DE1639034B1

DE1639034B1 - Elektronische Speicherr¦hre

Info

Publication number: DE1639034B1
Application number: DE19671639034
Authority: DE
Inventors: Arthur E Anderson; Gerhard W Goetze
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1966-06-10
Filing date: 1967-06-09
Publication date: 1970-07-09
Also published as: NL6707978A; GB1171828A; US3408531A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Speicherröhre, in wel- und der Lesestrahl den Speicherschirm gleichförmig

eher eine Information auf einem Speicherschirm ge- abtastet. Die Ausgangssignale werden an einer beson-

speichert und mittels eines Elektronenstrahls abgele- deren Ausgangselektrode mit vorgeschalteten Dyno-

sen werden kann. den abgenommen. Der Speicherschirm liegt während

Speicherröhren haben im Gegensatz zu anderen 5 des Schreib- und Lesevorgangs auf Erdpotential, Speichervorrichtungen, wie Verzögerungsleitungen, während zum einleitenden gleichmäßigen Aufladen Magnettrommeln oder Magnetbänder, den Vorteil, der Isolierschicht mittels eines Schalters auf ein posidaß ihre Speicherzeit in einem sehr großen Bereich tives Potential umgeschaltet werden muß. Beim Umzwischen wenigen Nanosekunden und vielen Sekun- schalten vom Schreiben zum Lesen muß jeweils das den oder gar Stunden eingestellt werden kann. Ins- io Kathodenpotential von 0 auf -22OVoIt geändert besondere steht für das Zeitintervall zwischen etwa werden. Hierbei ist es auch erforderlich, die Ablenk-10 Mikrosekunden und einer Sekunde, das für das vorrichtung des Elektronenstrahls umzuschalten. InFernsehen besonders wichtig ist, keine gleich gute folgedessen wird es schwierig, wenn nicht unmöglich, andere Speichermöglichkeit zur Verfügung. den Lesestrahl und den Schreibstrahl genau zur Dek-

Eine typische elektronische Speicherröhre enthält 15 kung zu bringen. Da die Kathodenspannung jeweils einen Speicherschirm, auf dem die Information mit- umgeschaltet werden muß, ändert sich der Einfallstels eines Elektronenstrahlerzeugungssystems oder winkel der Elektronen auf den Speicherschirm demeiner Photokathode aufgeschrieben werden kann, und entsprechend, und diese Änderungen müssen ausgeeine Lesevorrichtung, ζ. B. ein Elektronenstrahlerzeu- glichen werden, indem der Elektronenstrahl erneut gungssystem, dessen Elektronenstrahl die Oberfläche 20 fokussiert wird, oder die an der Ablenkvorrichtung des Speicherschirms abtasten kann. Ferner sind Mit- liegende Spannung nachgestellt wird,
tel vorgesehen, um die Oberfläche des Speicherschirms Aufgabe der Erfindung ist es, eine Speicherröhre für die Aufnahme der Information vorzubereiten. Die dieser Art so zu verbessern, daß eine mit einer Pobekannten Speicherröhren haben aber einen oder tentialänderung verbundene Umschaltung zur Vorbemehrere der folgenden Nachteile: 25 reitung des Schreibvorgangs und eine Potentialände-

1. ungenügender dynamischer Bereich bzw. Halb- ^rung beim Umschalten auf Lesen nicht mehr erfortondarstellung, d. h. schlechten Störabstand; derlich ist.

2. ungenügende Auflösung, d.h. geringen Fre- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geauenzumfana· σο j_og^ ^_ag _die i_soi_ierschicht des Speicherschirms eine

„ „ .. ,. -r.. , , _TT , . 30 poröse Schicht ist, deren Dichte weniger als 10%

3. unvollständige Loschung als Vorbereitung zur S_{erjenigen des} kompakten Isoliermaterials beträgt, Aufnahme einer neuen Information. _{daß eine} Elektronenquelle die leitende Schicht des

Ferner existiert das Problem der genauen Wieder- Speicherschirms gleichmäßig mit Elektronen überflugabe der im Speicherschirm stehenden Information. tet, die durch die leitende Schicht in die poröse Bei vielen elektronischen Speicherröhren wird die In- 35 Schicht eindringen und deren dem Schreib- und Lesefomation mittels eines Elektronenstrahlerzeugungs- system zugewandte freie Oberfläche gleichmäßig aufsystems oder einer Photokathode in den Speicher- laden, daß an den Elektroden des Schreib- und Leseschirm eingeschrieben und wird mittels eines geson- systems sowohl beim Schreibvorgang als auch beim derten Elektronenstrahlerzeugungssystems abgelesen. Lesevorgang im wesentlichen unveränderliche Poten-Wenn das zweite Elektronenstrahlerzeugungssystem 40 tiale, bezogen auf das Potential der leitenden Schicht auf der gleichen Seite des Speicherschirms wie das des Speicherschirms, liegen und daß die Ausgangserste Elektronenstrahlerzeugungssystem angeordnet signale am Speicherschirm abgenommen werden,
ist, muß oft eines der beiden Elektronenstrahlerzeu- Es wird also einerseits zusätzlich ein Flutstrahlgungssysteme aus der Symmetrieachse herausgerückt system angewandt und andererseits durch einen bewerden, wodurch sich elektronenoptische Probleme 45 sonders empfindlichen, an sich bekannten Speicherder Verzerrung der von den Elektronenstrahlen abge- schirm erreicht, daß auf die Sekundärelektronenvertasteten Linien auf dem Speicherschirm ergeben. vielfachung innerhalb der Röhre verzichtet werden Wenn andererseits die beiden Elektronenstrahlerzeu- kann, so daß man die Ausgangssignale unmittelbar gungssysteme auf verschiedenen Seiten des Speicher- am Speicherschirm abnehmen kann. Dadurch kann die schirms angeordnet sind, so ist es schwierig, jeweils 50 Dynodenanordnung in der Röhre wegfallen, und die genau die gleichen Stellen abzulesen, an denen eine Strahlgeometrie bleibt beim Übergang vom Schreiben Information eingeschrieben wurde. Außerdem benö- zum Lesen erhalten, weil die Potentiale an den Elektigen solche Systeme einen kompliziert aufgebauten troden des Schreib- und Lesesystems ungeändert blei- und empfindlichen Speicherschirm, um ausreichende ben. So lassen sich Schreibstrahl und Lesestrahl stets Empfindlichkeit und Auflösung zu gewährleisten. 55 genau zur Deckung bringen.

Das Problem der genauen Informationswiedergabe Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachkann teilweise durch Verwendung eines einzigen Elek- stehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin tronenstrahls gelöst werden, der sowohl zum Schrei- ist

ben als auch zum Lesen dient. Eine bekannte elektro- F i g. 1 eine schematische Darstellung der Speichernische Speicherröhre dieser Art besitzt einen Spei- 60 röhre und

cherschirm, der aus einer Isolierschicht mit äußerer F i g. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des ver-

Sekundäremission bei Elektronenbeschuß und einer wendeten Speicherschirms.

die Oberfläche der Isolierschicht bedeckenden leiten- Die in F i g. 1 dargestellte Speicherröhre 10 besitzt

den Schicht besteht, und ein die freie Oberfläche der einen evakuierten Kolben 12, beispielsweise aus Glas.

Isolierschicht derart abtastendes Schreib- und Lese- 65 An einem Ende des Kolbens 12 ist axial ein Elektro-

system mit abwechselnd als Schreib- und Lesestrahl nenstrahlerzeugungssystem 14 angeordnet, das eine

dienendem Elektronenstrahl, daß der Schreibstrahl Kathode 16, einen Glühfaden 18 und ein Steuergitter

mit der zu speichernden Information moduliert ist 20 umfaßt. Eine Spannungsquelle 26 zwischen Ka-

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thode 16 und Steuergitter 20 spannt das letztere ne- Zur Herstellung des Speicherschirms kann beigativ gegen die Kathode 16 vor. Beschleunigungs- spielsweise so vorgegangen werden, daß Kaliumchloanoden 22 und 24 sind axial angeordnet, um den von rid in einem inerten Gas wie Argon bei einem Druck der Kathode 16 ausgehenden Elektronenstrahl zu be- von einigen Millimeter Hg verdampft wird. Eine vorschleunigen. Mit den Elektroden 22 und 24 sind 5 bestimmte Menge des Kaliumchlorids, z. B. 16 TVTiIIt-Gleichspannungsquellen 61 und 63 verbunden. Der gramm, wird z. B. in ein heizbares Schiffchen aus Elektronenstrahl wird auf einen Speicherschirm 30 Tantal gegeben. Das Schiffchen wird etwa 7,5 cm gerichtet, der senkrecht zur Achse des Kolbens 12 an- unterhalb der leitenden Schicht 34 im Vakuum angegeordnet ist. Ein Drahtgitter 40 ist kurz vor dem Spei- ordnet. Daraufhin wird der Heizstrom eingeschaltet, cherschirm 30 senkrecht zur Achse des Kolbens 12 io Das Schiffchen wird nur so weit erwärmt, bis das vorgesehen. Ein zweites Drahtgitter 42 ist parallel Kaliumchlorid gerade geschmolzen ist. Bei dieser zum Drahtgitter 40 angeordnet und elektrisch mit der Temperatur wird das Material dann so lange gehalten, Beschleunigungsanode 24 verbunden. Der Kolben 12 bis das Kaliumchlorid vollständig verdampft ist. Der wird von Ablenkspulen 44 umgeben, welche den von Schmelzpunkt unter vermindertem Druck ist erhebder Kathode 16 ausgehenden Elektronenstrahl über 15 lieh geringer als derjenige bei Atmosphärendruck, die Oberfläche des Speicherschirms 30 führen. Eine Der Dampfdruck des Kaliumchlorids bei diesem Spannungsquelle 45 dient zur Speisung der Ablenk- Schmelzpunkt reicht aus, um eine verhältnismäßig spulen 44 mit einer passenden Sägezahnspannung. rasche Verdampfung zu erzielen. Das verdampfte Ferner ist eine Konzentrationsspule 46 vorgesehen, Kaliumchlorid schlägt sich auf der leitenden Schicht um den Elektronenstrahl genau auf den Speicher- 20 34 nieder, und man findet, daß die Dichte der gebilschirm 30 zu fokussieren. deten schwammigen Schicht etwa 1 bis 10% der nor-

»Am anderen Ende des Kolbens 12 befindet sich malen kompakten Dichte beträgt. Die erreichte

eine axial angeordnete Elektronenquelle 50, die einen Schichtdicke beträgt z. B. etwa 25 Mikron, was einer

gleichmäßigen Elektronenstrom auf die Rückseite des Flächendichte von 100 Mikrogramm je Quadratzenti-

Speicherschirms 30 richten kann. Die Elektronen- 25 meter entspricht. Dank dem hohen spezifischen Wi-

quelle 50 enthält eine Kathode 52, einen Heizfaden derstand und der gleichmäßig porösen Beschaffenheit

54 und ein Steuergitter 56. Ferner sind zylindrische dieser Schicht können auf ihre Oberfläche einfallende

Beschleunigungsanoden 58 und 60 vorgesehen. Das Elektronen in das Innere der Schicht eindringen und

Steuergitter 56 ist kapazitiv mit einer Impulsspan- in der ganzen Schicht Sekundärelektronen erzeugen,

nungsquelle 57 verbunden. 30 Dadurch ergibt sich eine hohe Sekundärelektronen-

Der Aufbau des Speicherschirms 30 geht im einzel- ausbeute und eine große Empfindlichkeit des Speicher-

nen aus F i g. 2 hervor. Der Speicherschirm 30 ist auf schirms. ·

einem Tragring 32 angeordnet, der seinerseits in be- Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Speicherröhre kannter Weise am Kolben 12 befestigt ist. Der Trag- wird zuerst der Speicherschirm 30 mit Elektronen ring 32 besteht vorzugsweise aus einer passenden 35 hoher Energie gleichmäßig überflutet. Die Kathode Nickellegierung. Der Speicherschirm 30 enthält zu- 52 liegt hierbei auf einem negativen Potential von nächst eine Tragschicht 31 aus einem Isoliermaterial mehreren Kilovolt hinsichtlich des Speicherschirms wie Aluminiumoxid von etwa 1000 Angström Dicke, 30. Bei dem Anwendungsbeispiel der F i g. 1 wird die vom Tragring 32 gehalten wird. Auf der Trag- eine negative Spannung von 6,2 Kilovolt auf die schicht 31 befindet sich eine leitende Schicht 34, z. B. 4° Kathode 52 gegeben. Im Normalfall und auch wäh-Aluminium, mit einer Dicke von etwa 500 Angström. rend des weiteren Betriebs der Röhre liegt das Steuer-Sie wird z. B. durch Aufdampfen im Vakuum auf gitter 56 auf einem gegen die Kathode 52 negativen die Schicht 31 gebildet. Dann wird eine Speicher- Potential, so daß keine Elektronen von der Kathode fc schicht 36, deren freie Oberfläche 38 dem Elektro- 52 zum Speicherschirm 30 gelangen können. Zu Be-™ nenstrahlerzeugungssystem 14 zugekehrt ist, auf die 45 ginn eines Speicherzyklus wird jedoch ein positiver leitende Schicht 34 aufgebracht. Die Speicherschicht Impuls durch die Spannungsquelle 57 erzeugt und 36 ist gleichmäßig porös und hat die Eigenschaft, über einen Kondensator auf das Steuergitter 56 ge-Sekundärelektronen bei Elektronenbeschuß zu erzeu- geben, wodurch eine Wolke schneller Elektronen, die gen. Die Speicherschicht 36 besteht aus einem Isolier- durch die Anoden 60 und 58 beschleunigt werden, material wie der Verbindung eines Alkalimetalls oder 50 auf den Speicherschirm 30 einfällt. Beispielsweise eines Erdalkalimetalls, z. B. Kaliumchlorid, Magne- liefert die Spannungsquelle 57 einen positiven Impuls siumchlorid oder Magnesiumoxid. Das Drahtnetz 40 von 50 Volt, der eine Dauer von einer Millisekunde dient zur Regelung der Aufladung des Speicher- oder weniger hat. Die freie Oberfläche 38 der Speischirms 30 und ist mit einer Spannungsquelle 41 ver- cherschicht 36 lädt sich unter dem Einfluß dieser bunden, deren Spannung entsprechend der auf den 55 Wolke schneller Elektronen auf ein Potential auf, das Speicherschirm 30 zu bringenden Ladung eingestellt mehrere Volt positiv gegen die leitende Schicht 34 ist. werden kann. Ferner ist eine Gleichspannungsquelle Die schnellen Elektronen haben nämlich ausreichende zwischen die Kathode 16 und die leitende Schicht Energie, um die Tragschicht 31 und die leitende geschaltet, um den vom Elektronenstrahlerzeu- Schicht 34 zu durchdringen, und werden in der Speigungssystem 14 ausgehenden Elektronen ein passen- 60 cherschicht 36 absorbiert. Wegen der porösen Natur des Beschleunigungspotential zu erteilen. dieser Schicht dringen die Elektronen tief in sie ein In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- und erzeugen in der ganzen Schicht Sekundärelektrodung geschieht die Umschaltung der Speicherröhre 10 nen, die teilweise von der freien Oberfläche 38 der vom Lesen auf das Schreiben mittels eines Schalters Speicherschicht 36 austreten, wo sie von dem Draht-43, über den abwechselnd Eingangssignale und Aus- 65 netz 40 gesammelt werden, während ein anderer Teil gangssignale auf die leitende Schicht 34 gegeben wer- der erzeugten Sekundärelektronen Von der leitenden den können. Letztere ist über einen Widerstand ge- Schicht 34 aufgenommen wird. Infolge dieser Elekerdet. tronenverarmung der Speicherschicht 36 ergibt sich

eine positive Aufladung der freien Oberfläche 38 des Speicherschirms. Das Potential dieser Oberfläche hängt von der Spannung ab, welche von der Spannnungsquelle 41 auf das Drahtnetz 40 gegeben wird. Diese Spannung wird so gewählt, daß das Verhältnis des Sekundärelektronenstromes zum Primärelektronenstrom für das Material der Speicherschicht 36 kleiner als Eins bleibt. Für eine Speicherschicht aus Kaliumchlorid kann die Spannung an dem ersten Drahtnetz 40 zu etwa 10 bis 20 Volt gewählt werden. Wegen der hohen Empfindlichkeit und Ausbeute der verwendeten porösen Speicherschicht läßt sich der Speicherschirm 30 innerhalb einer außerordentlich kurzen Periode von etwa einer Millisekunde oder weniger vorbehandeln. Deshalb kann die Vorbehandlung gegebenenfalls gleichzeitig mit dem Rückkehrzeitpunkt der Vertikalablenkung des zum Lesen und Schreiben verwendeten Elektronenstrahls synchronisiert werden, so daß Totzeiten beim Betrieb der Röhre gänzlich vermieden werden.

Nachdem die freie Oberfläche 38 der Speicherschicht 36 aufgeladen ist, beginnt das Einschreiben der Information in den Speicherschirm 30. Die Kathode 16 erzeugt einen Elektronenstrahl geringer Energie, der von den Anoden 22 und 24 und dem zweiten Drahtnetz 42 gegen die an die Gleichspannungsquelle 65 angeschlossene, leitende Schicht 34 des Speicherschirms beschleunigt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegen die Anoden22 und 24 an positiven Spannungen von etwa 150 und 300 Volt. Die Dichte des von der Kathode 16 ausgehenden Elektronenstrahls wird durch die am Steuergitter 20 liegende negative Spannung bestimmt; diese beträgt beispielsweise 40 Volt. Der von der Kathode 16 ausgehende Elektronenstrahl wird durch die Konzentrationsspule 46 fokussiert und von den Ablenkspulen 44 zeilenmäßig abgelenkt, so daß auf der Speicherschicht 36 das typische Bildraster entsteht. Der Schalter 43 steht in der Eingangsstellung, so daß ein Eingangssignal auf die leitende Schicht 34 gegeben werden kann, welches den die Oberfläche 38 abtastenden Elektronenstrahl moduliert. Demzufolge wird die vorher gleichmäßige Aufladung der Speicherschicht 36 nunmehr direkt proportional zu dem an die leitende Schicht 34 angelegten Signal moduliert. Die Modulationsspannung schwankt z. B. zwischen 0 und —10 Volt. Infolge der hohen Ausbeute und Empfindlichkeit des Speicherschirms 30 kann ein vollständiges Bild oder Informationsmuster während einer einzigen Abtastung des Elektronenstrahls in die Speicherschicht 36 eingeschrieben werden. Es empfiehlt sich, das Modulationssignal wie dargestellt auf den Speicherschirm 30 zu geben, da so eine bessere lineare Wiedergabe erzielt wird, als wenn es auf das Steuergitter 20 gegeben würde. Infolge des hohen spezifischen Widerstandes der Speicherschicht 36 (10¹⁸ Ohm · cm) bleibt das die gespeicherte Information darstellende Ladungsbild lange Zeit ungeändert. Experimente haben gezeigt, daß eine Ladungsspeicherung von mehreren Stunden ohne merklichen Auflösungsverlust möglich ist.

Um die gespeicherte Information wieder abzulesen, wird der Speicherschirm 30 nach einem passenden Zeitintervall abermals mittels eines langsamen Elektronenstrahls abgetastet, der von der Kathode 16 ausgeht und der durch das auf die leitende Schicht 34 gegebene konstante Potential der Spannungsquelle 65 in Richtung zum Speicherschirm beschleunigt wird.

Zur Abnahme des Ausgangssignals wird der Schalter in die andere Stellung umgelegt, und das vom Speicherschirm während der Abtastung abgeleitete Signal ist dann eine genaue Kopie (umgekehrte Polarität) des ursprünglichen Schreibsignals. Ist die Ablesung beendet, so wird die freie Oberfläche der Speicherschicht 36 in der oben beschriebenen Weise wieder aufgeladen, um den nächsten Speicherzyklus vorzubereiten.

Erfindungsgemäß bleiben während des Schreibens und des Lesens die Spannungen an den Elektroden 22 und 24 unverändert, und auch die auf die Ablenkspulen 44 gegebene Sägezahnspannung behält den gleichen zeitlichen Verlauf und die gleiche Amplitude bei. Ferner wird eine konstante Gleichspannung von der Spannungsquelle 65 zwischen der Kathode 16 und der leitenden Schicht 34 erzeugt. Infolgedessen werden die von der Kathode 16 ausgehenden Elektronenstrahlen beim Schreiben und beim Lesen mit den gleichen Spannungen beschleunigt und in gleicher Weise abgelenkt, so daß die von ihnen auf dem Speicherschirm 30 beschriebenen Abtastzeilen sich genau decken.

Die vorgeschlagene Speicherröhre hat einen hohen Störabstand, kann ein Ladungsmuster hoher Auflösung speichern, läßt sich in äußerst kurzer Zeit sensibilisieren und ist imstande, Schreib- und Lesevorgänge innerhalb eines einzigen Teilbildes einer Fernsehaufzeichnung vorzunehmen. Gleichzeitig ist sie einfach und kompakt gebaut.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Speicherröhre mit einem Speicherschirm, der aus einer Isolierschicht mit äußerer Sekundäremission bei Elektronenbeschuß und einer die Oberfläche der Isolierschicht bedeckenden leitenden Schicht besteht, und mit einem die freie Oberfläche der Isolierschicht abtastenden Schreib- und Lesesystem mit abwechselnd als Schreib- und Lesestrahl dienendem Elektronenstrahl, wobei der Schreibstrahl mit der zu speichernden Information moduliert ist und der Lesestrahl den Speicherschirm gleichförmig abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht des Speicherschirms eine poröse Schicht (36) ist, deren Dichte weniger als 10% derjenigen des kompakten Isoliermaterials beträgt, daß eine Elektronenquelle (50) die leitende Schicht (34) des Speicherschirms gleichmäßig mit Elektronen überflutet, die durch die leitende Schicht in die poröse Schicht (36) eindringen und deren dem Schreib- und Lesesystem zugewandte freie Oberfläche (38) gleichmäßig aufladen, daß an den Elektroden (16, 22, 24) des Schreib- und Lesesystems sowohl beim Schreibvorgang als auch beim Lesevorgang im wesentlichen unveränderliche Potentiale, bezogen auf das Potential der leitenden Schicht (34) des Speicherschirms, liegen und daß die Ausgangssignale am Speicherschirm abgenommen werden.

2. Speicherröhre nach Anspruch 1 mit einem in kurzem Abstand von der freien Oberfläche der porösen Schicht des Speicherschirms angeordneten, an einem festen Potential liegenden Drahtgitter, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential des Drahtgitters so gewählt ist, daß das Verhältnis des von der Elektronenquelle (50) ausgehenden Elektronenstromes zu dem von ihm auf der freien

Oberfläche (38) des Speicherschirms ausgelösten Sekundärelektronenstromes auf Werte kleiner als Eins beschränkt bleibt.

3. Speicherröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der porösen Schicht (36) aus Kaliumchlorid, Magnesiumchlorid oder Magnesiumoxid besteht.

4. Speicherröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Tragschicht aus Isoliermaterial, auf der sich die leitende Schicht des Speicherschirms befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (34) aus Aluminium und die Tragschicht (31) aus Aluminiumoxid besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

009 528/223

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