimatorelektrode (46) mit einer eine Mittelöffnung (50) aufweisenden blendenartigen Wand (48) und ein die Elektronen beschleunigendes Raumladungsgitter (52) mit einer Mittelöffnung (54) angeordnet sind; daß sich an die mit einer Mittelöffnung (62) versehene Steuerelektrode (60) eine rohrförmige Elektrode (64) mit einer im Vergleich zur Öffnung der Steuerelektrode großen Öffnung (65) anschließt und daß die rohrförmige Elektrode und die auf diese folgende Beschleunigungselektrode (26) so bemessen und angeordnet sind, daß im Betrieb

eine Sammellinse entsteht, die die Elektronen, die aus einer zwischen Raumladungsgitter und Steuerelektrode gebildeten virtuellen Kathode in Form einer Raumladung herausgezogen werden, in den Überkreuzungspunkt fokussiert, der in der Nähe der Öffnung (24) der Beschleunigungselektrode (26) liegt.

2. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatorelektrode (46) die Kathode röhrenförmig umgibt und isoliert haltert und mit einer der Elektronen emittierenden Kathodenfläche (42) gegenüberstehenden, durchbrochenen Endwand (48) versehen ist.

3. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumladungsgitter (52) und die Steuerelektrode (60) an der Kollimatorelektrode (46, 48) befestigt und von dieser und voneinander durch Isolierscheiben (56, 58) getrennt sind, deren Dicke die Elektrodenabstände bestimmen.

4. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode aus einer dünnen Metallscheibe (60) besteht, an der ein die rohrformige Elektrode bildendes, wesentlich dickeres Metallteil (64) befestigt ist, das eine verhältnismäßig große, zur Öffnung (62) der Steuerelektrode koaxiale Öffnung (65) aufweist.

5. Strahlerzeugungssystem nach einem der An-Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (50 bzw. 62) der Kollimatorelektrode (48) und der Steuerelektrode (60) kleiner sind als der Durchmesser der Öffnung (54) des Raumladungsgitters (52).

6. Strahleszeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (50, 62 bzw. 24) der Kollimatorelektrode (48), der Steuerelektrode (60) und der ersten Beschleunigungselektrode (26) etwa gleichen Durchmesser aufweisen.

7. Strahlerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (62) der Steuerelektrode (60) mit einem feinmaschigen Netz (72) versehen ist.

8. Strahlerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatorelektrode (46) auf dem Potential der Kathode (36) oder einem gegenüber dieser geringfügig negativen Potential, das Raumladungsgitter (52) auf einem gegenüber der Kathode mäßig positiven Potential, die Steuerelektrode (60) und die auf diese folgende rohrformige Elektrode (64) auf einem entsprechend den zugeführten Signalspannungen geringfügig um das Kathodenpotential schwankenden Potential und die erste Beschleunigungselektrode (26) auf einem mittleren, für die erste Anode üblichen positiven Potential gehalten sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 548 141.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 627/271 7.62