DE1764033B2

DE1764033B2 - Elektronische bildwandler- oder bildverstaerkerroehre mit kanalplatte

Info

Publication number: DE1764033B2
Application number: DE19681764033
Authority: DE
Inventors: Brian William Burgess Hill; Adams John East Grinstead Sussex Manley (Großbritannien)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-03-29
Filing date: 1968-03-23
Publication date: 1976-12-09
Also published as: FR1575647A; NL6804165A; SE332238B; DE1764033A1; AT282708B; US3528101A; GB1164895A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre mit einer Photokathode, einer auf Sekundäremission beruhenden Verstärkervorrichtung und einem elektronenoptischen System, das Rotationssymmetrie aufweist und eine elektronenoptische Achse hat, die mit der Rotationssymmetrieachse zusammenfällt und senkrecht auf der Oberfläche der Photokathode steht, während die Hauptstrahk'ii der Photokathode zu einem gemeinsamen Kreuzungspunkt hin gerichtet sind und die Verstärkervorrichtung, die im Schnittpunkt mit der optischen Achse auf dieser Achse senkrecht steht, jenseits dieses Kreuzungspunktes angebracht ist.

Eine solche Röhre ist aus der DT-PS 912 726 bekannt.

Als sogenannte Kanalplatte ausgebildete, auf Sekundäremission beruhende Verstärkervorrichtungen sind z.B. aus den GB-PS 1064073, 1064074 und 064076 und Verfahren zu ihrer Herstellung aus den GB-PS 1064072 und 1064075 bekannt.

Bei der Verwendung solcher Kanalplatten - wenn sie einen Teil einer elektronischen Bildröhre bildei - wird eine elektrische Spannung zwischen die beidei Elektrodenschichten der Matrix gelegt, wodurch siel <?in elektrisches Feld ergibt, das die Elektronen be schleunigt, und ein Spannungsgradient vorn Strom er zeugt wird, der durch innerhalb der Kanäle gebildeti Flächen mit ohmschen Widerstand oder - wenn e keine derartigen Kanalflächen gibt - durch das Mate rial der Matrix fließt. Die Elektronenvervielfachunj

ίο erfolgt durch Sekundäremission in den Kanälen, um die Ausgangselektronen können durch ein zweite Beschleunigungsfeld beeinflußt werden, das zwischei der Ausgangselektrode und einer geeigneten Prall platte, z.B. einem Leuchtschirm, erzeugt wird.

Diese Kanalplatten mit durch Sekundäremissioi herbeigeführter Elektronenvervielfachung enthaltei eine Matrix, die als ohmscher Widerstand betrachte werden kann und die Form einer Platte hat, bei dei eine der großen Flächen die Eingangsfläche und die

andere die Ausgangsfläche der Matrix bildet. Beide Flächen sind mit einer leitenden Schicht versehen wobei die Schicht auf der Eingangsfläche der Matrb als Eingangselektrode und die gesonderte, leitend« Schicht auf der Ausgangsfläche der Matrix als Aus-

*5 gangselektrode dient. In der Matiix sind langgestreckte Kanäle vorgesehen, die von der Eingangsfläche zur Ausgangsfläche führen, wobei die Verteilung und der Querschnitt der Kanäle und der spezifische Widerstand der Matrix derart sind, daß das Auflösungsvermögen und die Elektronenvervielfachungscharakteristik jeder beliebigen Flächeneinheit dei Vorrichtung und jeder anderen Flächeneinheit einander genügend entsprechen, um Bilder zu erzeugen Eine Kanalplatte, die ebene Vorder- und Rückseiten aufweist, und deren Kanäle zueinander parallel und im gleichen Winkel zur Vorder- bzw. Rückseite verlaufen, ist aus der GB-PS 999 180 bekannt. Diese bekannte Kanalplatte ist ein Teil eines Bildwandlers, der keine Strahlfokussierung aufweist.

Karialplatten der genannten Art können nun in einer elektronischen Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre verwendet werden, die mit einem elektronenoptischen System versehen ist. insbesondere in einer sogenannten elcktronenoptischen Diode, in der Elektronen auf divergierenden Bahnen zur Kanalplatte geleitet werden.

Das elektronenoptische System hat dabei die Aufgabe, alle aus einem bestimmten Punkt der Photokathode emittierten Elektronen auf der Bild- oder Brennfläche des Systems in einem Punkt zu bündeln. Aus einem derartigen Dingpunkt auf der Photokathode emittierte Elektronen verlassen diese innerhalb eines breiten Kegels unter den verschiedensten Winkeln. Die Bahn der Elektronen, die aus dem betreffenden Dingpunkt in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche der Photokathode emittiert werden, wird als Hauptstrahl bezeichnet. Alle Hauptstrahlen treffen eine Kanalplatte in einer solchen Röhre unter verschiedenen Winkeln.

Wenn nun sämtliche Kanäle der Kanalplatte parallel zur elektronenoptischen Achse verlaufen, zeigt sich, daß nahezu in der Mitte des Bildes, wo die Zahl der Elektronenbahnen, die nahezu parallel zu den Achsen der Kanäle verlaufen, am größten ist, ein dunkler Fleck auftreten kann. Viele dieser Elektronen können auf geradem Weg durch einen Kanal hindurchgehen, ohne auf die Oberfläche des Kanals aufzutretfen und somit ohne eine Sekundäremission her-

beizuführen, oder nur eine ungenügende Sekundaremission zu erzeugen.

In einer anderen Patentanmeldung (P 1764034) wird vorgeschlagen, bei einer elektronischen Bildröhre mit einem elektronenoptiscken System eine Kanalplatte anzubringen, deren Kanäle schräg gerichtet sind. Infolge des schrägen Verlaufs der Kanäle wird unter anderem erreicht, daß ein etwa auftretender »dunkler Fleck« zum Rand des Bildfeldes hin in ein Gebiet verschoben wird, in dem diese Störung weniger lästig ist, als wenn sie sich in der Mitte des Bildes zeigt.

Der Erfindung hegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einer elektronischen Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre der eingangs genannten Art diesen dunklen Fleck zu beseitigen und eine bessere Fokussierung zu erreichen, als es mit einer ebenen Kanalplatte in einer solchen Röhre möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verstärkervorrichtung eine Kanalplatte ist, dertn Kanäle parallel zueinander verlaufen, und daß die Kanalplatte entsprechend der Krümmung der Bildebene des elektronenoptischen Systems gekrümmt und, von der Photokathode her betrachtet, kokav ist.

Durch die Verwendung einer gekrümmten Kanalplatte wird erreicht, daß die Bildschärfe über die gesamte Bildfläche gleichmäßiger ist, oder daß die optimale Bildschärfe nicht nur in der Mitte dieser fläche, sondern auch auf dem gesamten übrigen Teil, oder wenigstens einem großen weiteren Teil erhalten wird.

Wie aus der folgenden Beschreibung deutlicher hervorgehen wird, ist dies die Folge der Tatsache, daß die Krümmung der Kanalplatte es ermöglicht, daß die Eingangsfläche nahe bei der gekrümmten Bildebene des elektronenoptischen Systems liegt und nahezu mit ihr zusammenfällt, oder wenigstens weniger weit von dieser Ebene entfernt ist als bei Verwendung einer flachen Kanalplatte.

Mit Rücksicht auf die folgende ausführliche Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung werden zwei axiale Hauptebenen näher definiert. Bei einer Röhre mit einer Kanalplatte, bei der alle Kanäle parallel zueinander und schräg in bezug auf eine elektronenoptische Achse durch den Mittelpunkt der Matrix verlaufen, enthält eine der axialen Ebenen (d.h. der Ebenen, in denen diese Achse liegt) auch die Achsen derjenigen Kanäle, die sie schneidet. Diese Ebene wird als »erste Hauptebene« bezeichnet, während die senkrecht auf ihr stehende axiale Ebene als »zweite Hauptebene« bezeichnet wird.

Das verwendete elektronenoptische System kann von dem Typ sein, der bei einer sogenannten elektronenoptischen Diode benutzt wird, wie sie in »Philips Research Reports«, Band 7 (1952), Seiten 119 bis 130, beschrieben ist. Ein System dieser Art findet bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel Verwendung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine elektronische Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre gemäß der Erfindung,

Fig. 2 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch einen Teil der Kanalplatte in der Röhre nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Bedingungen, die in der ersten axialen Hauptebene der Röhre nach Fig. 1 herrschen,

Fig. 4 A und 4B Diagramme zur Erläuterung 2ines Verfahrens zur Herstellung gekrümmter Matrizen, Fig. 5 mögliche Verwendungen laseroptischer Systeme.

In Fig. 1 ist eine äußere Strahlung von einem Objekt her mittels einer Linse O auf eine Photokathode f gerichtet, wodurch auf dieser ein Bild erzeugt

ίο wird. Aus allen Teilen der Photokathode werden gleichzeitig Photoelektronen mit örtlich in Abhängigkeit vom erzeugten Bild verschiedenen Intensitäten ausgelöst.

Die Photokathode P bildet zusammen mit einer

¹S konischen oder nahezu konischen Anode A eine elektronenoptische Diode mit einem derartigen elektronenoptischen System, daß die emittierten Photoelektronen zu einem Strahlenbündel R konzentriert werden, wobei dieses Bündel unter der Einwirkung der sphärischen Äquipotentialflächen zwischen der Photokathode P und der konischen Anode A konvergiert wird. Wenn das Bündel durch die Öffnung in der konischen Anode A hindurchgeht, wird es durch die negative Linsenwirkung bei der Konusöffnung weniger konvergierend gemacht. Das Strahlenbündel R wird schließlich in der gestrichelt angegebenen Bildebene F zu einem Brennpunkt konvergiert. In dieser Ebene, die eine erhebliche Krümmung aufweist, liegen sämtliche Bildpunkte.

Die Anode A hat einen zylindrischen Teil, der an die Eingangselektrode £1 einer Kanalplatte /, die weiter eine Ausgangselektrode £2 aufweist, angeschlossen ist. Das elektronenoptische System P-A weist Rotationssymmetrie um eine elektronenoptische Achse Z-Z auf, die senkrecht auf der Oberfläche der Photokathode P und auf den Eingangs- und Ausgangsflächen der Kanalplatte / steht an den Stellen, wo sie diese schneidet.

Die Kanäle der Kanalplatte / können parallel zur Achse Z-Z verlaufen. Vorzugsweise jedoch verlaufen sie unter einem bestimmten Winkel, wie dies in der erwähnten Patentanmeldung beschrieben worden ist, und nachstehend wird angenommen, daß dies tatsächlich der Fall ist, sofern nicht ausdrücklich ein anderer Verlauf erwähnt wird. Es gehen somit, wie Fig. 2 zeigt, gemäß einem regelmäßigen Muster Kanäle C durch die Kanalplatte / hindurch, wobei die Achse X-X jedes Kanals einen Winkel 0 mit der zweiten axialen Hauptebene macht (die senkrecht auf der die Achse Z-Z enthaltenden Zeichenebene steht).

Fig. 2 zeigt, wie Photoelektronen b aus der Photokathode P die Kanalplatte / erreichen. In jedem der Kanäle, in den in einem bestimmten Augenblick Photoelektronen eintreten, erfolgt durch Sekundäremission eine Elektronenvervielfachung, z.B. wie dies schematisch in der Zeichnung angegeben ist, unter der Einwirkung des elektrischen Beschleunigungsfeldes, das dadurch erzeugt wird, daß die Elektroden £1 und £2 mit einer schematisch durch öl (Fig. 1) dargestellten Spannungsquellc verbunden werden. Eine Quelle Bl erzeugt eins zweites Beschleunigungsfcld zwischen der Elektrode £2 und einer leitenden Schicht, z. B. aus Aluminium, die einen Teil eines gekrümmten Leuchtschirmes S (Fig. 1) bildet, der sich auf der Ausgangsseite der Vorrichtung befindet.

In Fig. 2 wird der Einfachheit halber angenommen, daß alle Photoelektronen b sich auf parallelen Bahnen senkrecht zur Matrixoberfläche bewegen und sich so-

mit den Kanälen unter einem konstanten Winkel 0 mit den Kanalachsen nähern. In Wirklichkeit ist dies, außer in erster Näherung in der Mitte der Vorrichtung /, nicht der Fall.

In Wirklichkeit treffen die Hauptstrahlen, z.B. der in Fig. 1 durch R_p dargestellte Hauptstrahl, die Kanalplatte / unter sich ändernden Winkeln, so daß sie mit den betreffenden Kanälen Winkel wie /31, /32 und /33 machen, die in Fig. 3 schematisch angegeben sind. Fig. 3 bezieht sich auf das, was sich in der ersten axialen Hauptebene abspielt, d.h. in der Axialebene, in der die Achse Z-Z liegt und in der auch die Achsen X-X derjenigen Kanäle liegen, die durch die Ebene geschnitten werden. Es ist deutlich, daß

/33 = 0 + γ3

wobei y3 der Nennwinkel ist, unter dem der Hauptstrahl Rp₁ von einem imaginären Kreuzungspunkt Zo des elektronenoptischen Systems P-A her divergiert. Die Hauptstrahlen, wie z.B. der Strahl Rp in Fig. 1 und die Strahlen Rp_x bis Rp^ in Fig. 3, sind in der Praxis keine genauen Geraden, aber sie werden dennoch durch die anfangs senkrechte Elektronenbahn im Emissionspunkt auf der Photokathode P identifiziert. Ähnlich ist

/31 = 0 - yl wobei yl der Divergenzwinkel des Hauptstrahls Rp₁

In der Mitte (auf der Achse Z-Z) ist die Divergenz des Hauptstrahls Rp₁ Null und ist

/32 = 0

Sofern der kleinste Winkel ßl groß genug ist, um zu verhindern, daß Elektronen gerade oder mit unzureichender Vervielfachung durch den jeweiligen Kanal hindurchgehen, kann die ganze in Fig. 3 dargestellte Matrix wirkungsvoll ohne »dunklen Fleck« arbeiten, weil die übrigen Winkel (/32, /33 usw.) alle größer sind. Es ist jedoch gewünscht, die Höchstwerte der Winkel β in der vorerwähnten Weise zu begrenzen, weil sich der Astigmatismus um so stärker auswirkt, je größer 0 ist.

Bei einem praktischen Beispiel, das sich zur Anwendung auf die in Fig. 1 dargestellte Weise eignet, können die Abmessungen der Röhre etwa wie folgt

sein:

= 5 cm

= 30 μ

= 2 mm

= etwa 4 mm

= 12°

= 15°

= 3°

= 27°

= 40 mm

Durchmesser der Matrix
Durchmesser der Kanäle
Länge der Kanäle
Abstand zwischen E2 und 5
Maximaler Divergenzwinkel
Kanalneigungswinkel 0
Mindestwert des Winkels β
Höchstwert des Winkels β
Krümmungshalbmesser von £1

In der Zeichnung ist der Deutlichkeit halber von diesen Abmessungen und von den gegenseitigen Verhältnissen abgewichen.

Bei einer Kanalplatte nach den Fig. 1 bis 3, bei der sowohl eine gekrümmte Matrix als auch schräg verlaufende Kanäle Verwendung finden, können die Vorteile beider Systeme gleichzeitig erhalten werden, d.h. das Auflösungsvermögen kann über das ganze Bild hoch sein, während auch die Schwierigkeiten hinsichtlich des dunklen Flecks überwunden werden können. Die geringe Diskrepanz zwischen der gekrümmten Bildebene F und der Eingangsfläche der Kanalplatte / kann nahezu völlig behoben oder so klein gehalten werden, daß sich keine nennenswerten Verluste an Auflösungsvermögen am Rand des auf dem Schirm S dargestellten Bildes ergeben.

Bei der bevorzugten Ausführungsform machen bei der Matrix der Kanalplatte gemäß den Fig. 1, 2 und 3 alle Kanäle den gleichen Winkel 0 mit der zweiten axialen Hauptebene. Dies ermöglicht es, die Matrix "> gemäß verhältnismäßig einfachen Verfahren herzustellen, bei denen ein mit Kanälen versehener Block in Scheiben gesägt wird, die dann weiter bearbeitet werden, bei welchen Verfahren zunächst gemäß den schrägen Linien W quer zu den Kanälen C Ein- !5 schnitte gemacht werden, wie dies schematisch in Fig. 4 A angegeben ist.

Die weitere Verarbeitung der flachen Scheiben zu einer gekrümmten Form wird erleichtert, wenn die Eingangs- und Ausgangsflächen der fertigen Matrix geometrisch sphärisch sind (zum Unterschied von anderen Rotationsflächen, die übrigens auch benutzt werden können). In einem bestimmten Fall kann eine derartige Bearbeitung zur Erhaltung einer sphärischen Form derart erfolgen, daß sich (wie erwünscht) »5 in allen Teilen der Matrix eine konstante Kanallänge ergibt. Für den Fall schräg verlaufender Kanäle ist dies schematisch in F i g. 4 B angegeben, in der £1 und El die gewünschte Eingangs- bzw. Ausgangsfläche darstellen (d.h. die Oberflächen, auf denen die betreffenden Elektrodenschichten gebildet werden), während Ml und Ml die sphärischen Flächen darstellen, mit Jenen die Eingangs- und Ausgangsflächen übereinstimmen müssen. Die beiden Kugeln haben gleiche Halbmesser, während ihre Mittelpunkte m\ und ml (hinsichtlich ihres gegenseitigen Abstandes und ihrer Orientierung) im gleichen Verhältnis stehen wie die Enden eines in der Mitte liegenden Kanals Cl, das unter dem gewünschten Winkel 0 zur Achse Z-Z verläuft. Wie die Kanäle Cl, Cl und C3 zeigen, haben sämtliche Kanäle die gleiche Länge, während die Dicke der Matrix nicht überall die gleiche ist.

Erforderlichenfalls können die unerwünschten Folgen der Krümmung der Photokathode P und des Bildschirmes S gemäß Fig. 1 auf bekannte Weise, d.h. mittels einer Faseroptik, zunichte gemacht oder verringert werden. Man kann z.B. eine aus einer Faseroptik FOl bestehende Eingangsplatte benutzen, die auf einer Seite eine geeignete konkave Krümmung aufweist, die der Krümmung der Photokathode P angepaßt ist, während sie auf der Seite der auffallenden Strahlung nahezu flach oder in entgegengesetzter Richtung gekrümmt ist. Dies ermöglicht es auch, bei der Photokathode eine größere Krümmung zu verwenden, wodurch die Krümmung der Bildebene P verringert wird, so daß diese Ebene nahezu völlig mit der Eingangsfläche der Kanalplatte / zusammenfallen kann. Erforderlichenfalls kann eine zweite Faseroptik FOl als Fenster benutzt werden, auf dem der Schirm S angebracht wird, und das eine Ausgangsflä-6o ehe hat, die z.B. flach sein kann. In allen Fällen hat der Schirm S eine konkave Krümmung, die vorzugsweise der Krümmung der Elektrode El in dem Sinne angepaßt ist, daß sofern möglich, die Feldstärke zwischen El und S überall die gleiche ist. 6s Obgleich bei den beschriebenen Ausführungsformen der Konus A und die Elektrode El miteinandei verbunden sind, kann es manchmal gewünscht sein diese »Dioden«-Anordnung dadurch zu ändern

von £1 getrennt wird, so daß an diese beiden ntc verschiedene Potentiale angelegt weiden n, um für die Elektronen, die sich den Kanälen n, eine optimale Eintrittsenergie zu erzielen. \cHin dadurch erfolgen, daß die Anode A auf

dem gleichen Potential gehalten wird, währenc Potential von £1 erniedrigt wird. Eine derartige änderung ergibt gleichsam eine Triodenstuiktui. der imaginäre Kreuzungspunkt Zo (Fig. 3) kam virtueller Kreuzungspunkt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre mit einer Photokathode, einer auf Sekundäremission beruhenden Verstärkervorrichtung und einem elektronenoptischen System, das Rotationssymmetrie aufweist und eine elektronenoptische Achse hat, die mit der Rotationssymmetrieachse zusammenfällt und senkrecht auf der Oberfläche der Photokathode steht, während die Hauptstrahlen der Photokathode zu einem gemeinsamen Kreuzungspunkt hin gerichtet sind und die Verstärkervorrichtung, die im Schnittpunkt mit der optischen Achse auf dieser Achse senkrecht steht, jenseits dieses Kreuzungspunktes angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkervorrichtung eine Kanalplatte ist, deren Kanäle parallel zueinander verlaufen, und daß die Kanalplatte entsprechend der Krümmung der Bildebene des elektronenoptischen Systems gekrümmt und, von der Photokathode her betrachtet, konkav ist.

2. Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenoptische System vom Typ einer elektronenoptischen Diode ist und eine konische oder nahezu konische Anode aufweist, die elektrisch mit der Eingangselektrode der Kanalplatte verbunden ist.

3. Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangselektrode der Kanalplatte und die Bildebene des elektronenoptischen Systems nahezu zusammenfallen.

4. Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Kanäle einen bestimmten Winkel mit der optischen Achse bilden und nahezu gleich lang sind.