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Strahlerzeugungssystem für eine Kathodenstrahlröhre Die vorliegende
Erfindung betrifft ein Strahlerzeugungssystem für eine Kathodenstrahlröhre, das,
längs einer Achse ausgerichtet, in der angegebenen Reihenfolge eine Kathode, eine
Steuerelektrode, eine Schirmgitterelektrode in Form eines in der von der Kathode
abgewandten Richtung offenen Napfes mit einem koaxialen Loch im Boden, eine Fokussierelektrode
in Form eines beidseits offenen Rohres, dessen kathodenseitiges Ende direkt auf
das offene Ende der Schirmgitterelektrode folgt, und eine rohrförmige Beschleunigungselektrode,
deren der Fokussierelektrode benachbartes Ende ein quer zur Achse verlaufendes Stück
umfaßt, das eire koaxiale Öffnung aufweist, enthält.
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Strahlerzeugungssysteme sollen eine möglichst kleine axiale Baulänge
aufweisen, da dies eine Verkürzung der mit dem System ausgerüsteten Kathodenstrahlröhre
und damit eine Verringerung der Tiefenabmessung des mit der betreffenden Kathodenstrahlröhre
bestückten Empfängers mit sich bringt. Die Forderung nach einer geringen Baulänge
steht jedoch im Widerspruch mit gewissen anderen Bedingungen, die an die Röhre gestellt
werden müssen, da die Betriebseigenschaften eines Strahlerzeugungssystems durch
Form, Größe, Abstände und Betriebsspannungen der Elektroden bestimmt werden. Man
war daher bisher auf Kompromisse angewiesen.
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Man hat bisher verschiedene Wege beschritten, um die axiale Baulänge
eines Strahlerzeugungssystems zu verringern. So ist es beispielsweise bekannt, die
Elektroden zu verkürzen, ihre Abstände zu verringern oder auf eine oder mehrere
der zur elektrostatischen Fokussierung verwendeten Elektroden zu verzichten. So
ist es z. B. üblich, eine Elektrode eines normalen Dreielektroden-Fokussierungssystems
wegzulassen. Der Verzicht auf eine Elektrode führt jedoch zu Strahlaufweitungen
bei der Aussteuerung und beeinträchtigt außerdem die Tiefenschärfe des Systems,
so daß die Bildqualität schlechter wird.
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Es sind auch Strahlerzeugungssysteme für Fernsehbildröhren bekannt,
die eine Elektronenquelle, eine Steuerelektrode und eine gleichachsig dazu angeordnete
Schirmgitterelektrode, die eine erste Elektronenlinse bildet, sowie einen ersten
und zweiten Anodenabschnitt und eine Fokussierelektrode, die eine zweite Elektronenlinse
bildet, enthalten. Der der Kathode abgewandte Rand der napfförmigen Schirmgitterelektrode
und der gegenüberliegende Rand der auf die Schirmgitterelektrode folgenden rohrförmigen
Anode verlaufen schräg zur Achse des Strahlerzeugungssystems und bilden eine Ionenfalle.
Die Wirkung der Ionenfalle wird bei der bekannten Anordnung dadurch verbessert,
daß die größte Länge der Schirmgitterelektrode höchstens 0,55 des Innendurchmessers
dieser Elektrode ist.
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Das zuletzt erwähnte bekannte Strahlerzeugungssystem enthält zwar
eine relativ kurze Schirmgitterelektrode, seine gesamte Baulänge ist jedoch trotzdem
beträchtlich.
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Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein relativ kurzes Strahlerzeugungssystem
mit einer Zweielektrodenlinse angegeben werden, das die obenerwähnten Nachteile,
nämlich eine unerwünschte Strahlaufweitung und eine geringe Tiefenschärfe, nicht
aufweist.
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Ein Strahlerzeugungssystem der eingangs angegebenen Art ist gemäß
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Relativwerte der in Achsrichtung gemessenen
Tiefe der Schirmgitterelektrode, des Durchmessers der Schirmgitterelektrode, des
Durchmessers der Fokussierelektrode und des axialen Abstandes zwischen dem kathodenseitigen
Ende der Schirmgitterelektrode und der Beschleunigungselektrode etwa gleich 1: 4
: 5 : 5 betragen.
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Gemäß einer Weiterbildung hat die Innenfläche der napfförmigen Schirmgitterelektrode
in erster Näherung die Form einer Kugelkalotte. Gemäß einer anderen Weiterbildung
weist das kathodenseitige
Ende der Beschleunigungselektrode einen
kleineren rohrförmigen Fortsatz auf, dessen quer zur Achse verlaufende durchbrochene
Stirnwand innerhalb des der Beschleunigungselektrode zugewandten Endes der Fokussierelektrode
liegt.
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Der Durchmesser der Fokussierelektrode kann mindestens viermal so
groß sein wie der Durchmesser der Öffnung im kathodenseitigen Ende der Beschleunigungselektrode.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist der Durchmesser der Fokussierelektrode
größer als der Durchmesser der Schirmgitterelektrode, und die axialen Abmessungen
der Fokussierelektrode und der Schirmgitterelektrode sowie der Abstand dieser beiden
Elektroden sind so bemessen, daß der Rand der Öffnung im Boden des die Schirmgitterelektrode
bildenden Napfes, der offene Rand des Napfes und der der Öffnung in der Beschleunigungselektrode
radial gegenüberliegende Teil der zylindrischen Innenfläche der Fokussierelektrode
auf einer gleichmäßig gekrümmten, kuppelförmigen Fläche liegen.
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Das beschriebene Strahlerzeugungssystem soll nun an Hand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es bedeutet F i g. 1 einen
etwas schematisierten Längsschnitt durch ein bekanntes Strahlerzeugungssystem mit
einer drei Elektroden enthaltenden Fokussierungsanordnung, F i g. 2 einen Längsschnitt
durch ein bekanntes, verkürztes Strahlerzeugungssystem mit einer zwei Elektroden
enthaltenden Fokussierungsanordnung, F i g. 3 eine teilweise im Schnitt gehaltene
Ansicht einer Kathodenstrahlröhre, in der das beschriebene Strahlerzeugungssystem
Verwendung finden kann, F i g. 4 einen Längsschnitt durch das beschriebene Strahlerzeugungssystem,
F i g. 5 eine Schnittansicht eines Teils des in F i g. 4 dargestellten Strahlerzeugungssystems
mit eingezeichnetem elektrostatischem Fokussierungsfeld und F i g. 6 einen Axialschnitt
einer abgewandelten Schirmgitterelektrode fier das in F i g. 4 dargestellte Strahlerzeugungssystem:
F i g. 1 zeigt ein Strahlerzeugungssystem 10 bekannter Bauart, das drei Fokussierungselektroden
enthält und Verwendung finden kann, wenn die Baulänge keine große Rolle spielt.
Das Strahlerzeugungssystem enthält eine Kathodenhülse 11, die konzentrisch in einer
topfförmigen Steuerelektrode 12 liegt, ferner ein topfförmiges Schirmgitter 14,
eine erste Anode 16, eine Fokussierungselektrode 18 und eine zweite Anode
20. Die Fokussierungselektrode 18 besitzt einen größeren Durchmesser als
die benachbarten Enden der beiden Anoden 16 und 20 und greift etwas über diese Enden
über.
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Das bekannte Strahlerzeugungssystem 10 kann beispielsweise mit den
in F i g. 1 angegebenen Spannungen betrieben werden. Die die Kathode 11 verlassenden
Elektronen werden dann in einen überkreuzungspunkt in oder in der Nähe der Öffnung
22 des topfförmigen Schirmgitters 14 fokussiert und anschließend durch das die drei
Elektroden 16, 18 und 20 umfassende Fokussierungssystem auf den Bildschirm fokussiert
und beschleunigt. Das fokussierende Feld bildet zwei elektronenoptische Linsen,
je eine zwischen dem Fokussierring 18 und den beiden Anoden 16 und
20.
Die Tiefenschärfe des Strahlerzeugungssystems 10
ist außergewöhnlich
groß. Man kann dies der Tatsache zuschreiben, daß auch bei Änderung der Spannung
am Fokussierungszylinder 18 die Stärke der Fokussierungslinsen nicht wesentlich
geändert wird, da die Fokussierungsfelder im wesentlichen auf den Innenraum der
Fokussierungselektrode 18 begrenzt sind.
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Das Strahlerzeugungssystem 10 mit drei Fokussierungselektroden zeigt
auch wegen der neben dem Schirmgitter 14 angeordneten Hochspannungsanode 16 kaum
eine Strahlaufweitung. Wegen der gegenseitigen Lage dieser beiden Elektroden reicht
das Hochspannungsfeld von der ersten Anode 16 in die Öffnung 22 des topfförmigen
Schirmgitters 14 und damit in den Bereich des Strahlüberkreuzungspunktes. Dieses
starke positive Feld wirkt anscheinend Raumladungseffekten im überkreuzungspunkt
entgegen und gewährleistet daher einen fast vollkommen punktförmigen überkreuzungsbereich.
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Wenn die Länge des Strahlerzeugungssystems ausschlaggebend war, hat
man bisher ein Strahlerzeugungssystem 30 mit zwei Fokussierungselektroden verwendet,
wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Das Strahlerzeugungssystem enthält wieder eine
Kathode 31, die konzentrisch innerhalb eines Wehneltzylinders 32 angeordnet ist,
ein topfförmiges Schirmgitter 34, eine rohrförmige Fokussierungselektrode 36 und
eine rohrförmige Beschleunigungselektrode 38.
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Betriebsspannungen, wie sie für ein solches Strahlerzeugungssystem
üblich sind, sind in F i g. 2 angegeben. Unter diesen Potentialverhältnissen werden
die von der Kathode 31 emittierten Elektronen durch den Wehneltzylinder 32 möduliert
und durch das topfförmige Schirmgitter 34 auf einen überkreuzungspunkt in oder in
der Nähe der Öffnung 40 des Schirmgitters fokussiert. Die aus dem überkreuzungspunkt
austretenden Elektronen werden dann durch die beiden Elektroden 36 und 38 fokussiert
und beschleunigt. Das Fokussierungsfeld bildet eine einzige Linse zwischen der Fokussierungselektrode
36 und der Beschleunigungselektrode 38.
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Das Strahlerzeugungssystem 30 in F i g. 2 entspricht etwa dem
Strahlerzeugungssystem 10 in F i g. 1, wenn man die erste Anode 16 entfernt.
Hierdurch ergibt sich zwar eine wesentlich kürzere Baulänge, die Entfernung der
Elektrode 16 beeinträchtigt jedoch zwei sehr wesentliche Eigenschaften der Röhre,
nämlich die Tiefenschärfe und den Strahldurchmesser.
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Bei dem in F i g. 2 dargestellten Strahlerzeugungssystem reicht das
Fokussierungsfeld zwischen den Elektroden 36 und 38 in Richtung auf das topfförmige
Schirmgitter 34 in die Fokusssierungselektrode 36. Wenn die Spannung in der Fokussierungselektrode
36 zur Einstellung der optimalen Betriebsbedingungen verändert wird, ändert das
Fokussierungsfeld nicht nur seine Stärke, sondern auch seine Form, da es durch nichts
begrenzt ist. Das Fokussierungsfeld kann sich sogar bis in das Schirmgitter 34 erstrecken.
Dementsprechend ergeben Änderungen der Spannung an der Fokussierungselektrode 36
rasche und starke Änderungen der Fokussierung durch die Hauptlinse, was eine sehr
kleine Tiefenschärfe zur Folge hat.
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Da bei dem Elektrodensystem 30 außerdem keine Hochspannungselektrode
auf das Schirmgitter 34 folgt, fehlt praktisch ein Hochspannungsfeld, das auf
den
Überkreuzungsbereich des Strahles wirkt. Raumladungen wird dadurch nicht entgegengewirkt,
und der überkreuzungsbereich ist daher verhältnismäßig ausgedehnt. Dies führt letztlich
zu starken Strahlaufweitungen beim Betrieb des Strahlerzeugungssystems. Die Beschleunigungselektrode
38 liegt zwar auf hoher Spannung, sie ist jedoch vom Schirmgitter 34 durch eine
auf niedriger Spannung liegende Elektrode, nämlich die Fokussierungselektrode 36,
getrennt. Das Hochspannungsfeld von der Beschleunigungselektrode 38 kann daher den
überkreuzungsbereich bei der Öffnung 40 nicht nennenswert beeinflussen.
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Es hat sich nun gezeigt, daß durch eine geeignete Konstruktion der
Elektroden eines Strahlerzeugungssystems mit einer Zweielektrodenfokussierung erhebliche
Verbesserungen der Tiefenschärfe erzielen lassen; dies wird ermöglicht durch eine
Elektrodenanordnung, bei der eine verhältnismäßig starke Änderung der Spannung der
Fokussierungselektrode 36 zwar die Stärke des elektrostatischen Fokussierungsfeldes,
nicht jedoch dessen Form wesentlich ändert. Außerdem wird durch das beschriebene
Strahlerzeugungssystem eine Einrichtung angegeben, bei der nicht nur die Tiefenschärfe
vergrößert ist, sondern auch die Probleme der Strahlaufweitung bei Strahlerzeugungssystemen
mit zwei Fokussierungselektroden weitgegend gelöst sind, da das Hochspannungsfeld
von der Beschleunigungselektrode gut bis in die Öffnung des Schirmgitters, bei der
der überkreuzungsbereich liegt, reichen kann.
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F i g. 3 zeigt eine Kathodenstrahlröhre, in der das beschriebene Strahlerzeugungssystem
verwendet werden kann. Die Röhre 41 enthält einen Kolben mit einer Stirnplatte 42,
einem Konus 46 und einem Hals 44. Der Hals 44 läuft in einen Quetschfuß 48 aus,
in den eine Reihe von steifen Einführungsdrähten 50 eingeschmolzen ist. Im Röhrenhals
44 ist ein mit den Einführungsdrähten 50 verbundenes Strahlerzeugungssystem 52 mit
zwei Fokussierungselektroden angeordnet. Das Strahlerzeugungssystem 52 liefert einen
auf die Stirnplatte 42 fokussierten Elektronenstrahl, der durch geeignete Anordnungen,
beispielsweise ein Ablenkjoch 53, entsprechend einem gewünschten Raster, ablenkbar
ist. Auf der Innenfläche der Stirnplatte 42 ist ein Leuchtschirm, der aus einer
Phosphorschicht 56 und einer Metallschicht 58 besteht, angeordnet. Auf der Innenwand
des Konus 46 befindet sich eine leitende Schicht 60, die mit der Metallschicht 58
verbunden ist. In den Konus 46 ist eine Durchführung 61 eingeschmolzen, die zum
Anschluß der leitenden Schicht 60 dient.
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F i g. 4 zeigt Einzelheiten des Strahlerzeugungssystems 52. Das Strahlerzeugungssystem
52 enthält mehrere axial ausgerichtete Elektroden, nämlich eine indirekt geheizte
Kathode 62, eine Steuerelektrode 64, eine Schirmgitterelektrode 66, eine Fokussierungselektrode
68 und eine Beschleunigungselektrode 70. Zur Vereinfachung sollen im folgenden die
Steuer-, Schirmgitter-, Fokussierungs- und Beschleunigungselektroden 64, 66, 68
bzw. 70 als Elektroden G 1, G 2, G 3 bzw. G 4 bezeichnet werden.
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Die Elektroden des Strahlerzeugungssystems 52 sind in bekannter Weise
gehaltert. Die Kathode 62, die aus einem am einen Ende geschlossenen Röhrchen besteht,
wird innerhalb der topfförmigen Elektrode G1 durch eine keramische Ringscheibe 72
gehalten. G l, G2, G 3 und G 4 sind an zwei Isolator-Stäben 74 befestigt,
in die U-förmige Metallbügel 76 eingeschmolzen sind, an denen die einzelnen Elektroden
befestigt sind. Zwei der steifen Einführungsleiter 50 sind direkt mit den
an G 1 befestigten Bügeln 76 verbunden und tragen damit das kathodenseitige Ende
des Strahlerzeugungssystems. Das andere Ende des Strahlerzeugungssystems ist im
Röhrenhals 44 durch eine Reihe von Federfingern 78 gelagert, die an einem flanschartigen
Teil 80 von G4 befestigt sind.
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Die Betriebspannungen werden allen Elektroden mit Ausnahme von G 4
durch die Einführungsdrähte 50 zugeführt. G4 erhält seine Betriebsspannung
durch den Hochspannungsanschluß 61, die leitende Schicht 60 (F i g. 1) und die Federn
78. Zur Vereinfachung sind in F i g. 4 schematische Zuführungen in Form von Pfeilen
eingezeichnet, an denen die entsprechenden Betriebspannungen angeschrieben sind.
Die Betriebs-Gleichspannungen können in folgenden Grenzen liegen: Kathode 62 . .
. . . . . . . . . 40 bis 70 V Elektrode G 1 . . . . . . . . . 0 V Elektrode G2 .
. . . . . . . . 400 bis 500 V Elektrode G3 . . . . . . . . . O bis 400 V Elektrode
G4 . . . . . . . . . 14 bis 20 kV Im Betrieb werden die von der Kathode 62 emittierten
Elektronen durch die miteinander fluchtenden Öffnungen 82 und 84 in G1 bzw. G2 beschleunigt.
Die Elektronen konvergieren in einem überkreuzungsbereich in der Nähe der Öffnung
84 von G2 und divergieren dann wieder. Die divergierenden Elektronen werden dann
wieder durch ein starkes elektrostatisches Fokussierungsfeld zwischen G3 und G 4
auf den Bildschirm 56 fokussiert.
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F i g. 5 zeigt im einzelnen, wie die oben angegebenen Ziele durch
die Anordnung und Ausbildung von G2, G 3 und G 4 erreicht werden.
G 2 ist eine verhältnismäßig flache, durchbrochene, topfförmige Elektrode, die in
Richtung auf G 3 offen ist. G 3 ist ein an beiden Enden offenes Rohrstück. G4 ist
ebenfalls rohrförmig, bei G 3 ist jedoch ein quer verlaufendes Endteil86 vorgesehen,
das mit einer verhältnismäßig kleinen Mittelöffnung 88 versehen ist, durch die der
Elektronenstrahl in G4 eintritt. Das querverlaufenden Endtei186 erstreckt sich etwas
in G3. Der Durchmesser von G2 ist größer als die Öffnung 88 von G4, der Durchmesser
von G 3 ist noch größer als der Durchmesser von G2, und der in Achsrichtung gemessene
Abstand zwischen den Enden von G2 und G4 an dem der Kathode am nächsten benachbarten
Teil, d. h. an ihren durchbrochenen Enden, ist gleich oder kleiner als der Durchmesser
von G3. Die in F i g. 5 dargestellte Formgebung und Anordnung von
G2, G 3 und G 4 führt zur Bildung des schematisch dargestellten elektrostatischen
Fokussierungsfeldes, dessen Form sich bei Änderungen der Spannung an G3 nicht nennenswert
ändert, im Gegensatz zu ähnlichen Anordnungen bei bekannten Strahlerzeugungssystemen.
Dadurch wird der Schärfenbereich gegenüber den bekannten Anordnungen wie dem Strahlerzeugungssystem
30 in F i g. 2 beträchtlich vergrößert. Die beschriebene Formgebung und Anordnung
liefert außerdem ein fokussierendes Hochspannungsfeld, das sich bis in den überkreuzungsbereich
des Strahls
bei der Öffnung 84 von G 2 erstreckt und zur
Verringerung von Strahlaufweitungseffekten beiträgt.
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In F i g. 5 sind die Abmessungen und Abstände der verschiedenen Elektroden
folgendermaßen bezeichnet: Durchmesser von G 3 . . . . . . . . . . . . . . . D 1
Durchmesser von G 2 . . . . . . . . . . . . . . . D 2 Durchmesser der Öffnung 84
von G 2 D 3 Durchmesser der Öffnung 88 von G4 D4 Axialer Abstand zwischen den durchbrochenen
Enden von G2 und G4 L
Axialer Abstand zwischen G 2 und G 4 L 1 Tiefe von G2
...................... L2 Eine nennenswerte Strahlaufweitung wird, wie bereits erwähnt
wurde, durch ein Hochspannungsfeld in der Nachbarschaft der Öffnung 84 von G2 verhindert.
Bei der vorliegenden Anordnung wird dieses Feld im Bereich der Öffnung 84 von G2
auf folgende Weise erzeugt: 1. D 1 ist mindestens so groß wie L, so daß sich Äquipotentialflächen
eines verhältnismäßig hohen Potentials über die ganze Länge von L erstrecken, und
2. L 2 ist im Vergleich zu D 2 kurz genug, um ein freies Eintauchen der Äquipotentialflächen
hohen Potentials in den G2 bildenden Topf nicht zu behindern.
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Bezüglich 1 kann man näherungsweise angeben, daß ein elektrostatisches
Feld in einem Abstand gleich dem Durchmesser einer Öffnung, durch die es sich erstreckt,
also unter Bedingungen, die L = D 1
entsprechen, auf etwa 10°/o abnimmt: Bei
der vorliegenden Anordnung erstreckt sich daher ein Feld von ungefähr 1,4 bis 2,0kV
(100/a des Potentials an G4) in den Strahlüberkreuzungsbereich bei der Öffnung
von G 2. Hierdurch wird eine Vergrößerung des Strahldurchmessers weitgehend verhindert.
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Wie bereits erwähnt wurde, beruht die Verbesserung der Tiefenschärfe
darauf, daß sich die Form des Linsenfeldes auch bei trächtlichen Änderunden bei
der Einstellung der Spannung an G nicht übermäßig ändert. Ein Feld mit diesen Eigenschaften
wird bei der vorliegenden Anordnung dadurch erzeugt, daß man D 1 größer als
D 2 macht und L 2 so bemißt, daß der Rand 90 von G2 wenigstens annähernd
auf einer Aquipotentialfläche 92 liegt, die sich, wenn sie nicht gegenüber einer
gleichmäßig gekrümmten, konvexen Form verzerrt ist, über einen Abstand erstreckt,
der annähernd gleich L ist. Durch dieses in F i g. 5 dargestellte Verhältnis zwischen
G 2 und G 3 wird die Äquipotentialfläche 92 nicht durch die Anwesenheit von G2 verzerrt.
Die Form des Feldes ändert sich dadurch nicht wesentlich, auch wenn die Größe des
Feldes durch Verändern der Spannung an G 3 verändert wird. Bei einer Spannungserhöhung
rücken die Äquipotentialflächen lediglich näher zusammen.
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Die Beziehung zwischen Elektrodenform und Elektrodenabstännden, die
das gegenüber Veränderungen der Spannung an G 3 annähernd formkonstante Feld liefern,
können auf verschiedene Weise beschrieben werden. Ein Feld mit annähernd gleichbleibender
Form kann durch eine Elektrodenanordnung hergestellt werden, bei der die Tiefe des
G2 bildenden Topfes ungefähr ein Viertel des Durchmessers ist, bei der ferner der
Durchmesser von G 3 größer ist als der von G2 und bei der der Abstand zwischen den
der Kathode am nächsten liegenden Enden von G2 und G4 ungefähr gleich dem Durch-Durchmesser
von G3 ist. Diese Verhältnisse der einzelnen Größen können etwas genauer durch die
Angabe L 2 : D 2 : D 1: L ungefähr gleich 1:4:5:5 definiert werden.
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Auch funktionell lassen sich die erforderlichen Bedingungen auf verschiedene
Weise definieren. Beispielsweise sollen die oben beschriebenen Verhältnisse der
Abmessungen, Formen und Abstände der Elektroden so gewählt werden, daß die sich
in den G2 bildenden Topf erstreckenden Äquipotentialflächen gleichmäßig gekrümmte,
kuppelartige Flächen sind, d. h. der Krümmungsradius soll sich nicht plötzlich ändern.
In dieser Hinsicht besitzten die sich in G 2 hinein erstreckenden Äquipotentialflächen
92 im wesentlichen dieselbe Form wie die Äquipotentialflächen 94, die sich nur bis
zur Hälfte in G3 hinein erstrecken. Wie die Äquipotentialfläche 92 zeigt, wird eine
gleichmäßig gekrümmte, konvexe Fläche durch die Öffnung 84 von G2, den Rand
90 von G 2 und die zylindrische Innenfläche 96 von G 3, die in radialer Richtung
gegenüber dem durchbrochenen Ende von G4 liegt, begrenzt. Diese Punkte dienen dazu,
die Form des fokussierenden Feldes konstant zu halten, wenn die Stärke des Feldes
geändert wird.
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Im Gegensatz zu der glatten, gleichförmig gekrümmten, kuppelartigen
Feldform im Strahlerzeugungssystem 52 zeigt das in F i g. 2 dargestellte Feld 97
die für die bekannten Strahlerzeugungssysteme dieserArt typische Form. DieÄquipotentialflächen
in F i g. 2, die sich am weitesten in die Fokussierungselektrode 36 hinein erstrecken,
sind in der Nähe der ersten Anode 40 abgeflacht und ausgebuchtet. Diese Verzerrung
der am weitesten herausreichenden Äquipotentialflächen tritt auf oder wird ausgeprägter,
wenn die Feldstärke erhöht wird. Das bedeutet, daß sich die Form des Feldes in Abhängigkeit
von der Stärke ändert. Die Formänderungen sind einer der Gründe, die zu der geringen
Tiefenschärfe der bekannten Strahlerzeugungssysteme dieses Typs beitragen.
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Bekanntlich enthält ein elektrostatisches Feld zwischen zwei runden
Elektroden einen sammelnden und einen zerstreuenden Teil. Die durchlaufenden Elektronen
des Strahls werden entweder beschleunigt oder gebremst, sie werden jedoch immer
durch den sammelnden Teil stärker beeinflußt. Das Feld wirkt im gesamten deshalb
immer als Sammellinse. Bei Änderungen der Fokussierungsspannung ändern sich sowohl
die sammelnden als auch die zerstreuenden Kräfte, sie werden dabei entweder beide
stärker oder beide schwächer. Da der sammelnde Teil des Feldes überwiegt, zeigen
die sammelnden Kräfte immer eine größere Änderung als die zerstreuenden. Wenn die
Fokussierungsspannung verkleinert oder vergrößert wird, nimmt daher die resultierende
sammelnde Wirkung der Anordnung entweder zu oder ab. Bei der vorliegenden Anordnung
ist die resultierende Änderung des konvergierenden Teiles infolge der Ausbildung
des Strahlerzeugungssystems verkleinert, da die Änderung der Konvergenz weniger
und die Änderung der Divergenz stärker ausgeprägt ist, als es bei den bekannten
Strahlerzeugungssystemen dieser Art der Fall ist.
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Bei einem beschleunigenden Feld, wie es zwischen G3 und G4 des Strahlerzeugungssystems
52 vorliegt,
ist der sammelnde Teil der erste, d. h. der Teil 98,
der sich in Richtung auf G2 erstreckt; der zerstreuende Teil ist der Teil 100 des
Feldes, der sich in der entgegengesetzten Richtung in G4 hinein erstreckt. Bei der
vorliegenden Anordnung ist es also der im wesentlichen in G2 und G3 befindliche
Teil des Feldes, dessen Form weitgehend konstant gehalten wird. Durch die Unveränderlichkeit
der Form werden also in erster Linie Verzerrungen im sammelnden Teil 98 des Feldes
vermieden und z. B. die Aberrationen verringert oder ganz ausgeschaltet.
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Obwohl die Stärke der Sammelwirkung der Teiles 98 des Feldes weiterhin
durch Änderungen der Spannung an G3 beeinflußt wird, ist der Einfluß nicht so ausgeprägt
wie im Falle einer Änderung der Form des Teiles 98 des Feldes. Dies rührt daher,
daß sich die Wirkung eines Feldes sowohl mit der Krümmung als auch mit der Intensitäi,
d. h. mit dem Abstand der Äquipotentialflächen, ändert. Da sich die Krümmung der
Äquipotentialflächen des sammelnden Teiles 98 des Feldes praktisch nicht ändert,
beruhen Änderungen der Sammelwirkung des Feldes 98 ausschließlich auf Änderungen
der Feldstärke.
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Dies trifft jedoch für den divergenten Teil 100
des Feldes nicht
zu. Wird die Spannung an G3 geändert, so ändert sich der zerstreuende Teil
100 des Feldes sowohl bezüglich Form als auch Stärke. Spannungsänderungen
an G3 beeinflussen die Zerstreuungswirkung des Teiles 100 des Feldes also in zweifacher
Weise, während der sammelnde Teil des Feldes nur in einer Hinsicht beeinflußt wird.
Zusätzlich dazu ist die Öffnung 88 von G4, verglichen mit dem Durchmesser von G3,
verhältnismäßig klein bemessen, und der Krümmungsradius der Äquipotentialflächen
des zerstreuenden Teiles des Feldes ist verhältnismäßig klein, so daß die die einzelnen
Äquipotentialflächen durchlaufenden Elektronen verhältnismäßig stark nach außen
gebrochen werden. Die zerstreuende Wirkung wird also über eine größere Anzahl von
Faktoren beeinflußt als die sammelnde Wirkung. Da jedoch die fokussierende Wirkung
in jeder Linse dieser Art naturgemäß überwiegt, ergibt sich im Endeffekt ein gewisser
Ausgleich, und die resultierende Sammelwirkung des elektrostatischen Fokussierungsfeldes
als Ganzes ändert sich nicht so rasch, wie es bei den bekannten Strahlerzeugungssystemen
dieser Art der Fall ist.
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Dies bedeutet, daß eine größere Änderung der Spannung an G 3 zulässig
ist, ohne die gesetzten Grenzen der Brennweite des fokussierenden Feldes zu überschreiten.
Dies bedeutet natürlich, daß die Tiefenschärfe größer geworden ist.
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Die relative Größe des Durchmessers der COffnung 88 von G4 ist nicht
kritisch. Der Durchmesser von D 4 bestimmt im wesentlichen das Ausmaß der oben beschriebenen
Kompensation der Änderungen der Stärken des sammelnden bzw. zerstreuenden Teiles
98 bzw. 100 des Feldes. Ein Verhältnis von D 4 : D 1
von annähernd gleich
1: 3 hat sich als zweckmäßig erwiesen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Strahlerzeugungssystems 52 hatte
die folgenden Abmessungen:
| D 1 = 12,70 mm L = 11,7 mm |
| D2 = 9,525 mm L1= 9,13 mm |
| D 3 = 0,635 mm L2= 2,6 mm |
| D4 = 4,37 mm |
Dies bedeutet ein bevorzugtes Verhältnis von
L 2 : D 4 : D 2 : D 1: L von
1: 1,
72- 3, 68:4, 90:4, 50; also angenähert 1: 2: 4: 5: 5.
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Diese in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschriebenen
Abmessungsverhältnisse können nicht unbeträchtlich abgeändert werden. So kann z.
B. das Verhältnis D 1: D 2 gewünschtenfalls in der Praxis irgendwo oberhalb von
1 liegen, auch wenn es kleiner ist als das bevorzugte Verhältnis 500:375 oder 1,33.
Dementsprechend ist es möglich, das Verhältnis D 1: L größer zu machen als bei den
bekannten Strahlerzeugungssystemen mit einer Zweielektrodenlinse, auch wenn das
Verhältnis etwas größer oder kleiner ist als der bevorzugte Wert 500:460 bzw. 1,09.
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F i g. 6 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform von G2, die
in Hinblick auf die Arbeitsweise vorzuziehen ist. Die in F i g. 6 dargestellte Elektrode
besteht aus einem topfförmigen Teil 101, in dem ein konkaves Bauelement 102 angeordnet
ist, das die frei liegende Innenfläche bildet. Das konkave Bauelement 102 kann entweder
als getrennter, in der Mitte durchbrochener schalenförmiger Einsatz ausgebildet
sein, wie in der Zeichnung dargestellt ist, oder mit dem topfförmigen Teil
101 aus einem Stück bestehen. Der dargestellte Zwischenraum 104 zwischen
dem Einsatz 102 und dem topfförmigen Teil 106 kann natürlich ausgefüllt
sein, besonders wenn die in F i g. 6 dargestellte Elektrode G2 aus einem Stück besteht.
In beiden Fällen ist die abgewandelte Elektrode 101 durch eine Innenfläche 107 gekennzeichnet,
die in Richtung auf G3 offen ist und eine ununterbrochene, gleichförmig gekrümmte,
konkave Oberfläche bildet. Sie unterscheidet sich hierin von der Elektrode 66, die
aus einer zylindrischen Wand und einem senkrecht zur Achse und zur zylindrischen
Wand verlaufenden Boden besteht.
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Es hat sich gezeigt, daß die in F i g. 6 dargestellte, abgewandelte
Elektrode 101, verglichen mit der Elektrode 66 in F i g. 4 und 5, etwas bessere
Ergebnisse liefert. Dies rührt daher, daß die Form der gleichmäßig gekrümmten, konkaven
Fläche 107 mehr der Form des sammelnden Teiles 98 des Feldes entspricht als die
Form der Innenwand der entsprechenden Elektrode 66. Wird die Elektrode 101 an Stelle
der Elektrode 66 als G2 verwendet, so ergeben sich daher bei Änderungen der Spannung
an G3 zur Einstellung der Strahlschärfe durch Erhöhen oder Erniedrigen der Stärke
des sammelnden Teiles 98 des Feldes noch weniger Formänderungen des Feldes.