DE1589825B2 - Elektronenoptisches System zum Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls - Google Patents

Elektronenoptisches System zum Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls

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DE1589825B2 DE1589825A DEG0050042A DE1589825B2 DE 1589825 B2 DE1589825 B2 DE 1589825B2 DE 1589825 A DE1589825 A DE 1589825A DE G0050042 A DEG0050042 A DE G0050042A DE 1589825 B2 DE1589825 B2 DE 1589825B2
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    • H01J29/46Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
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Description

Die Erfindung betrifft ein elektronenoptisches System zum Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls, welches in einem Röhrenkolben angeordnet ist und eine Elektronenstrahlquelle sowie Einrichtungen zur Ablenkung des Elektronenstrahls und Einrichtungen zur Erzeugung des System-Eingangssignals aufweist, mit einem im Röhrenkolben gegenüber der Elektronenstrahlquelle angeordneten Schirm, mit Einrichtungen zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen magnetischen Feldes innerhalb des Röhrenkolbens und entlang dessen Achse, mit Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen, im allgemeinen zeitabhängigen und im wesentlichen gleichförmigen Feldes innerhalb des Röhrenkolbens, die eine Ablenkung des Elektronenstrahls in zwei Koordinatenrichtungen des Systems ermöglichen, wobei das elektrische Feld senkrecht zum magnetischen Feld verläuft und das magnetische Feld derart überlagert, daß ein der Brennpunktprojektion und -ablenkung dienender Hohlraum entsteht, welcher eine fokussierte Abbildung des Systemeingangssignals auf dem Schirm und eine Zeilenraster-Darstellung der Abbildung auf der Schirmoberfläche bewirkt.
Bei der modernen Anwendung der Elektronenstrahlröhren besteht häufig die Forderung nach einer sehr feinen Bildauflösung, hoher Stromdichte im Elektronenstrahl, einem geringen Energiebedarf, kleiner Größe und kleinem Gewicht. Elektronenröhren mit diesen Eigenschaften sind sehr gut in automatischen elektronischen Leitsonden für Weltraumsysteme verwendbar. Bei einer Vidikonaufnahmeröhre kann bei optimalen Anforderungen eine Röhre hoher Arbeitsleistung einen Schirm von ungefähr 2,5 cm Durchmesser oder weniger bei einer minimalen Röhrenlänge aufweisen. Die Forderung einer hohen Auflösung und einer hohen Stromdichte im Elektronenstrahl erfordern eine starke Konvergenz oder einen großen Halbwinkel am Schirm, was gleichzeitig eine kurze Elektronenstrahllänge bei Durchmessern leicht zu handhabender Größe bedeutet. Jedoch begrenzt eine ausreichende Abtastung des Bereiches des Schirms das Ausmaß, bis zu welchem die Röhre verkürzt werden kann, um den gewünschten kurzen Elektronenstrahl zu erreichen.
Aus der FR-PS 14 07 983 ist ein derartiges elektro-
ι ο
nenoptisches System zum Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls bekannt, bei dem die Laufzeit der Elektronen in dem Hohlraum eine Zyklotronphase zwischen 110° und 140° besitzt, da in diesem Bereich wahrheitsgetreue anastigmatische Abbildungen erzielt werden. Allerdings ist in diesem Betriebsbereich die Fokussierung des Elektronenstrahls relativ schwach.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektronenoptisches System zum Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls der eingangs genannten Art anzugeben, das mit starker Fokussierung betrieben wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Laufzeit der Elektronen in dem Hohlraum eine Zyklotronphase für den Elektronenstrahl verursacht, die gleich oder größer als 180° ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß bei dem erfindungsgemäßen elektronenoptischen System die Zyklotronphase allein die Fokussierung bestimmt, und daß aufgrund der erfindungsgemäßen Zyklotronphase im dritten oder vierten Quadranten eine starke Fokussierung erzielt wird, wobei insbesondere bei einem Wert der Zyklotronphase im dritten Quadranten eine sehr feine Auflösung erzielbar ist, da dann der Elektronenstrahl ohne radiale Geschwindigkeitskomponenten senkrecht auf den Schirm auftrifft.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Elektronenstrahlröhre, die ein System zur elektronischen Brennpunktprojektion und -ablenkung aufweist;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Elektronenröhre längs der Linie 2-2 gemäß F i g. 1;
Fig.3 einen teilweisen Schnitt, der eine Beschleunigungs- oder Verzögerungselektrode in einer Elektronenstrahlröhre darstellt;
F i g. 4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Elektronenröhre, die ein System zur elektronischen Brennpunktprojektion und -ablenkung aufweist;
F i g. 5A und 5B graphische Darstellungen charakteristischer Kurven des Systems;
F i g. 6 einen teilweisen Schnitt durch eine elektrostatische Kollimatoranordnung zur Verwendung in einer Elektronenstrahlröhre, die das System der elektronischen Brennpunktprojektion und -ablenkung umfaßt;
F i g. 7 einen teilweisen Schnitt durch eine weitere elektrostatische Kollimatoranordnung;
F i g. 8 einen Längsschnitt durch eine Elektronenstrahlröhre, bei welcher der Elektronenstrahl zwischen der öffnung und dem Schirm völlig eingefaßt ist;
F i g. 9 A und 9B eine graphische Darstellung der Änderung des Verhältnisses der Ablenkspannung zur Anodenspannung für bestimmte Rasterdiagonalen in Abhängigkeit von der Länge des Hohlraumes;
Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der elektrostatischen Ablenkung und der rotierenden Abtastung eines Elektronenstrahls in Abhängigkeit von der Zyklotronphase des Hohlraumes;
F i g. 11 eine bildliche Darstellung der Charakteristiken des Systems;
Fig. 12 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Elektronenstrahlröhre mit einem teilweise beeinflußten Elektronenstrahl.
F i g. 13 A, 13 B, 13 C und 13 D graphische Darstellungen der Charakteristiken der Elektronenstrahlröhre gemäß Fi g. 12; '
Fig. 14 A und 14 B Längsschnitte zweier weiterer Ausführungsformen einer Elektronenstrahlröhre riiit
j teilweise beeinflußtem Elektronenstrahl;
Fig. 15 einen Längsschnitt durch die Längsachse einer elektrostatischen Ablenkung in einem System;
Fig. 16 Adas Elektrodenmuster für. ein Deflektron; F i g. 16 B eine andere Ausführungsform des Elektro-
iü denmusters;
Fig. 17 eine weitere Ausführungsform bei der das System eine nichtdrehende magnetische Linse umfaßt;
Fig. 18 eine graphische Darstellung des Verlaufs des Elektronenstrahls in der x-y-Ebene bei einer Ausführungsformgemäß Fig. 17.
Gemäß F i g. 1 umfaßt das elektronenoptische System eine Elektronenstrahlquelle 1, einen Hohlraum 2 zur Brennpunktprojektion und -ablenkung, im folgenden auch FPS-Hohlraum bezeichnet, und einen Schirm 3, welcher in einem langgestreckten Röhrenkolben 7 angeordnet ist. Der Röhrenkolben umfaßt zwei Laufräume 4 und 5, welche die Elektronenstrahlquelle 1 und den Schirm 3 des FPS-Hohlraums 2 voneinander trennen. Eine vor dem Brennpunkt liegende Linse 6 ist innerhalb des Laufraumes 4 angeordnet.
Die Elektronenstrahlquelle 1 umfaßt eine großflächige Glühkathode 8 und eine Gitterelektrode 9, um die Elektronenemission der Kathode 8 zu steuern. Die emittierten Elektronen werden von einer Anodenelek-
JO trode 10 beschleunigt, welche auf einem geeigneten gegenüber der Kathode 8 positiven Potential gehalten wird. Eine Elektrode 11 mit einer darin vorgesehenen bestimmten öffnung 12 ist in der Nähe der Anode 10 angeordnet. Diese Elektroden werden von einer geeigneten nicht dargestellten Potentialquelle aus mit Energie versorgt. An der öffnung 12 tritt für den Elektronenstrahl ein Bündelknoten auf, und diese bestimmte öffnung dient als der reelle Gegenstand des elektronenoptischen Systems. Der Durchmesser der
öffnung 12 sollte der gewünschten Punktgröße entsprechen und beträgt z. B. 0,005 mm. Die öffnung 12 liegt generell in der Achse 13 des Röhrenkolbens 7. Der Elektrodenteil 11 ist in einer Hülse oder einem Zylinder 14 montiert, welcher den Laufraum zwischen der öffnung oder dem reellen Gegenstand 12 und dem FPS-Hohlraum 2 bildet. Die gestrichelten Linien 15 bezeichnen die Form des Elektronenstrahls innerhalb des Laufraumes 4. Die Anode 10 und die Hülse 14 werden auf demselben Potential F gehalten, welche die
so Elektronenstrahlenergie bestimmt.
Die innerhalb des Laufraumes 4 und vor dem Brennpunkt liegende Linse 6 kann zur Beeinflussung des Elektronenstrahlquerschnitts innerhalb des Laufraumes 4, d. h. zur Kontrolle des Weges der Elektronen während der Bewegung zum Schirm 3 benutzt werden. Die vor dem Brennpunkt liegende Linse 6 umfaßt eine elektrostatische Einzel-Linse 16, die von einer geeigneten, nicht dargestellten Potentialquelle aus erregt wird. Die Linse 16 kann dazu benutzt werden, um den Elektronenstrahl im Punkt 20 innerhalb des FPS-Hohlraumes 2 zu bündeln, um dadurch eine reelle Abbildung der charakteristischen öffnung 12 innerhalb des Hohlraumes zu erzeugen. Durch die Beeinflussung des von der Linse 16 erzeugten elektrischen Feldes kann der bündelnde Effekt der Linse 16 und damit der Abstand des Brennpunktes 20 innerhalb des Hohlraumes 2 gesteuert werden. Die Linse 16 kann auch derart erregt werden, daß sie den Elektronenstrahl beim Eintreten in
den FPS-Hohlraum 2 zerstreut. Diese Betriebsart wird später mit Bezug auf F i g. 4 beschrieben. Dabei erzeugt die Linse 16 an Stelle eines Brennpunktes oder einer reellen Abbildung der charakteristischen Öffnung 12 innerhalb des FPS-Hohlraumes ein virtuelles Bild der Öffnung 12.
Der FPS-Hohlraum umfaßt den zentralen Teil des Röhrenkolbens 7 und wird von einer Magnetspule 25 und einem elektrostatischen Joch 26 gebildet. Die in der Beschreibung benutzte Bezeichnung »zentraler Teil« bedeutet, daß sich dieser langgestreckte Teil des Röhrenkolbens 7 zwischen den beiden Laufräumen 4 und 5 erstreckt. Die Magnetspule 25 ist über der äußeren Oberfläche des Röhrenkolbens 7 angeordnet. Sie umgibt den zentralen Teil des Röhrenkolbens und erstreckt sich über dessen axiale Länge. Die Magnetspule 25 wird von einer geeigneten, nicht dargestellten Stromversorgung aus erregt, welche an die Klemmen 27 und 27' angeschlossen ist. Die Magnetspule 25 erzeugt ein gleichmäßiges Magnetfeld, das parallel zu der Achse 13 innerhalb des zentralen Teiles des Röhrenkolbens 7 verläuft. Es kann an Stelle der Magnetspule 25 auch ein Permanentmagnet benutzt werden, um ein ähnliches Magnetfeld zu erzeugen.
Das elektrostatische Joch 26 ist vorzugsweise von einer Art, welche gleichzeitig horizontale und vertikale Kräfte zur Ablenkung des Elektronenstrahls bietet, und besteht z. B. aus einem System paarweise ineinandergreifender horizontaler und vertikaler Ablenkungselektroden. Das elektrostatische Joch 26 ist auf der Innenseite des Röhrenkolbens 7 durch Aufstreichen oder Plattieren usw. angebracht und erstreckt sich über dieselbe Länge des Röhrenkolbens 7 wie die Magnetspule 25. In Fig.2, welche einen Querschnitt längs der Linie 2-2 gemäß F i g. 1 darstellt, ist die Anordnung der Magnetspule 25 und des elektrostatischen Joches 26 bezüglich der Lage zum Röhrenkolben 7 aufgezeigt. Das elektrostatische Joch 26 erzeugt in Abhängigkeit von einer geeigneten Erregung an den Anschlüssen 28, 28', 29,29' ein sich drehendes biaxiales elektrisches Feld, welches senkrecht zu dem von der Magnetspule 25 erzeugten Magnetfeld steht und sich gleichmäßig über das Volumen des FPS-Hohlraumes 2 erstreckt. Das elektrische Feld muß im wesentlichen quergerichtet sein, d. h. es muß frei von irgendwelchen längs der Achse 13 gerichteten Komponenten sein, weiche dazu tendieren, einen Defokussier- und Rotationseffekt zu erzeugen. Die Magnetspule 25 und das elektrostatische Joch 26 erzeugen somit sich überschneidende elektrische und magnetische Felder, welche sich im wesentlichen über den gleichen Umfang innerhalb des zentralen Teils des Röhrenkolbens 7 erstrecken und damit den FPS-Hohlraum 2 bilden. Das magnetische Feld ist statisch, wogegen das elektrische Feld dynamisch ist und in Abhängigkeit von den an die Anschlüsse 28, 28', 29 und 29' angelegten Ablenksignalen verändert wird.
Die Zielelektrode oder der Schirm 3 ist am Ende des Röhrenkolbens 7 gegenüber der Elektronenstrahlquelle 1 angeordnet und verläuft im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Achse 13. Der Schirm 3 ist von dem FPS-Hohlraum 2 durch einen Laufraum 5 getrennt.
Das in F i g. 1 dargestellte System zur Brennpunktprojektion und -ablenkung kann in vielen Kathodenstrahleinrichtungen für viele Verwendungszwecke angewendet werden. Zum Beispiel kann das System bei Röhren mit hoher Elektronenstrahlintensität zur Erzeugung von Mikropunkten, für Projektionssysteme des Färb- bzw. Schwarz-Weißfernsehens, für Vidikonröhren oder Orthikonbildröhren sowie für Röntgenröhren und Röhren mit einem hochenergetischen, starkgebündelten Elektronenstrahl zum: mechanischen Bearbeiten, Schweißen oder Bohren verwendet werden. Daraus folgt, daß die Zielelektrode bzw. der Schirm sehr verschiedenartig ausgebildet sein kann. Bei der in F i g. 1 dargestellten Röhre besteht die Zielelektrode 3 aus einem konventionellen Schirm auf dem ein sichtbares Abbild durch den auftreffenden Elektronenstrahl
ίο erzeugt wird. Bei all diesen Anwendungen jedoch ist der Schirm 3 in einem durch den Laufraum 5 bestimmten Abstand von dem FPS-Hohlraum angeordnet. Eine Betriebsart des elektronischen Systems zur Brennpunktprojektion und -ablenkung wird mit Bezug auf F i g. 1 beschrieben, bei dem der Elektronenstrahl nach dem Durchtreten durch die charakteristische Öffnung 12 divergiert und sich durch den Laufraum 4 gegen den FPS-Hohlraum 2 bewegt. Die vor dem Brennpunkt liegende Linse 6 verursacht eine Bündelung und die Bildung eines Brennpunktes im Punkt 20 innerhalb des FPS-Hohlraumes 2. Die sich überschneidenden elektrischen und magnetischen Felder innerhalb des FPS-Hohlraumes lassen die Elektronen des Elektronenstrahls einer im allgemeinen zykloidisch verlaufenden Kurve innerhalb des FPS-Hohlraumes folgen. Die Länge einer Zykloide kann durch den Abstand zwischen zwei Brennpunkten des Strahles ausgemessen werden. Die an die Anschlüsse 28, 28', 29 und 29' des elektrostatischen Jochs 26 angelegten Ablenksignale bestimmen die Richtung und die Größe der Ablenkung der Elektronen von der Achse 13. Die gestrichelten Linien 30 bezeichnen die Grenzen eines theoretischen Strahlenverlaufes innerhalb des FPS-Hohlraumes. Auf diesem Weg wird keine ganze Zykloide vom Elektronenstrahl innerhalb des FPS-Hohlraumes durchlaufen, d. h. der Brennpunkt 20 wird nicht innerhalb des Hohlraumes erneut abgebildet. Jedoch konvergieren die Elektrcen als Folge der auf sie einwirkenden Kräfte innerhalb des FPS-Hohlraumes 2 im Laufraum 5 und bilden einen scharfen Brennpunkt 31 auf dem Schirm 3. Der Halbwinkel «i auf dem Schirm 3 entspricht in seiner Größe im wesentlichen dem Halbwinkel 1X2 am Brennpunkt 20, ist verhältnismäßig groß und kann z. B. sechsmal größer sein als der Halbwinkel, der bei einem konventionellen optischen System derselben Länge erzielbar ist. Die feine Auflösung und die große Stromdichte im Elektronenstrahl kann man daher ohne starke Begrenzung der Proportionen der verfügbaren Durchmesser der Röhrenkolben erhalten, über welche der Elektronenstrahl abgelenkt wird. Bei dieser Betriebsweise wird der Brennpunkt 20 durch die Wirkung des FPS-Hohlraumes 2 auf den Schirm 3 projiziert.
Der projizierte Brennpunkt ist ein reeller Brennpunkt und kann im Laufraum zwischen dem FPS-Hohlraum und dem Schirm beschleunigt bzw. verzögert werden. Die Beschleunigung bzw. Verzögerung kann z. B. durch eine geeignet erregte koaxiale zylindrische Spule mit gleichmäßiger Steigung bewirkt werden, welche an den Wänden des Röhrenkolbens im Laufraum zwischen dem Hohlraum und dem Schirm, wie in F i g. 3 mit 32 bezeichnet, angebracht ist. Eine Maschenelektrode 33 kann außerdem vorgesehen sein, um das durch die Spiralelektrode erzeugte Feld zu begrenzen.
Die Elektronenstrahlröhre gemäß Fig.4 stellt eine zweite Ausführungsform mit einem divergierenden Elektronenstrahl dar.
Bei der Ausführung gemäß Fig. 1 wurde der
Elektronenstrahl im Laufraum 4 derart beeinflußt, daß er beim Eintreten in den FPS-Hohlraum 2 konvergierte und einen Brennpunkt 20 innerhalb des Hohlraumes bildete, in welchem ein reelles Abbild der charakteristischen Öffnung erzeugt wird. Dieser Brennpunkt würde mit Hilfe der sich überschneidenden Elektrischen und magnetischen Felder innerhalb des Hohlraumes auf den Schirm 3 projiziert und zur Abtastung des Schirmes entsprechend abgelenkt. Bei der in F i g. 4 dargestellten Betriebsweise einer Elektronenstrahlröhre liegt der erste Brennpunkt außerhalb des Hohlraumes und wird nicht in diesen projiziert und außerdem divergiert der in den Hohlraum eindringende Elektronenstrahl und wird nicht wie bei der Ausführung gemäß F i g. 1 gebündelt. Bei dieser Ausführungsform wird ein virtuelles Bild der charakteristischen Öffnung verwendet. Die Projektion des ersten Brennpunktes auf den Schirm und die Ablenkung über die Oberfläche des Schirmes wird durch das Zusammenwirken der sich überschneidenden elektrischen und magnetischen Felder im FPS-Hohlraum entsprechend der Ausführung gemäß Fig. 1 bewirkt.
Die Röhre gemäß F i g. 4 umfaßt einen Röhrenkolben 7, eine am einen Ende des Röhrenkolbens montierte Elektronenstrahlquelle 1, einen am anderen Ende des Röhrenkolbens angebrachten Schirm 3 und einen FPS-Hohlraum 2, in welchem über den gleichen zentralen Teil des Röhrenkolbens 7 sich eine Magnetspule 25 und ein elektrostatisches Joch 26 erstrecken und sich überschneidende elektrische und magnetische Felder erzeugen. Die Elektronenstrahlquelle 1 und der Schirm 3 sind von dem FPS-Hohlraum 2 durch Laufräume 4 und 5 getrennt.
Der sich gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 unterscheidende Teil der Elektronenstrahlröhre gemäß Fig.4 ist die Elektronenstrahlquelle, welche einen divergierenden Elektronenstrahl für den FPS-Hohlraum liefert. Die Elektronenstrahlquelle umfaßt eine großflächige Kathode, eine mit einem Loch versehene Kollimatorelektrode 36, eine Anode 37, eine Steuergitterelektrode 38 und eine Meniskuselektrode 39. In der Meniskuselektrode 39 ist eine öffnung 40 bestimmter Größe vorgesehen, welche für das elektronenoptische System als reeller Gegenstand dient. Eine Linse 4, die eine Anfangsfokussierung bewirkt, ist im Laufraum 4 neben dem FPS-Hohlraum 2 angeordnet.
Gemäß der bei der zweiten Ausführungsform des elektronenoptischen Systems vorgesehenen Wirkungsweise divergiert ein die charakteristische öffnung 40 durchsetzender Elektronenstrahl auf seinem Weg durch den Laufraum 4 zum FPS-Hohlraum 2. Wenn der Elektronenstrahl in den Hohlraum eintritt, bleibt dieses Divergenzverhalten im Gegensatz zu dem Konvergenzverhalten bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 erhalten. Der Halbwinkel B\ des divergierenden Elektronenstrahls läßt sich durch die Anfangsfokussierungslinse41 einstellen.
Die Begrenzungslinie eines theoretischen Verlaufs des Elektronenstrahls ist mit dem Bezugszeichen 42 versehen. Der Divergenzhalbwinkel B\, unter welchem der Elektronenstrahl in den FPS-Hohlraum 2 eintritt, ist im wesentlichen gleich dem Konvergenzhalbwinkel Bi, unter welchem der Elektronenstrahl in den Laufraum 5 eintritt und am Punkt 43 auf dem Schirm 3 gebündelt wird. Der mit dem Bezugszeichen 42 bezeichnete Weg des Elektronenstrahls stellt nur eine Zykloide dar, welche von der charakteristischen Öffnung unter dem reellen Objekt 40 bis zum Punkt 43 auf dem Schirm 3
verläuft.
Die Zyklotron-Frequenz Ω der Elektronen innerhalb des FPS-Hohlraumes gemäß Fig. 1 und 4 wird beschrieben durch die Gleichung:
Ω =
wobei
Ω =
η =
B =
die Zyklotron-Frequenz
das Verhältnis der Elektronenladung zur Elektronenmasse
die magnetische Feldstärke innerhalb des FPS-Hohlraumes in Gauß ist. (1 Gauß = ΙΟ-4 Vs/m2).
Die Verweilzeit der Elektronen innerhalb des FPS-Hohlraumes wird durch die Gleichung ausgedrückt:
T = (2)
wobei
/ = die Länge des FPS-Hohlraumes V = die vom Elektronenstrahl durchlaufene Spannung.
Die Zyklotron-Phase Θ wird beschrieben durch die Gleichung:
= 0,292
Bl
ίν
Bl
(alle Größen im elektromagnetischen CGS-System).
Für einen FPS-Hohlraum gegebener Länge kann die Zyklotron-Phase Θ und der Brennpunkt entweder durch die Änderung des magnetischen Feldes B oder durch die Änderung der vom Elektronenstrahl durchlaufenen
Spannung Voder durch eine Änderung beider Größen abgestimmt werden. Eine Alternative hierzu ist auch die Änderung der Erregung der Anfangsfokussierlinsen 6 und 41 gemäß F i g. 1 und 4.
Eine totale Ablenkung des Elektronenstrahls innerhalb des FPS-Hohlraumes in Richtung der χ und y Achsen wird durch folgende Gleichungen beschrieben:
50X = Xn +
sin G - -^-(X - cos G)-^T Ω υ
V =
V0 +
JO
Ω
sin G +
(1 -cos ft) (5)
wobei Xo, xo, yo und yo die Koordinaten der Lage und der Geschwindigkeit am Eingang des Hohlraums sind und E bo die elektrische Feldstärke darstellt. Die Ablenkung D am Ausgang des Hohlraums wird durch folgende Gleichung beschrieben:
D= ]/x2 + y2 .
Die Ablenkungsempfindlichkeit oder das Verhältnis der Ablenkung Dim FPS-Hohlraum, welche man einer vorgegebenen Ablenkspannung erhält zur Ablenkung
909 530/12
Do in einem vollelektrostatischen System bei derselben Ablenkspannung, wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:
1 — cos θ
Wi
Die Bild-Rotation ρ einer elektronischen Abbildung innerhalb des FPS-Hohlraumes ergibt sich aus der Gleichung:
, / ν \ , / O - sin ft \
ο = tan"1! — ) = tan-'l-r —).
\xj \ 1 - cos θ I
In Fig. 5 A ist die Ablenkungsempfindlichkeit des Systems als Funktion der Zyklotron-Phase aufgetragen. In Fig.5 B ist die Bild-Rotation in dem FPS-System gemäß der Erfindung ebenfalls in Abhängigkeit von der Funktion der Zyklotron-Phase aufgetragen. Die Bild-Rotation ρ ist näherungsweise ein Drittel der Zyklotron-Phase.
Wie schon erwähnt, wird ein optimales anastigmatisches FPS-Verhalten bei einer Zyklotron-Phase zwischen 110° und 140° erzielt. Wahrheitsgetreue anastigmatische Abbildungen werden bei Zyklotron-Phasen von 115° bis 135° erzielt. Wie aus den Abbildungen gemäß Fig.5 A und 5 B entnommen werden kann, beträgt die Ablenkungsempfindlichkeit und Bild-Rotation für eine Zyklotron-Phase von 115° 86% bzw. 38°, während für eine Zyklotron-Phase von 135° sich die Werte von 83% bzw. 43° ergeben.
Die Beziehung zwischen der Länge der Laufräume 4 und 5 und des Hohlraumes 2 wird durch folgende Gleichung zum Ausdruck gebracht:
a + I
b =
sin Θ
Θ
cos Θ
(10)
wobei
a = die Länge des Laufraumes 4
b = die Länge des Laufraumes 5
/ = die Länge des FPS-Hohlraumes 2 ist.
Da der Nenner der Gleichung (10) — cos Θ und b positiv ist, verläßt der Elektronenstrahl den FPS-Hohlraum in konvergierendem Verlauf, wenn β im zweiten und dritten Quadranten liegt.
Das System, von welchem zwei verschiedene Betriebsweisen in den F i g. 1 und 4 dargestellt sind, erlaubt eine gleichzeitige Ablenkung des Elektronenstrahls in Richtung der horizontalen und vertikalen Achsen des Schirmes. Die Fokussierung und Abtastung erfolgt gleichzeitig. Außerdem kann ein kürzerer Röhrenaufbau als bisher verwendet werden. Wegen der gleichzeitigen Ablenkung und Fokussierung bei dem System kann die optische Entfernung der Linse von dem Schirm kürzer als der Ablenkaufbau sein, wogegen bei Systemen mit nach der Fokussierung erfolgender Ablenkung die optische Entfernung zwischen der Linse und dem Schirm größer als der Ablenkaufbau sein muß. Der kürzere optische Abstand zwischen der Linse und dem Schirm bei dem System führt zu einem konvergierenden Elektronenstrahl mit einem größeren Halbwinkel an dem Schirm und deshalb zu einer größeren Energiedichte im Brennpunkt auf dem Schirm. Damit wird der ansonsten notwendige Kompromiß zwischen Brennpunkt und Auflösung umgangen.
Bei dem System zur elektronischen Brennpunktprojektion und -ablenkung bleibt der Brennpunkt des Bildes während der Ablenkung über die Oberfläche des Schirmes erhalten, wobei etwa 83% des Röhrendurchmessers mit sehr geringer Kantenunschärfe und sehr kleinen Ablenkstörungen überstrichen werden können. Die abstimmbare Linse zur Anfangskonzentrierung des Strahls im Laufraum in der Nähe des Eingangs zum FPS-Hohlraum stellt eine Einrichtung zur exakten
ίο Fokussierung des reellen Gegenstands auf dem Schirm dar. Wechselweise kann auch die magnetische Feldstärke oder die Elektronenstrahlspannung für eine Abstimmung dieser Art verwendet werden.
Ferner werden keine den Elektronenstrahl beschneidende Öffnungen in dem FPS-Hohlraum verwendet, so daß die Stromverluste nur ein Minimum annehmen.
Der Elektronenstrahl trifft auf dem Schirm im wesentlichen rechtwinklig auf, da der Strahl einem sich überschneidenden elektrischen und magnetischen Feld im FPS-Hohlraum ausgesetzt ist und aus dem Hohlraum austritt, nachdem der Strahl auf eine parallel zur Bezugsachse verlaufende Achse abgelenkt wurde. Geringfügige Abweichungen können, wie bereits mit Bezug auf F i g. 3 beschrieben, durch eine nachträgliche Beschleunigung des Elektronenstrahls zwischen dem Hohlraum und dem Schirm korrigiert werden. Diese hinter dem Hohlraum vorgenommene Ausrichtung wird vorzugsweise durch magnetische Beeinflussung bewirkt, welche von einer über den FPS-Hohlraum hinausragenden Magnetspule ausgeht. Diese Anordnung ist in F i g. 6 mit dem Bezugszeichen 50 versehen. Diese Ausrichtung kann außerdem auch elektrostatisch ausgeführt werden, indem geeignet erregte Spirallinsen 51 in dem Laufraum zwischen dem FPS-Hohlraum und dem Schirm, wie in Fig. 7 dargestellt, angeordnet werden.
Somit ergibt sich, daß mit dem System zur Projizierung eines Brennpunktes eines Elektronenstrahls auf einen Schirm eine feine Auflösung und große Helligkeit bei gleichzeitiger Steuerung der Ablenkung des Strahles über einen Bereich des Schirmes erzielt werden kann. Die Leistungsanforderungen sowie Größe und Gewicht können stark verringert werden. Die elektronische Brennpunktprojektion und -ablenkung verhält sich analog wie eine kurze magnetische Linse, die in eine parallele Ebene zum Schirm gebracht wird und ein Abbild des reellen Gegenstandes auf dem Schirm bewirkt, wobei die Linse zur zweidimensionalen Verschiebung des Bildes auf dem Schirm dient.
so Das System stellt einen Baustein dar, der in einer Vielzahl von elektronischen einen Elektronenstrahl verwendenden Einrichtungen Anwendung finden kann. Zum Beispiel bei Orthikons zur Bildaufzeichnung, bei Vidikons, bei Einrichtungen zur Bearbeitung, Schweißung oder Bohrung von Materialien mit Hilfe eines Elektronenstrahls, oder bei Einrichtungen zur Fernsehbildwiedergabe. Mit Bezug auf Farbfemsehröhren ist es wichtig darauf hinzuweisen, daß der Elektronenstrahl nicht in der zentralen Achse der Röhre beim Eintritt in
bo den FPS-Hohlraum liegen muß. Er kann in den Hohlraum an irgendeinem radial außerhalb der Achse liegenden Punkt eindringen und wird einer zykloidischen Ablenkung unterzogen, so daß er in einer parallel zur Achse verlaufenden Richtung aus dem Hohlraum austritt, um auf dem Schirm senkrecht aufzutreffen. Auf diese Weise können eine Vielzahl voneinander unabhängiger Elektronenstrahlen durch den FPS-Hohlraum gleichzeitig verlaufen, vobei jeder zur selben Zeit
innerhalb seines eigenen Rasters von demselben Feld abgelenkt wird, bevor er auf die farbempfindlichen Teile des Schirmes auftrifft.
Jedoch sind für einige Anwendungen des FPS-Systems die erfindungsgemäßen Betriebszustände von Vorteil, in welchen das System mit starker Fokussierung, d. h. in einer Zyklotronphase im dritten und vierten Quadranten betrieben wird.
In Fig.8 ist ein FPS-elektronenoptisches System dargestellt, bei welchem sich die fokussierende Magnetspule über die gesamte Länge des Systems erstreckt. Dieses System umfaßt eine Elektronenstrahlquelle 102, einen FPS-Hohlraum 104 und einen Schirm 106 innerhalb eines langgestreckten Röhrenkolbens 108.
Die Elektronenstrahlquelle 102 enthält eine großflächige Glühkathode 110 und eine Gitterelektrode 112, welche die Elektronenemission der Kathode 110 steuert. Die emittierten Elektronen werden durch eine Anodenelektrode 114 beschleunigt, welche in bezug auf die Kathode 110 auf einem geeigneten positiven Potential gehalten wird. Ein Elektrodenteil 116 ist mit einer charakteristischen punktförmigen Öffnung 118 versehen, die im optischen System als reeller Gegenstand wirkt und ungefähr einen Durchmesser von 0,025 mm oder weniger hat. Dieser Elektrodenteil 116 ist in der Nähe der Anode 114 an dem einen Ende des FPS-Hohlraumes 104 derart angeordnet, daß zwischen dem Elektrodenteil 116 und dem FPS-Hohlraum kein Laufraum vorhanden ist. Diese Elektroden werden von einer nicht dargestellten Quelle aus auf einem geeigneten Potential gehalten. An der öffnung 118 erfährt der Elektronenstrahl eine Einschnürung oder Bündelung. Wenn die' Öffnung selbst klein genug ausgeführt wird, kann sie auch als reeller Gegenstand des elektronenoptischen Systems verwendet werden. Die öffnung 118 liegt im wesentlichen innerhalb der Achse 120 des Röhrenkolbens 108. Die mit 122 bezeichneten gestrichelten Linien kennzeichnen den prinzipiellen Verlauf des Elektronenstrahls für den Fall, daß die öffnung 118 durch einen senkrecht auf den Schirm 106 auftreffenden Elektronenstrahl auf dem Schirm abgebildet wird.
Der FPS-Hohlraum umfaßt einen Teil des Röhrenkolbens 108, welcher von sich überkreuzenden Feldern einer Magnetspule 124 und eines elektrostatischen Joches 126 bestimmt wird. Die Magnetspule 124 ist auf der äußeren Oberfläche des Röhrenkolbens 108 angeordnet und erstreckt sich über die Länge und den gesamten Umfang dieses Teils des Röhrenkolbens. Die Magnetspule 124 wird von einer geeigneten nicht dargestellten und an die Klemmen 128 angeschlossenen Energieversorgungsquelle aus erregt. Die Magnetspule 124 erzeugt ein gleichmäßiges magnetisches Feld, das parallel zur Achse 120 innerhalb des FPS-Hohlraumes 104 verläuft. Anstelle der Magnetspule 124 kann auch ein Permanentmagnet verwendet werden, um ein ähnliches Magnetfeld aufzubauen.
Das elektrostatische Joch 126 ist vorzugsweise von einer Art, welche ein im wesentlichen gleichmäßiges elektrisches Feld erzeugt, das den Elektronenstrahl von einem gemeinsamen Zentrum aus gleichzeitig nach zwei Koordinatenrichtungen ablenken kann. Dies kann durch die Verwendung gedruckter Schaltungen erreicht werden, welche paarweise und zwischeneinanderliegend Elektroden bestimmter Form für die horizontale und vertikale Ablenkung enthalten. Das elektrostatische Joch 126, welches innerhalb der inneren Oberfläche des Röhrenkolbens 108 in herkömmlicher Weise montiert sein kann, erstreckt sich über denselben Bereich wie die Magnetspule 124 uno bildet zusammen mit dieser den FPS-Hohlraum 104. In Abhängigkeit von einer geeigneten an die Klemmen 130 und 132 angelegten Erregung erzeugt das elektrostatische Joch 126 ein drehbares, biaxiales elektrisches Feld, das rechtwinklig zu dem magnetischen Feld steht, welches von der Magnetspule 124 erzeugt wird, und welches sich im wesentlichen gleichmäßig über das gesamte Volumen des FPS-Hohlraumes 104 erstreckt. Das elektrische Feld muß im wesentlichen quer verlaufen, d. h. frei von irgendwelchen Komponenten sein, die in der Richtung der Achse 120 wirken, da diese Komponenten Brennpunktsverschiebungen und Dreheffekte erzeugen. Die Magnetspule 124 und das elektrostatische Joch 126 erzeugen somit sich überschneidende elektrische und magnetische Felder, welche sich im wesentlichen über denselben Raum erstrecken und damit den FPS-Hohlraum 104 bilden. Das magnetische Feld ist ein statisches Feld, wogegen das elektrische Feld ein dynamisches Feld ist und sich in Abhängigkeit von an die Klemmen 130 und 132 angelegten Ablenksignalen verändert.
Ein Raster 134 für eine niedere Auflösung ist am Ende des FPS-Hohlraumes 104 neben dem Schirm 106 angebracht und begrenzt die Felder innerhalb des Hohlraumes. Der Schirm 106 und der Raster 134 begrenzen den FPS-Hohlraum 104, so daß sich die Magnetspule 124 über die gesamte Länge des elektronenoptischen Systems erstreckt, und keinen feldfreien Raum an einer der beiden Seiten des Hohlraums freiläßt. Der Schirm 106 liegt in einer Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur Achse 120 verläuft.
Das System zur elektronischen Brennpunktsprojektion und -ablenkung kann, wie bereits beschrieben, in vielen einen Kathodenstrahl aufweisenden Einrichtungen und für vielseitigen Gebrauch verwendet werden. Das FPS-System kann z. B. für Röhren zur Erzeugung eines Mikropunktes mit hoher Strahlintensität, Schwarzweiß- oder Farbfernseh-Projektionssysteme, Vidikon- und Orthikon-Fernsehkameraröhren, Röntgenröhren, und Röhren mit einem hochenergetischen stark gebündelten Elektronenstrahl zum elektronischen Bearbeiten, Schweißen oder Konturenbohren Verwendung finden. Somit kann sich auch die Art des Schirmes 106 verändern. Die in F i g. 8 dargestellte Röhre ist jedoch eine Vidikonröhre, bei der der Schirm 106 in einer Weise aufgebaut ist, daß er beim Auftreffen des Elektronenstrahls ein sichtbares Bild wiedergibt. Obwohl der Schirm 106 unmittelbar neben dem Ende des FPS-Hohlraumes ohne einen dazwischen befindlichen Laufraum angeordnet ist, kann trotzdem bei einigen Anwendungsfällen ein solcher Laufraum vorgesehen sein.
Die Zyklotron-Frequenz Ω der Elektronen innerhalb des FPS-Hohlraumes ist in der Gleichung (1), und die Verweilzeit Tder Elektronen innerhalb des FPS-Hohlraumes in der Gleichung (2) wiedergegeben, während die Zyklotron-Phase Θ durch die Gleichung (3) beschrieben wird. Für einen FPS-Hohlraum von
bo gegebener Länge / in Zentimeter kann die Zyklotron-Phase Θ und der Brennpunkt durch Veränderung entweder des magnetischen Feldes B in Gauß oder durch die Elektronenstrahlspannung V oder durch die Veränderung beider eingestellt werden. Als Alternative hierzu kann der Brennpunkt auch durch die Veränderung der Brechung einer getrennten Linse zur leichten Vorbündelung eingestellt werden, welche vor dem FPS-Hohlraum angeordnet ist.
Unter der Annahme, daß ein elektrisches Feld Ey in y-Richtung vorhanden ist, ergeben sich für die Weggleichungen des Elektronenstrahls innerhalb des FPS-Hohlraumes folgende Gleichungen:
χ = R(G- sin Θ)
y = R(I - cos«)
ζ = I t/T
wobei
Die Vergrößerung M des Systems ergibt sich aus folgender Gleichung:
5 Wenn - M = / 6 gilt 1 + (— θ\2
(H) 10 a = / eins für beliebige V / 1)
M = / 1+(t
(12) / τ)
(13)
Weite von Θ.
(14)
t =
die Flugzeit eines Elektrons innerhalb des FPS-Hohlraumes ist.
(15)
wobei
Wenn der Schirm 106 sehr nahe an dem Ausgang des FPS-Hohlraumes liegt ist b = 0 und die Vergrößerung Mwird:
Die Ablenkung D des Elektronenstrahls am Ausgang des Hohlraums wird durch die Gleichung (6) beschrieben. Die Ablenkungsempfindlichkeit oder das Kompressionsverhältnis für die Abtastung ist K. Das Verhältnis der Ablenkung D, welche man beim Vorhandensein eines magnetischen Feldes erhält, zu der Ablenkung Do, welche der Ablenkung bei dem Fehlen eines magnetisehen Feldes entspricht, wobei für beide Größen dieselbe Ablenkspannung anliegt, ergibt sich aus der Gleichung (7). Die Bild-Rotation ρ des elektronischen Bildes innerhalb des FPS-Hohlraumes wird durch die Gleichung (8) beschrieben.
Diese charakteristischen Größen des FPS-Systems sind in Fig. 10 dargestellt, in welcher die Funktionen von K und ρ, in Polarkoordinaten aufgezeichnet sind. Während der ersten drei Quadranten der Zyklotronphase β stellt die Abtastrotation den beherrschenden Einfluß in der Änderung der Abtastphase dar, wobei die Kompression der Abtastung auf nicht mehr als 40% der ersten drei Quadranten ansteigt. Im vierten Quadranten nimmt jedoch die Abtastrotation langsam ab, und die Abtastauslenkung beginnt abzufallen. Aus der Gleichung (7) kann man entnehmen, daß bei Θ = 360° die Kompression der Abtastung auf Mn oder 32% des elektrostatischen Wertes abgefallen ist. Der FPS-Hohlraum wirkt stark bündelnd. Bei Θ = 360°, d. h. wenn der FPS-Hohlraum anfängt stark zu fokussieren, ist die Abtastrotation 90° und ändert sich nicht mehr mit den geringen Änderungen des Brennpunktstromes, welcher geringe Änderungen in der Zyklotronphase Θ hervorruft. Dies ist ein wichtiges Merkmal, da es eine Veränderung des Brennpunktstromes ohne die unerwünschte Bildrotation zuläßt.
Unter der Annahme, daß die FPS-Magnetspule die einzige elektronische Linse in dem FPS-elektronenoptischen System ist, bestimmen die Fokussierbedingungen einheitlich die in dem FPS-Hohlraum auftretenden Zyklotronphasen β. Aus der elektronenoptischen Trigonometrie ergibt sich die Gleichung für die Fokussierung wie folgt:
a = die Länge irgendeines Laufraumes stromaufwärts vor dem FPS- Hohlraum
b = die Länge irgendeines Laufraumes stromabwärts nach dem FPS-Hohlraum
/ = die Länge des FPS-Hohlraumes ist.
M = cos —- .
Da das System verkleinert, insbesondere wenn das FPS-System mit einem Wert© im dritten Quadranten arbeitet, treten besonders erwünschte Merkmale auf, wenn das elektronenoptische System eine sehr feine Auflösung haben soll.
Der Auftreffehler ß, der als Winkel zwischen dem auftreffenden Elektronenstrahl und der Normalrichtung auf den Schirm definiert ist, hat für t = T folgende Größe:
tan β =
Dieser Wert kann durch die Verwendung der Gleichungen (11), (12) und (13) abgeschätzt werden. Dieser Auftreffehler β ist bei Kameraröhren unerwünscht, da er Schattenwirkungen hervorruft.
Bei der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die charakteristische Öffnung 118 unmittelbar neben dem Eingang zum FPS-Hohlraum. Deshalb sind die Größe a und b der Gleichung (15) Null, wogegen Θ = 2 η oder 360° ist. Aus der Gleichung (18) kann man entnehmen, daß der Auftreffehler β theoretisch Null ist. Außerdem ergibt sich aus der Gleichung (17), daß die Vergrößerung unter diesen Bedingungen eins ist, sobald das FPS-System auf die richtige Brennweite eingestellt ist. Die Auflösung ist vergleichbar mit der eines üblichen magnetischen Vidikons mit derselben Schirmgröße und derselben Spannung, zwischen Elektronenquelle und Schirm.
In Fig. Π sind die Ergebnisse einiger Untersuchungen an einem FPS-Vidikon dargestellt. Dabei zeigt Reihe 1 die Abtastrotation, Reihe 2 die Abtastkompression und Reihe 3 die Auflösung eines FPS-Vidikons bei verschiedenen Betriebsarten. Diese Untersuchungen wurden an einem Vidikon ausgeführt, bei dem die Zyklotronphase Θ von Null bis 360° verändert werden kann. In der Spalte A ist der Betrieb des Vidikons mit dem Strom Null in der Magnetspule und damit bei einer Zyklotronphase 0 = 0° dargestellt. Außerdem wurde eine elektrostatische Fokussierung durch eine Einzel-Linse vor dem FPS-Hohlraum vorgenommen. In der Spalte B sind die Versuchsergebnisse an einem Vidikon mit gemischter Fokussierung durch die Einzel-Linse und die Magnetspule entsprechend der oben genannten Anwendung dargestellt. Die Zyklotronphase Θ trägt ungefähr 135°. In der Spalte C ist eine vollmagnetische Fokussierung dargestellt, wobei die Einzel-Linse kurzgeschlossen ist, so daß die Zyklotronphase Θ = 360° ist. Während all dieser Versuche wurde der Ausgangsstrom konstant gehalten.
Für einige Anwendungsfälle des FPS-Systems kann eine starke magnetische Fokussierung mit einer Zyklotronphase 61 von weniger als 360° vorteilhafter sein. Aus Fig. 10 und der Gleichung (7) ergibt sich, daß die Ablenkungsempfindlichkeit K bzw. das Verhältnis der Ablenkung D beim anliegenden magnetischen Feld B zu der Ablenkung pb beim fehlenden Magnetfeld B mit dem Abfüllen der Zyklotronphase von 360° aus ansteigt Außerdem ergibt sich die Ablenkspannurig gh, welche für ein Vidikon mit einer Anodenspannung Va benötigt wird, aus der Gleichung : i
2,4: \:d
κ θ.
(19)
wobei- : ' '■-'■ - ■"' ■'■■■ ;· ■■·■' '· ' <'·· ;"::- : '
Δ == die Ablenkdiagpnale des Vidikonrasters
d = der Purehrnesser des elektrostatischen Joches ;
ΚΘ = die Abtastkompression durch das Magnetfeld.bei
irgendeiner Zyklotronphase / = die Länge der Ablenkung ist. ,
Diese Gleichung ist in Fig.9 für verschiedene Längen des FPS-Hohlraumes dargestellt. Die Tabelle in Fig.9 gibt den Durchmesser dund die Jochgröße an, von welcher die graphische Darstellung ausgeht. Die Kurve c zeigt, daß die Verwendung eines konischen Jochaufbaus anstelle eines zylindrischen einige Erleichterungen hinsichtlich der Anforderungen für die Ablenk-Hochspannung bei einem Raster mit größerer Diagonale gibt. Die Ergebnisse zeigen, daß bei der Verwendung dieser starken magnetischen Fokussierung eine Mindestlänge des FPS-Hohlraumes von etwa 7,5 cm erforderlich ist, um die Ablenkspannung auf einem geeigneten niedrigen Niveau zu halten. Das in Fig. 12 dargestellte elektronenoptische System kann dazu verwendet werden, um das Gesamtverhalten des FPS-Systems zu verbessern. Dieses System umfaßt eine konische Elektrode 136 zur elektrostatischen Ablenkung, welche innerhalb der Magnetspule 124 angeordnet ist und dieselbe Länge/ wie diese Hat. Die elektrostatische Ablenkung hat den Vorteil, daß sie mit einem geringen Energiebedarf arbeitet.
Die Anschlußklemmen 128 der Magnetspule 124 sind über einen Zweifachumschalter 127 mit einer Batterie 129 zur Erregung der Magnetspule verbunden. Der Schalter 127 kann dazu benutzt werden, um die Polarität des von "der-Magnetspule ■ erzeugten Magnetfeldes umzukehren. Dies ist sehr vorteilhaft und wird später in Verbindung mit F i g. 8 näher erläuterte Anstelle der Magnetspule kann auch ein Permanentmagnet verwendet Werden, der umgedreht werden' kann und damit die bevorzugte Polarität liefert. : :; ;
Dieses System umfaßt; einen auf der Objektseite liegenden Lauf raum 131, der eine Länge von a aufweist. Eine Einzel-Linse 133 dient der Feineinstellung der Brennweite des Elektronenstrahls 122. Eine Elektrode 135 ist mit einer charakteristischen punktförmigen Öffnung 137 versehen und an dem einen Ende des Laufraumes 131 in der Nähe der . Elektrode 112 angebracht Eine Elektrode 139 mit einer den Elektronenstrahl bestimmenden öffnung 141 ist an der anderen Seite des Laufraumes 131 vorgesehen. Das Vorhandensein des nicht in den FPS-Hohlraum eindringenden Laufraumes 131 hilft bei der Reduzierung der Zyklotronphase θ des Elektronenstrahls innerhalb des FPS-Hohlraumes 104. Die punktförmige öffnung 137 kann einen Durchmesser von 1,5 mm betragen. Außerdem können die Elektroden 135 und 139 von der Einzel-Linse 133 und der konischen Äblenkelektrode 136 durch Isolierstücke 143 getrennt sein.'
Die Linse oder der Zylinder 133 kann über einen Anschluß 133' zur Feinfokussierurig mit einer nicht dargestellten Spannühgsqtfelle verbunden sein.' Für den vorliegenden Verwendungszweck ist die Spannung zur Feinfokussierurig die gleiche^ wie die ;ari! den Anodenelektroden 135 und 139,· welche' miteinander Verbunden
ίο sein können: Die * elbktrpst^tische /Feihfokussieriing
verursacht keine: ürierwürischte Bnddrehüng,:.welch'e; bei
einer magnetischen Feirifpkus'sierung' auftritt ' '':'
ZurBescHreibungder Funktion der FPS;Vidikonröh;
re ■ gemäß* Figi 1^;'wirtf' auf die;: Fig.l3 Bezug
is genommen. Die irr diesen {/Figure^1 dargestellten· · Werte sind als ; Funktion' des Verhältnisses der'' Länge : des Laufraurrtes^a' zu der Länge.' des ' FPSiHohjraürrjeiiΊ aufgezeichnet. Bei;deiir; Abszisseriwert;; all■=*; 0, \yas einer Zyklotrönphase Ö'i Ö'; eritspricht, ' geben die
Daten das Verhalten des' FPS-Vidikoii wieder, wenn dieses als Orthikon arbeitet. In Fig. 13Ä ist die Auflösung des Vidikon dargestellC wobei hierfür die Anzahl der Ferhsehzeilen als Maß dient Fi g. J3 B zeigt die in Volt pro Elektrode gemessene Strahlablenkung.' In F i g. 13 C ist die Stärke des Magnetfeldes dargestellt, welches zur Bündelung des Elektronenstrahls benötigt wird, und in F i g: 13 D wird die1 kreisförmige Schatteriwirkung oder der sogenannte »Büllaugeneffekt« gezeigt, welcher als Größe, des Quotienten der' Räuschspannung VV zur Anodenspäririunjg' V3 gemessen Wird: Die auffälligsten aüs'deni Hinzufügen des Laufräürries 131 sich ergebenden Wirkungen sind der in Fig: 13"A' dargestellte beträchtliche Gewinn an Auflösungsvermögen und die in Fi g. 13 B dargestellte Wirtschaftlichkeit der Ablenkung des Elektroneristrahis'. Das Auflösungsvermögen steigt deriinach von 620 auf 800 Fernsehze^ len an bei : einer gleichzeitigen Reduzierung '' der erforderlichen Ablenkung auf die Hälfte.'Ferner ergibt sich daraus ' eine: Einspärurig aVi zur Fokussierurig'
benötigter Energie: infölge^der 'auffälligen Verrriinde1
rung des für die'' Fokussierung des' Elektronenstrahls
benötigten in Fig. 13;G 'dargestellten1 elektrischen
Feldes- ; : r-■■[■ ■■■■'■· '-iß'-'1 "i:t: :! '■>'''' ■■'■■■'■■'■'■*-': -·'[ '··-'
• In einigen Fällen* siridcliezüvör genannten Vorteile' mit einem Aristieg'des die Schattenwirkung bezeichnen-· den Signals: Vi verbüridehi'Dieses Schätterisignal steigt in einer größeren als linearen Abhängigkeit an; weriri die! Länge a des Laufräürries 131 größer wird: Die Erfahrung hat jedoch' gezeigt, daß -die daraus ■ resultiereride
so ringförmige Schättehwirküng; in· der- Praxis1 über; den gesamten Bereich vona//gemäß Fi g: 13 nicht mit dern-Auge wahrnehmbar ist · :^ ;i ·-' .'. ;v .λ ;;v., .-,.-i ,'·.-; ; Die Vorstehende Beschreibung', irisbesondere irn"
Zusammenhang mit der Auflösung, zeigt die größeren' Vorteile, die sich aus der Verwendung eines OrWertes vom dritten Quadranten des benutzten FPS-Systems ergeben. Ein solcher Wert ist z.B. die Zyklotrönphase' θ = 270°... -:- _.:.:- ·-■-■.■..·■ ■■■:- ■::■■■■■': : - '■■■ .'-..----^i'
Für Anwendungsfälie der Erfindung, bei denen die· Auftreffbedingungen nicht von hauptsächlicher Bedeutung sind, kann ein System von Interesse sein, bei welchem das Verhältnis all nicht mit dem der Fig. 13 übereinstimmt. Ein solches System ist in Fig. 14A dargestellt bei welchem das Verhältnis all — 2 ist Dieses System wurde verwendet für elektronische Schweißgeräte. Ein entsprechendes System ist in Fig. 14 B dargestellt bei dem die effektive Länge a durch eine Schraubenwicklung 145 vergrößert wurde.
909 530/12
Dieses Beispiel ist in den »Transactions of the I. R. Ε.«, Band E, D; 9, Nr. 3, Mai 1962 beschrieben.
In F i g. 15 ist ein Elektronenablenksystem dargestellt, welches für die Verwendung in einem FPS-System geeignet ist. Auf der Innenseite des Glasrohlings 138 der Röhre sind, in konischer Anordnung elektrostatische Ablenkelektroden, angebracht, deren Achse mit dem Bezugszeichen 140 bezeichnet ist; außerdem sind die Wegkurven 142 und 144 von zwei Elektronenstrahlen eingezeichnet. Die Elektronen fliegen vom öffnungsseitigen .Ende r 146 ;,des, .Röhrenabschnittes 138 zum schirmseitigen Ende. 1,48. In Fig. 16 ist:das elektrostatische Ablenksystem .in. eine Ebene projiziert, um das Muster ,der gedruckten; Schaltung: darzustellen^ Die Elektroden 150 können sinusförmig oder in irgendeiner anderen bekannten Weise, aufgedrückt sein. Aus F i g. 16 kann man entnehmen, daß die Wellenlänge in axialer Richtung nicht konstant ist; sondern derart abgestuft ist, daß sie dem Abstand des Elektronenstrahls vom Joch proportional ist. Diese Art des Musters wird auch als Geometrie mit gestaffeltem Anstieg bezeichnet Der Anstieg ist gestaffelt, um einen Streifeneffekt zu vermeiden, welcher auftritt, wenn, wie in Fig. 15 dargestellt, der Elektronenstrahl sich der Wand nähert, an der die elektrostatischen Ablenkelektroden angebracht sind. In Fi g. 16 ist die Projektion dreier Flugkurven 152, 154 und 140 des Elektronenstrahls in die Ebene der elektrostatischen Ablenkelektroden dargestellt. Bei der Abwesenheit des magnetischen Feldes folgt der Elektronenstrahl der Kurve 140. Wenn jedoch ein magnetisches Feld vorhanden ist, wird der Elektronenstrahl beim Ablenken gedreht und folgt entweder der -Wegkurve 152 oder 154, je nach der Polarität des angelegten Feldes. Innerhalb des elektrostatischen Ablenkfeldes wird der Elektronenstrahl von einer Kraft beeinflußt, die dem Zeitintegral des Bereichs des sich ändernden Potentials proportional ist, welches auf den Elektronenstrahl einwirkt, wenn dieser die gedruckten Elektroden passiert. Aus F i g. 16 ist zu entnehmen, daß dieses Ladungsintegral entlang jeder der Flugkurven 152 und 154 verschieden ist, da jede dieser Kurven verschiedene Teile der Elektrodenstreifen 150 passiert. Wenn die Flugkurve des Elektronenstrahls weit genug von der Wand entfernt ist, ist die durch die Ablenkung hervorgerufene Kraft gleichbleibend, und der Einfluß der verschiedenen Wegkurven des Elektronenstrahls kann vernachlässigt werden. Diese Bedingungen treten jedoch nur dann auf, wenn genügend Raum für die Aufnahme des elektrostatischen Ablenksystems vorhanden ist, so daß die Wände zumindest in einem vorgeschriebenen Abstand von dem Elektronenstrahl verlaufen. In vielen praktischen Anwendungsfällen ist der nötige Raum nur durch teueres Geld zu erkaufen, und das elektrostatische Ablenksystem muß daher so klein wie möglich sein.
Mit Bezugnahme auf F i g. 15 wird der Grund für die Staffelung des Musters der elektrostatischen Ablenkelektroden in der Nähe des ausgangsseitigen Endes beschrieben. Studien der Felder innerhalb der beschriebenen und dargestellten elektrostatischen Ablenksysteme haben gezeigt, daß diese von den Achsen des Systems ausgehend innerhalb großer Abschnitte gleichmäßig sind. Es gibt jedoch in der Nähe der Wände einen Streifen, in welchem das Feld nicht gleichförmig ist Die Tiefe des Streifenfeldes verändert sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge des auf die Röhrenwände gedruckten Elektrodehmusters. Wenn λ* die Tiefe des Streifenfeldes ist dann besteht zwischen diesem und der Wellenlänge λ des auf die Wand gedruckten periodischen Elektrodenmusters folgende Beziehung:
(20)
Da sich die Elektronen in einem FPS-System, das für einen minimalen Raumbedarf gebaut ist, der Wand des elektrostatischen Ablenksystems in Richtung auf den
ίο Ausgang oder das schirmseitige Ende 148 hin nähern, verläuft der Elektronenstrahl in den Streifenbereich des elektrostatischen Feldes. Wenn die Wellenlänge des auf die Wand gedruckten periodischen Elektrodenmusters verändert wird, verschiebt sich das Streifenfeld näher an die Röhrenwand des elektrostatischen Ablenksystems, und dadurch können die Einflüsse des Streifenfeldes verringert werden.
Selbst wenn genügend Raum zur Anbringung eines elektrostatischen Ablenksystems von solcher Größe vorhanden ist, daß die Polarität des Magnetfeldes keinen nennenswerten Einfluß auf die auf den Elektronenstrahl ausgeübten Kräfte hat, so hat sich gezeigt, daß die eine Polarität des magnetischen Feldes hinsichtlich der Verzerrung einen günstigeren Einfluß als die andere hat. Aus diesem Grund ist in Fig. 12 ein Zweifachumschalter 127 dargestellt mit dem die Polarität des Feldes der Magnetspule 120 umgeschaltet werden kann. Die bevorzugte Polarität hängt von der Richtung ab, in welcher das Elektrodenmuster am Anfang verläuft. So ist ein im Uhrzeigersinn verlaufendes Muster besonders günstig für die eine Polarität z. B. für den Nordpol des Magnetfeldes, während ein im Gegenuhrzeigersinn verlaufendes Muster besonders günstig mit der anderen Polarität des Magnetfeldes zusammenwirkt.
Die Abhängigkeit von der Polarität des Magnetfeldes wird verringert, wenn der in das elektrostatische Ablenksystem eintretende Elektronenstrahl auf einer Wegkurve verläuft, die rechtwinklig zu den gedruckten Streifen der Elektroden der ersten Periode verläuft, oder sich diesen Bedingungen zumindest so nahe wie möglich nähert. Daher ist es manchmal vorteilhafter die Eingangswellenlänge des elektrostatischen Ablenkfeldes kleiner als die Wellenlänge des elektrostatischen Ablenkfeldes kleiner als die Wellenlänge der gedruckten Elektroden im Mittelteil des elektrostatischen Ablenksystems zu machen, insbesondere wenn dieses System innerhalb eines engen Röhrenkolbens angebracht werden muß. In Fig. 16 A ist ein Muster dieser
so Art dargestellt. Die gedruckten Elektroden dieses Systems können ein Muster aufweisen mit gestaffelter Steigung, wobei die Wellenlänge der gedruckten Elektrodenstreifen an beiden Enden kleiner als in dem Mittelteil ist. Dies ist in Fig. 16 B dargestellt, weiche eine Ausführungsform zeigt bei der optimale Ergebnisse mit einem extrem kleinen Elektronenablenksystem erzielt werden sollen. Die Wellenlänge der gedruckten Elektrodenstreifen änderte sich von 1,25 cm in der Nähe des Eingangs des Ablenksystems auf 1,56 cm in der Nähe des Zentralbereiches des Ablenksystems und ging auf 0,94 cm an dem schirmseitigen Ende des Ablenksystems zurück.
In Fig. 17 und 18 ist eine Ausführungsform dargestellt bei welcher das elektronenoptische FPS-Systern ohne Rotation arbeitet (NR-Typ). Der Aufbau der Elektronenstrahlquelle 102 des Röhrenkolbens 108 und des Schirmes 106 kann dem der bisher beschriebenen Systeme entsprechen. JeJoch umfaßt der NR-Typ des
FPS-Systems auch eine nicht drehende Magnetlinse 156, welche zur Illustration in der vorliegenden Ausführungsform als drei gleichartig gewickelte gleichlange Abschnitte 158,160 und 162 der Magnetspule dargestellt ist. Jeder der Abschnitte der Magnetspule der nicht drehenden Linse 156 hat die gleiche Anzahl von Windungen. Diese nicht drehende Linse 156 wird von einer einzigen Stromquelle aus erregt, welche aus einer Batterie 164 und einem Einstellwiderstand 166 besteht und derart mit den Spulenabschnitten verbunden ist, daß die Abschnitte 158 und 160 bezüglich des Abschnittes 162 in einem entgegengesetzten Sinne erregt werden. Da derselbe Strom durch jeden Abschnitt fließt, hat jeder auch dieselbe Amperewindungszahl. Unter der Annahme, daß die Polarität der durch die Abschnitte 158 und 160 erzeugten Felder positiv ist bzw. sich auf einen Nordpol ausrichtet, ist das von dem Abschnitt 162 erzeugte magnetische Feld negativ, d. h. auf einen Südpol ausgerichtet.
In Fig. 18 ist eine graphische Erklärung der Wirkungsweise des FPS-Systems der nicht drehenden Art gegeben. Diese Darstellung zeigt die Wegkurve des Elektronenstrahls in einer x-y-Ebene, und zwar in einer entlang der x-Achse gerichteten Ansicht vom schirmseitigen Ende aus. Der Punkt A im Nullpunkt des ^-/-Koordinatensystems stellt die als Gegenstand wirkende öffnung des FPS-Systems dar, von welcher der Elektronenstrahl ausgeht. Das vom System erzeugte elektrostatische Feld E verläuft in Richtung der positiven y-Achse. Wenn kein magnetisches Feld vorhanden wäre, würde der Elektronenstrahl entlang der positiven y-Achse abgelenkt werden. Bei den gemischten Feldbedingungen des FPS-Systems, welches eine Drehwirkung erzeugt, folgt der Elektronenstrahl einer zykloidischen Kurve ABD. Wenn das FPS-System jedoch keine Drehwirkung ausübt, folgt der Elektronenstrahl der zykloidischen Kurve AB, während er durch den Abschnitt 158 und 160 verläuft. Vom Punkt B aus ist der Elektronenstrahl dem entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feld ausgesetzt, welches durch den Abschnitt 162 erzeugt wird, und wird in seinem Rotationssinn umgekehrt. Vom Punkt B bis zum Punkt Cfolgt der Elektronenstrahl einer Trochoide. Die Trochoide dreht sich im Gegenuhrzeigersinn, so daß der Elektronenstrahl zur y-Achse zurückkehrt und dadurch den Eindruck erweckt, als ob er nur entlang der y-Achse ohne Rotation abgelenkt würde.
Die Länge der Ablenkung AC des nicht drehenden FPS-Systems ist ungefähr 27% größer als die Länge der Ablenkung AD des drehenden FPS-Systems. Dies zeigt an, daß die nicht drehende Betriebsweise eine größere Ablenkungsempfindlichkeit als die drehende Betriebsweise hat. Die nicht drehende Betriebsweise liefert von einer als Gegenstand wirkenden öffnung gegebener Größe einen größeren Abtastpunkt, als dies bei der drehenden Betriebsweise der Fall ist, wobei die Auflösung mindestens so gut wie bei der drehenden Betriebsweise ist.
Die Umkehr der Polarität des Feldes zwischen dem Abschnitt 160 und 162 verursacht eine Störstelle in dem dazwischenliegenden Feldbereich. Wenn bei einem FPS-System gegebener Länge ein richtiger Brennpunkt erhalten werden soll, dann ist bei der nicht drehenden Betriebsart ein stärkeres Magnetfeld erforderlich als bei der drehenden Betriebsart.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

O Δ. Ο Patentansprüche:
1. Elektronenoptisches System zum Fokussieren und Ablenken eines Elektronenstrahls, welches in ■-, einem Röhrenkolben angeordnet ist und eine Elektronenstrahlquelle sowie Einrichtungen zur Ablenkung des Elektronenstrahls und Einrichtungen zur Erzeugung des System-Eingangssignals aufweist, mit einem im Röhrenkolben gegenüber der Elektronenstrahlquelle angeordneten Schirm, mit Einrichtungen zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichförmigen magnetischen Feldes innerhalb des Röhrenkolberis und entlang dessen Achse, mit Einrichtungen zur Erzeugung eines elektrischen, im allgemeinen zeitabhängigen und im wesentlichen gleichförmigen Feldes innerhalb des Röhrenkolbens, die eine Ablenkung des Elektronenstrahls in zwei Koordinatenrichtungen des Systems ermöglichen, wobei das elektrische Feld senkrecht zum magnetisehen Feld verläuft und das magnetische Feld derart überlagert, daß ein der Brennpunktprojektion und -ablenkung dienender Hohlraum entsteht, welcher eine fokussierte Abbildung des Systemeingangssignals auf dem Schirm und eine Zeilenraster-Darstellung der Abbildung auf der Schirmoberfläche bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen in dem Hohlraum (2; 104) eine Zyklotronphase für den Elektronenstrahl verursacht, die gleich oder größer als 180° ist.
2. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen in dem Hohlraum (2, 104) eine Zyklotronphase für den Elektronenstrahl verursacht, die ungefähr 360° beträgt.
3. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit der Elektronen in dem Hohlraum (2, 104) eine Zyklotronphase für den Elektronenstrahl verursacht, die im Bereich von 270° liegt
4. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laufraum (4) zwischen der Elektronenstrahlquelle (1) und dem Hohlraum (2) vorgesehen ist.
5. Elektronenoptisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Laufraums (4) ungefähr das 0,1- bis 0,5fache der Länge des Hohlraums (2) beträgt.
6. Elektronenoptisch System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorfokussierlinse (6, 16) zwischen der Elektronenstrahlquelle (1) und dem Hohlraum (2) angeordnet ist, und daß diese Linse derart erregt wird, daß sie den Konvergenzbzw. Divergenzwinkel des in den Hohlraum eintretenden Elektronenstrahls steuert.
7. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung des im wesentlichen gleichförmigen magnetischen Feldes eine den Hohlraum umgebende Magnetspule (25,124) umfassen.
8. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung des elektrischen Feldes ein den Hohlraum (2,104) umgebendes elektrostatisches Joch (26, 136) umfassen. es
9. Elektronenoptisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch (136) eine kegelstumpfförmige Form besitzt.
10. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kollimator vorgesehen ist, um die Wegkurve des Elektronenstrahls zwischen dem Hohlraum (2) und dem Schirm (3) zu beeinflussen.
11. Elektronenoptisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator eine Magnetlinse (50) ist.
12. Elektronenoptisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator eine elektrostatische Linse (51) ist.
13. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verzögerungseinrichtungen (32) für den Elektronenstrahl vorgesehen sind, die im Grenzbereich zwischen dem Hohlraum (2) und dem Schirm (3) wirksam sind.
14. Elektronenoptisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlquelle (1) eine charakteristische Öffnung (12) enthält, welche den optischen Gegenstand des Systems bildet.
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