DE1421871A1

DE1421871A1 - Speicherelektrode

Info

Publication number: DE1421871A1
Application number: DE19621421871
Authority: DE
Inventors: Schaefer Ronald Louis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-01-02
Filing date: 1962-12-28
Publication date: 1969-06-26
Also published as: US3236686A; GB987780A

Description

Pctfen

Dr.-Ing. Wiiliolm Reicliel

Frankfuii/Mcrin-l 5279

***<*· U' U21871

G-eneral Electric Company , Schenectady, F.Y. ,USA

Speicherelektrode

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bildaufnahmeröhren (Orthikons) und im besonderen auf eine Speicherplatte für elektrische Ladungen, die eine elektrische Ladung erzeugt, die Punkt für Punkt verteilt ist und einem visuellen Bild oder einer anderen Information entspricht, die durch ein Abtasten der Speicherplatte mit einem Elektronenstrahl in ein elektrisches Signal umgewandelt werden soll.

\7enn eine Bildaufnahmeröhre nach Art eines Orthikons arbeitet, so fällt Licht auf die Photokathode der Röhre auf. Es ruft dort eine Elektronenemission hervor„ Die Elektronen werden in achsialer Richtung beschleunigt und fallen auf eine Speicherplatte auf, die sich transversal erstreckt und sehr dünn oder als Membrane ausgebildet ist. Die primären Ionen, die die Speicherplatte erreichen, erzeugen die Emission von Sekundärelektronen, die von einer gelochten oder gitterartigen Elektronensammelelektrode gesammelt werden, die der Speicherplatte in einem sehr geringen Abstand gegenübersteht. Auf der Speicherplatte bleibt eine Ladungsverteilung zurück, die eine Darstellung des optischen Bildes ist, das der Photokathode der Röhre zugeführt wurde. Die- gespeicherte Information wird als Modulation des Umkehrstromes eines Elektronenstrahles ausgelesen, der die Speicherplatte abtastet und die Ladungen auf der Speicherplatte neutralisiert. Damit der Elektronenstrahl, der die Speicherplatte abtastet, diese Ladung ausreichend neutralisieren kann, um Bfachbilder oder eine sogenannte "Haftfähigkeit" der Speicherplatte zu vermeiden, muß die Zeitkonstante der Ladungsübertragung vergleichbar mit der Abtastgeschwindigkeit für die' Speicherplatte sein₀ Das bedeutet, daß der spezifische Wider-

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stand durch, die Speicherplatte hindurch, oder in Richtung des Ueutralisationsstromes eine wichtige Eigenschaft der Speicherplatte ist. Er muß innerhalb bestimmter Grenzen liegen. Für

10 12 Fernsehanwendungen liegen diese Grenzen zwischen 10 und 10 Ohm·cm. ώ±ηβ weitere wichtige Eigenschaft einer Speicherplatte, die in hohem Maße die Empfindlichkeit einer Aufnahmeröhre, bestimmt, ist das Sekundäremissxonsverhältnis bezüglich der primären Elektronen von der Photokathode. Für eine hohe Empfindlichkeit einer Aufnahmeröhre ist es wünschenswert, eine Speicherplatte aus einem-Material mit großem Sekundäremissionskoeffizienten zu verwenden. Das Signal zu Rausch-Yerhältnis der Röhre wird ebenfalls vom Abstand -zwischen Speicherplatte und der Sekundärelektrönensammelelektrode entscheidend beeinflußt. Um annehmbar große Signal£ zu Rausch-Verhältnisse zu erzielen, ist ein Abstand von etwa 0,0125 bis 0,05 mm wünschenswert. Daher sind solche Größen wie die mechanische Stärke und Steif-, heit sowie der Widerstand gegen Schwingbewegungen, die während des Betriebes der Röhre den Abstand zwischen der Speicherplatte und der Sammelelektrode ändern können, ebenfalls wichtige Gesichtspunkte bezüglich einer solchen Speicherplatte. -

Mit den bisherigen Bildaufnahmeröhren nach Art eines Orthikons, die als Speicherplatte eine sehr dünne Glasscheibe oder eine Glasmembrane mit "ausreichender mechanischer Stabilität und Steifigkeit verwendeten, war'unter anderem noch folgendes Problem verbunden« Der Widerstand der !Speicherplatte stiegnämlich nach einer ausgedehnten Betriebszeit von beispielsweise einigen 100 Stunden erheblich an. Dieses Anwachsen des Widerstandes ist offensichtlich der Tatsache zuzuschreiben, daß der Letungsmechanisaus in solchen Speicherplatten über Ionen verläuft. Dieser-Leitungsmechanismus ruft durch die Bewegung der beweglichen Ionen - im allgemeinen der Natrium- . ionen - eine Art Sperrschicht hervor, da die Ionen für den . Ladungstransport von der'einen Seite der Platte-auf deren andere Seite verantwortlich sind. Diese Erscheinung, die "Einbrennen"

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genannt worden ist, ruft ein Nachbild hervor, das auf der Speicherplatte über eine Zeit hin festgehalten wird, die viele Haie länger ist als die Abtastgeschwindigkeit des Rasters. Daraus ergibt sich, daß das Bild einer gegebenen Bildszene einer späteren Bildszene überlagert ist und längere Zeit verweilt.

In dem bisherigen Ständler Technik sind Speicherplatten bekannt, die aus einer dünnen, homogenen Schicht aus feinkörnigem, polyitriställinem Magnesiumoxyd bestehen. Bei diesen bchienten verläuft der Leitungsmechanismus über Elektronen. Dadurch werden die Schwejirigkeiten vermieden, die mit der Ionenleitung zusammenhängen. Außerdem haben diese Schichten einen erwünschten hohen Sekundäremissionskoeffizienten. Eines der Probleme, das mit der Verwendung solcher Speicherplatten verbunden ist, ist allerdings die Halterung der Platte, wenn sie membranartig ausreichend dünn ist und unter genügender mechanischer Spannung steht, um gegenüber der Elektronensammelelektrode keine zusätzlichen Bewegungen durchzuführen, wenn die Höhre Erschütterungen ausgesetzt ist.

Es ist ebenfalls bekannt, eine Speicherplatte aus einem halbleitenden Boratglas herzustellen, das elektronische Leitung zeigt und dessen Widerstand so eingestellt werden kann, daß er in den erwünschten Bereich für Fernsehabtastgeschwindigkeiten fällt. Dieses Glas besteht im allgemeinen aus einer Mischung von drei Komponenten. Dar Hauptbestandteil ist Boroxyd (BpO.,)«, Der zweite Bestandteil muß ein Erdalkalimetalloxyd oder eine iiischung aus Alkalimetalloxyden und Erdalkalimetalloxyden sein, während der dritte Bestandteil aus einem vielwertigen Metall_ oxyd oder einer Mischung aus solchen Oxyden besteht« Wenn auch diese verbesserte G-lasspeidherplatte die Schwierigkeit des "Einbrennens" und der "Haftfähigkeit" der Speicherplatten aus ionenleitendem Glas ausschaltet, lassen die Sekundäremissionseigenschaften und damit die Empfindlichkeit noch viele Wünsche offen.

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Demzufolge ist eine Speicherplatte Ziel der Erfindung, die die erhöhte Steifigkeit und mechanische Stärke von Glas besitzt, deren Empfindlichkeit jedoch diejenige von bisherigen Glasspeicherplatten wesentlich übersteigt.

Im Folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Fig. 1 ist eine Ansicht des Bildteiles einer Bildaufnahmeröhre nach Art eines Orthikons, die eine Speicherplatte'verwendet, die nach der Erfindung aufgebaut ist. Die Ansicht ist in achsialer Richtung teilweise •tai&es'brocheno

Fig. 2 ist ein vergrößerter, bruchstückhafter Schnitt. Er zeigt einen vorbereitenden Verfahrensschritt zur Herstellung einer Speicherplatte nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich der aus Figur 2. Sie zeigt einen späteren Schritt in der Herstellung einer zusammengesetzten Anordnung aus einer Speicherplatte und einer Elektronensammelelektrode nach der vorliegenden Erfindung» · . . .

Kurz gesagt begründet sich die Erfindung auf die Entdeckung, daß man eine verbesserte Speicherplatte für .Bildaufnahmeröhren nach Art eines Orthikons durch einen zusammengesetzten Aufbau erreichen kann, der aus einer Unterschicht aus elektronisch leitendem Glas und einer Oberschicht besteht, die über dieser Unterschicht liegt, lioiuo^en ist und aua einem polykristallinen, halbleitenden Metalloxyd besteht, dessen üekundäremissions-. koeffizient größer als der der Unterschicht ist» Überraschenderweise hat man gefunden, daß trotz des offensichtlichen Sprunges in .der. Materialzusammensetzung zwischen der Unterschicht aus Glas-und der Oberschicht aus Metalloxyd ein solcher Sprung in deji elektronischen ietfcungs eigenschaften nicht auf tritt'. Da-.

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her lassen sich Speicherplatten erzielen, die sowohl in ihren körperlichen als auch in ihren elektrischen Eigenschaften optimal sind.

Fun soll auf die Figur 1 Bezug genommen werden. Diese !Figur zeigt den Bildteil einer Bildaufnahmeröhre nach Art eines Orthikons, die eine Speicherplatte verwendet, die nach dieser Erfindung hergestellt ist. Innerhalb des iiöhrenkolbens 2 int auf der Stirnfläche oder auf dem Jichtfenster 4 eine Photokathode 6 angeordnet. Fällt ein optisches Bild auf die. Photokathode 6 auf, so werden gemäß der Lichtintensität von der Photokathode Elektronen emittiert und in achsialer Puichtung nach hinten auf Grund der inneren Beschleunigungselektroden 8 und 10 und auf Grund eines kollimierenden Magnetfeldes eines äußeren Fokussiermagneten (nicht gezeigt) beschleunigt. Die Primärelektronen aus der Photokathode 6 fallen auf die nach vorne blickende Oberfläche einer quer angeordneten, membranartigen Speicherplatte auf, die nicht gelocht ist. Dadurch werden wiederum aus der Speicherplatte 12 Sekundärelektronen emittiert, die von der nicht davorliegenden, gitterartigen oder gelochten Elektronensammelelektrode 14 aufgefangen werden. Dadurch ergibt sich eine Ladungsverteilung, die auf der nach vorne blickenden Oberfläche 16 der Speicherplatte 12 gespeichert ist und durch elektrische Leitung durch die Platte hindurch eine entsprechende Ladungsverteilung auf der nach hinten blickenden Oberfläche 18 der Speicherplatte 12 hervorruft» Diese letztere Ladungsverteilung wird von der Platte durch die neutralisierende Wirkung eines Abtastelektronenstrahls 20 ausgelesen, und zwar dadurch, daß die Stromstärke des umkehrenden Elektronenstrahles 22 moduliert ist und dadurch das Auslesesignal darstellt.

Die Figuren 2 und 3 zeigen den Aufbau einer verbesserten Speicherplatte nach der Erfindung in größeren Einzelhei"ten» Die Speicherplatte enthält eine Unterschicht 30 aus elektronänleitendem Borglas, das an seinem äußeren Umfang an einer ringförmigen Stütze 32 befestigt ist. Die Speicherplatte kann ausschließ-

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lieh, von der ringförmigen Stütze 32 gehaltert werden. Die Unterschicht 30 erstreckt sich, wie ein Trommelfell über die Stütze 32 und besitzt eine ausreichende Spannung, die wünschenswert ist, um Knicke oder falten zu vermeiden und übermäßige Bewegungen oder Schwingungen gegenüber der Gitterelektrode 14- auf Grund von Schwingungen oder Stoßen der Röhre auszuschließen.

Auf derjenigen Seite der Schicht 30, die zur· Photokathode hinblickt, ist über die ganze Schicht 30 hinweg ns in enger Berührung mit ihr eine zweite Schicht 36 aufgebracht. Diese.Schicht 36 ist homogen und besteht aus einem polykristallinen, halbleiten-■den Metalloxyd, das einen höheren Sekundäremissionsfaktor als die Glasschicht 30 besitzt. Die Schicht 36 kann beispielsweise aus Beryllium- oder Aluminiumoxyd bestehen. Besonders gerne wird für diese Schicht !»lagnesiumoxyd verwendet. Die Glasschicht kann eine Dicke in der Größenordnung zwischen 1,25 und 0,75*10 mm haben. Die Magnesiumoxydschicht 36 kann zwischen hundert und einigen Tausend Angström dick sein. ■

Das Glas der Schicht 30 ist ein Borglas, !ds enthält eine nannte Glasvernetzung, die aus Boroxyd und- bezogen auf den ^: " " verwendeten BpO^-Gehalt - aus 20 bis 4-0 Molto eines Brdalkalime- talloxydes oder auch mehrerer solcher Oxyde gebildet ist«.Diesem; Ausgangsborglas werden zumindest 15 MoT$ eines vielwertigen Metalloxydes oder mehrerer solcher Oxyde hinzugefügt. Dieses Borglas hat einen elektrischen Widerstandvon 10 bis TO 0hm·cm, der für den Ladungstransport mit der richtigen Zeitkonstante durch die Speicherplatte hindurch erwünscht ist, wie sie in Bildaufnahmeröhren nach Art eines Orthikons oder in anderen Anwendungen, bei denen eine Speicherplatte in einem Fernsehraster abgetastet wird, erforderlich ist. Der zweite Bestandteil aus einem oder mehreren Brdalkälimetalloxyden dient als sogenannter -llasvernetzungsmQdifikator, was von dem sogenannten Glasvernetzungsbildner zu unterscheiden ist. Die Glasschicht- 30 ist also aus einem Glasvernetzungsbildner in der Form von BgO₇ -.. und einem zweiten Bestandteil -*· einem sogenannten Yernetzungs-r

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modifikator in Form von Kalziumoxyd, Magnesiumoxyd, Bariumoxyd oder Strontiumoxyd oder einer Mischung aus zwei oder mehreren dieser Oxyde sowie einem dritten Bestandteil zusammengesetzt, der aus einem oder mehreren vielv/ertigen Metalloxyden besteht. Wenn Magnesiumoxyd als zweiter Bestandteil verwendet wird, ist es zur Herstellung homogener Körper notwendig, eine zusätzliche Komponente hinzuzufügen, da MgO sich mit BpO~ nicht mischte Dieser Zusatz - man kann beispielsweise Aluminium- oder Kaliumoxyd dazu verwenden - behebt dieses Problem der flicht-Mischbarkeit. Dieser Zusatz ist dann dem zweiten Bestandteil hinzuzurechnen. Dieser Zusatz, der die Mischbarkeit hervorruft, wird zweckmäßigerweise in Beträgen verwendet,die zwischen 1 MolJ-o und 5 Mo 1$ des fertigen Glases liegen. Br kann der Ausgangsmischung aus Oxyden zugefügt werden, wenn die Ausgangsmischung zum Erhitzen vorbereitet wird. Er kann aber auch hinzugefügt werden, wenn das MgO und das BpO, oder das GaO und das B^O, sich bereits verflüssigt haben. Der dritte Bestandteil, der zum Verbinden oder Dotieren verwendet wird, soll in einer Menge vorhanden sein, die 15 Mol$ nicht unter- und 80 Mol$ nicht überschreitet. Die Molprozente sind hierbei auf das Ausgangsborglas, also beispielsweise auf ein G-las mit der Summenformel GaO*n (BpO.*) bezogen. Die dotierte, halbleitende Glasschi ctrfc 30 besteht daher aus höchstens 85 Mo 1$ von Ca_xO^n(BpO,) oder dem gleichwertigen neuen Borglas.

Eine bevorzugte Form eines Glases für die Unterschicht 30 besteht aus dotiertem CaO°2BpO, und kann wie folgt hergestellt werden: Es werden ^aO, Vp_O^ und Fe₅O. mit B₃O₃ zusammen gemischt und in einem offenen Platintiegel bei 1250 0 geschmolzen. Der Reinheitsgrad des CaO entspricht dem "Baker reagent grade", derjenige des B₂O₅ der Qualität "Pacific Coast Borax pure". Bei der Schmelze bildet sich dotiertes Ca0*2B_o0,. Das V₀Or-Pe^O,

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wird in einer Menge zugesetzt, die, auf das CaO·2B₂O^-Grundmaterial bezogen, 32 MoI^ beziehungsweise 10 Mol % beträgt. Mit anderen V/Orten: die einzelnen .Bestandteile sind in dem fertigen Glas in folgenden Mengen vorhanden: ^>5 Mol$ CaO⁰2BgO,, 30 Mol# V₂O₅ und 15 Jfol# Ee-O.. Diese Glasmas ;e läßt man dann

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etwa bis auf Zimmertemperatur abkühlen. Anschließend wird,, die Glasmasse gekörnt(Korngröße entspricht etwa der Maschenweite eines Siebes Er. 10). Dadurch wird die Masne mechanisch homogenisiert. Das erhaltene Produkt wird.dann in einem, Piatintlegel etwa 1 Stunde lang auf etwa 100O⁰O gehalten und kann dann verblasen werden»

die Herstellung der zusammengesetzten Speicherplatte wird zuerst für die Schicht 30 eine Blase aus frischem Borglas, geblasen und dann ein Stück von, ausreichender Größe aus der..festgewordenen Blase.herausgeschnittel Das ausgewählte Stück aus der Blase wird dann ausreichend erhitzt, so daß es wieder weich,-wird und zusammenfällt oder flach gedrückt v/erden kann« .Daraufhin wird das Stück auf der ringförmigen Stütze 32 befestigt.. Eine dünne Schicht von Ausgangsmetall wie beispielsweise Mag-: neslum für das gewünschte homogene halbleitende WietallQxyd 36 wird anschließend auf das Glas 30 aufgedampft und, in einer , oxydierenden Atmosphäre erhitzt, also beispielsweise mehrere Stunden lang in-Luft auf 400° G gehalten, um das Metall in das Oxyd 36 überzuführen. 1/abei dringt das Glas nicht in die Zwischenräume· zwischen den einzelnen kristallinen Körnchen ein und stört daher $icht die: erwünschte Elektronenleitung direkt durch die Korng_renzen ^_er Schicht 36 hindurch.

Es ist also eine zusammengesetzte Speicherplatte, gezeigt· und beschriebeil worden, die die: besten mechanis:ehen Eigenschaften der bisherigen Speicherplatten in sich vereinigt und dabei eine Empfindlichkeit' besitzt.,, die etwa zweimal so groß wie die Empfindlichkeit" der bisherigen Glasspeicherplatten ist.

Trotz des; scharfen Sprunges/zwiriehen der seEunaar emxtTierenden öxydschieht 36:"'.-aha der Unterschicht oder Stütäschicht, 30 aus Glas,, hat man überraschenderweise gefunden, daß in der elektronischen Iieitung eine Schwelle oder ein solcher Sprung nicht auftritt. Daher .wird eine Ladungsverteilung, die auf der Ober-

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fläche 16 der Schicht 36 gebildet wird, die auf die Phötokathode hinblicktar, sehr schnell auf die oeite der Schicht 30 übertragen, die von dem Auslesestrahl abgetastet wird. Dabei ist die gewünschte Zeitkonstante'für die neutralisation beim Alis h es en durch den abtastenden Elektronenstrahl gewährleistet.

Darüberhinaus hat man festgestellt, daß der Ladungstransport durch die gesamte Dicke der zusammengesetzten Speicherplatte über Elektronen verläuft. Dadurch ist eine lange Betriebsdauer ohne einen Massentransport sichergestellt, der für die Ionenleitung charakteristisch ist und das "Einbrennen" und die "Haftfähigkeit" der Speicherplatte hervorruft.

Daher besitzt die zusammengesetzte Speicherplatte nach der vorliegenden Erfindung eine lange Lebensdauer, ist außerordentlich empfindlich und in hohem Maße gegenüber mechanischen schwingungen und Idikrophonie effekt en widerstandsfähig.

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Claims

1, Speicherelektrode mit einer rin/».fc)nii;:nn tütso. Ίο in ihren Abmessungen ait atm Abmessungen tier peichörcloktrodG vergleichbar iiit, dadurch ge kennzeichnet, daß sie eine dünne Scheibe aus eloktroninch loit r.deia Borßlae enthält, nie bei Zlraraortemperatur einen elektrischen i/ider-

1 ■") 1"?

«land in der OrU ;^:;o.?5 Ordnung von 10 bio 10 0hia*cm booitzt, sieh iiuer über die ringfarnire iitUtKC orötrce t und von ihr mit den Kanten am c:mde goätlHsv int, und -IcS über der einen

elte dieser Glaoochoiije oine chicht ?.uo hono.;enom_f polykristallinoüi Masnosiumoxyf! lio^t, die eine Dicke in Der·.-ich von 100 bis su cirfeen 'umem! Ap. ;a Irani -aufweist·

2· Speioher:ülei;trode-nach Anspruch 1, -η. dar c h c> ° "~ k -c η η c ο i c h η e t _v ;l;^vß eine Meiabrane vorhanden "ist,- die aue einer Untcrochicht aus VtV. β besteht, das ini wesentllohehalia einem üeotadtoil aus Iloroxyd BgU^, einen «reiten Beetandteil aus einea : rdalkalisotalloxyd und einem .'dritten.. Boetand-■ teil -JUO einen violv;ertl_t;en iietßlloxyd. suanrancnge ctzt 1st, wobei · bezogen auf den Boroxy(Inhalt - ler'Breite Bestandteil in einen Betrag zwischen 20 und 40 ^olprosent und der dritte Bestandteil - -bo.ssoreh auf diö beiden ernten'BootaniJtello — in einem. Betrag ^witschen" 15 und BO Uolprosent vorha: ilen ißt, und daß die Unterschicht -dar Membran -mit einem lbrrm£ aue einem ¹ ftterial ver ehen ist, Sea. en ekundärclektronencrilGaionofalctor gröfler ;>.ls der der Unterschicht iat·

3· Speicherelektrode η ich Anopruch-2, ti a dar ο λ ge k e η η a e i c h η e t , daZ üas -J Ine in gleichförmiger Verteilung 15 bis 80 Molprozent Vanadiuapentoxyd enthält und eine Zusammensetzung aufweist, v;ie der 'uaaonfornel CaQ«n3₂Q,4· VgOe entspricht·

BAD ORjQINAL 909826/02 7 3 -

4. : poi^horGle'rfcroio nach Anoprueh 2> el a d ure h ge · k e η η ζ a I eh η e £ , <ϊο.β 'J«s Glau In gle-ichfütr^ifier Ver* teilTmr Van.· :.i«ittpeitoxyd unu Magne?tit enthält und eine nondnale 2f υ-^:?! se η bot sun*·* "uo 'etwa 55 holproaent ÖaO^nlUO-,, otwa 30 iJol— pro sent ^Y,()_r und etwa 1.2 iüolprogunt i¹© .0. bcaitat·

tro.-'c nneU 'mrp uc3i 2, 'Vt p. r u ■.- ο Ii r: e k ;: η η κ e i c h n e t , Jnß der überzug Über öor Untersohicht rus poly^riotallinein halbleitenaem Oxyd rainde; ^t:miB ein .etall dor '.rruppo '.n'-rrr iuni, ^luiTiiriium und Beryllium enthält» i

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