DE19703238A1 - Elektronenkanone für eine Farbkathodenstrahlröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenkanone für eine Farb­ kathodenstrahlröhre, die insbesondere eine weiterentwickelte Triode aufweist.

Wie es in Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist, weist eine Kathodenstrahlröhre im allgemeinen eine Frontplatte 10 mit einem nicht dargestellten Leuchtstoffilm und einen Trich­ terteil 20 auf, der dicht mit der Frontplatte 10 verbunden ist, in seinem Halsteil 21 eine Elektronenkanone 30 enthält und um seinen Konusteil 22 mit einem Ablenkjoch 23 versehen ist. In einer Kathodenstrahlröhre mit diesem Aufbau wird ein Elektronen­ strahl, der von der Elektronenkanone 30 erzeugt wird, durch das Ablenkjoch 23 abgelenkt, so daß er auf dem Leuchtstoffilm der Frontplatte 10 landet, um dadurch ein Bild zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Elektronenkanone zum Ausgeben eines Elektronenstrahls. Wie es in Fig. 2 darge­ stellt ist, weist die Elektronenkanone 30 eine Kathodenkonstruk­ tion 31, die eine Triode bildet, eine Steuerelektrode 32, eine Bildschirmelektrode 33, eine Fokussierungselektrode 34 und eine letzte Beschleunigungselektrode 35 auf, die der Reihe nach von der Bildschirmelektrode 33 ausgehend angeordnet sind und eine elektronische Linse bilden. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, wird als Kathodenkonstruktion 31 im typischen Fall eine indirekt beheizte Kathode verwandt, die eine Hülse 31a, ein Grundmetall 31c, das mit einem Endabschnitt der Hülse 31a verbunden ist und dessen obere Außenfläche mit einem elektronenemittierenden Mate­ rial 31b beschichtet ist, und eine Heizung 31d auf, die dazu dient, das elektronenemittierende Material 31b zu erwärmen, und die im Inneren der Hülse 31a angebracht ist.

Wenn beim Betrieb einer Elektronenkanone 30 mit diesem Aufbau eine bestimmte Spannung an die Heizung 31d der Kathoden­ konstruktion 31 und die jeweiligen Elektroden gelegt wird, dann werden Elektronen von dem elektronenemittierenden Material 31d ausgesandt und werden gleichzeitig zwischen den Elektroden 32 bis 35 Elektronenlinsen gebildet. Der Elektronenstrahl wird somit fokussiert und beschleunigt, während er durch die Elektro­ nenlinsen in Richtung auf den Leuchtstoffilm geht.

Bei einer herkömmlichen Elektronenkanone für eine Farbka­ thodenstrahlröhre liefert in der in Fig. 4 dargestellten Weise die zum Aussenden von Elektronen und zum Steuern der ausgesand­ ten Elektronen verwandte Triode keine konstante Stromdichte des von der Kathodenkonstruktion 31 ausgesandten Elektronenstrahls aufgrund eines gewissen Übergreifens des elektrischen Feldes der Steuerelektrode 32 auf die Kathodenkonstruktion 31. In Fig. 4 ist auf der X-Achse der Abstand von dem Mittelpunkt eines Loches aufgetragen, durch das der Elektronenstrahl hindurchgeht, und ist auf der Y-Achse die Stromdichte des Elektronenstrahls aufge­ tragen.

Eine derartige nicht konstante Stromdichte des Elektronen­ strahls liefert eine nicht konstante Ladungsabstoßungskraft, die am Elektronenstrahl liegt, der in Richtung auf den Leuchtstoff­ film geht, und zwar nach Maßgabe seiner Position. Das heißt, daß der Elektronenstrahl aufgrund der inkonsistenten Ladungsabsto­ ßungskraft so beeinträchtigt wird, daß seine Querschnittsform verzerrt ist, wenn er auf dem Leuchtstoffilm scharf abgebildet wird.

Bei einer anderen herkömmlichen Elektronenkanone, die einen Feldemitter als Kathodenkonstruktion der Triode verwendet, be­ steht weiterhin ein Triodeneffekt, der einem Übergreifen des elektrischen Feldes der Steuerelektrode entspricht, obwohl die Dichte des Stromes, der vom Feldemitter erzeugt wird, konstant ist.

Wenn weiterhin bei der oben beschriebenen herkömmlichen Elektronenkanone der Einfallswinkel des Elektronenstrahls, der von der Triode zur Hauptelektronenlinse ausgesandt wird, die zwischen der Fokussierungselektrode und der letzten Beschleuni­ gungselektrode ausgebildet wird, zunimmt, dann wird der Elek­ tronenstrahl aufgrund des Einflusses der sphärischen Aberration an der Hauptlinse beeinträchtigt.

Um diese Nachteile zu beseitigen, wird eine Vorfokussie­ rungslinse, die ein sehr starkes elektrisches Feld zeigt, vor der Hauptelektronenlinse angeordnet, um den Einfallswinkel des Elektronenstrahls auf die Hauptelektronenlinse herabzusetzen. Die Aberration der Linse ist in diesem Fall jedoch die Summe der Aberrationen der Vorfokussierungslinse und der Hauptlinse. Wenn somit die Stärke des elektrischen Feldes der Vorfokussierungs­ linse erhöht wird, um die Aberration der Hauptelektronenlinse herabzusetzen, dann wird der Radius des Elektronenstrahls auf­ grund des Einflusses der Aberration der Vorfokussierungslinse und nicht der Hauptelektronenlinse vergrößert.

Um diese Probleme zu beseitigen, soll durch die Erfindung eine Elektronenkanone für eine Farbkathodenstrahlröhre geschaf­ fen werden, bei der die Einflüsse der Aberration einer Vorfokus­ sierungslinse bezüglich eines Elektronenstrahls verringert sind, der von der Elektronenkanone erzeugt wird, so daß eine Beein­ trächtigung oder Verzerrung des Elektronenstrahls vermieden werden kann.

Dazu umfaßt die erfindungsgemäße Elektronenkanone für eine Farbkathodenstrahlröhre eine Kathodenkonstruktion, die einen Feldemitter zum Ausenden eines Elektronenstrahls enthält, eine Fokussierungselektrode und eine letzte Beschleunigungselektrode, die der Reihe nach ausgehend von der Kathodenkonstruktion an­ geordnet sind, um eine Hauptelektronenlinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls zu bilden, der vom Feldemitter der Kathoden­ konstruktion ausgesandt wird.

Vorzugsweise ist die Spannung, die an der letzten Beschleu­ nigungselektode liegt, relativ höher als die an der Fokussie­ rungselektrode liegende Spannung und liegt der Durchmesser des Feldemitters bei 5/100 bis 5/10 des Durchmessers eines Elektro­ nenstrahldurchgangslochs, das in der Fokussierungselektrode ausgebildet ist.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in einer Schnittansicht eine übliche Kathodenstrahl­ röhre,

Fig. 2 in einer Teildraufsicht die Elektronenkanone einer herkömmlichen Farbkathodenstrahlröhre,

Fig. 3 in einer Schnittansicht die Kathodenkonstruktion bei der in Fig. 2 dargestellten Elektronenkanone,

Fig. 4 in einer graphischen Darstellung die Dichte des Stromes nach Maßgabe des Durchgangsradius eines Elektronen­ strahls bei einer herkömmlichen Elektronenkanone,

Fig. 5 in einer graphischen Darstellung die Ladungsabstos­ sungskraft nach Maßgabe des Durchgangsradius eines Elektronen­ strahls bei einer herkömmlichen Elektronenkanone,

Fig. 6 in einer Schnittansicht eine Elektronenkanone für eine Farbkathodenstrahlröhre gemäß der Erfindung,

Fig. 7 in einer Schnittansicht die Kathodenkonstruktion, die in Fig. 6 dargestellt ist,

Fig. 8 in einer graphischen Darstellung die Dichte des Stromes nach Maßgabe des Durchgangsradius eines Elektronen­ strahls bei einer Elektronenkanone gemäß der Erfindung,

Fig. 9 in einer graphischen Darstellung die Ladungsabstos­ sungskraft nach Maßgabe des Durchgangsradius eines Elektronen­ strahls bei einer Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfin­ dung,

Fig. 10 in einem Diagramm den Weg eines Elektronenstrahls in einer Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 11 den Weg eines Elektronenstrahls, der durch eine Elektronenlinse geht, die zwischen einer Kathodenkonstruktion und einer Fokussierungselektrode in einer Elektronenkanone nach der vorliegenden Erfindung gebildet wird,

Fig. 12 den Weg eines Elektronenstrahls, der durch eine Elektronenlinse geht, die zwischen einer Kathodenkonstruktion und einer letzten Beschleunigungselektrode in einer Elektronen­ kanone gemäß der Erfindung gebildet wird,

Fig. 13 in einer graphischen Darstellung die Änderung im Durchmesser eines Elektronenstrahls nach Maßgabe des Radius eines Feldemitters, der eine Kathodenkonstruktion in einer Elek­ tronenkanone der vorliegenden Erfindung bildet, und

Fig. 14 in einer graphischen Darstellung die Änderung im Durchmesser des Elektronenstrahls nach Maßgabe des Stromes in einer Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung.

Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Elektronenkanone für eine Farbkathodenstrahlröhre umfaßt eine Kathodenkonstruktion 50 zum Aussenden von Elektro­ nen, eine Fokussierungselektrode 61 zum Fokussieren des Elektro­ nenstrahls, der von der Kathodenkonstruktion 50 ausgesandt wird, und eine letzte Beschleunigungselektrode 62. Die Kathodenkon­ struktion 50 enthält eine Feldemitter 51, der eine Elektronen­ emissionsquelle darstellt und an einer Glasperle 70 befestigt ist.

Wie es in Fig. 7 dargestellt ist, besteht der Feldemitter 51 aus einem Basissubstrat 51a aus Silicium, mehreren Metall­ spitzen 51b aus Molybdän als Hauptbestandteil, die auf der obe­ ren Außenfläche des Basissubstrates 51a ausgebildet sind, und einer leitenden Schicht 51c, die eine bestimmte Spannung an die Metallspitzen 51b legt. Eine Isolierschicht 51d aus SiO₂ ist weiterhin um die Metallspitzen 51b herum ausgebildet und eine Metallschicht 51f mit einem Tor 51e zum Freilegen der Metall­ spitze 51b ist an der oberen Außenfläche der Isolierschicht 51d ausgebildet. Da der Strom, der an einer einzelnen Metallspitze 51b auf dem Grundsubstrat 51a liegt, annähernd 80-100 nA beträgt kann ein Strom von 1 mA oder mehr, der ausreicht, um den Leucht­ stoffilm anzuregen, erhalten werden, wenn über 10 000 Metall­ spitzen vorgesehen sind.

Vorzugsweise liegt der Durchmesser des Feldemitters 51 bei etwa 5/100 bis 5/10 des Durchmessers eines Elektronenstrahl­ durchgangsloches 61a (Fig. 6), das in der Fokussierungselektrode 61 ausgebildet ist. Der Feldemitter kann eine Form haben, die vertikal oder horizontal langgestreckt ist, um die Querschnitts­ form des Elektronenstrahls, der auf dem Leuchtstoffilm landet, zu kompensieren. Die an der Fokussierungselektrode 61 liegende Spannung ist relativ kleiner als die Spannung, die an der letz­ ten Beschleunigungselektrode 62 liegt.

Im folgenden wird anhand der Fig. 6 und 7 die Arbeitsweise einer Elektronenkanone für eine Farbkathodenstrahlröhre mit dem oben beschriebenen Aufbau näher erläutert.

Wenn eine bestimmte Spannung an der Fokussierungselektrode 61 und der letzten Beschleunigungselektrode 62 der Elektronenka­ none liegt, wird eine Hauptelektronenlinse zwischen beiden Elek­ troden gebildet. Wenn eine bestimmte Spannung an der Metallspit­ ze 51b und der Metallschicht 51f der Kathodenkonstruktion 50 liegt, dann wird von der Metallspitze 51b ein Elektronenstrahl erzeugt. Der ausgesandte Elektronenstrahl wird beim Durchgang durch die Hauptelektronenlinse fokussiert und beschleunigt, durch ein nicht dargestelltes Ablenkjoch abgelenkt und landet auf dem nicht dargestellten Leuchtstoffilm, so daß das dort befindliche Leuchtstoffmaterial angeregt wird.

Da bei einer Elektronenkanone für eine Farbkathodenstrahl­ röhre mit der oben beschriebenen Arbeitsweise Elektronen von einer Vielzahl von Metallspitzen 51b des Feldemitters 51 ausge­ sandt werden, ist die Stromdichte des ausgesandten Elektronen­ strahls konstant, wie es in Fig. 8 dargestellt ist. Da somit die Stromdichte des vom Feldemitter 51 ausgegebenen Elektronen­ strahls konstant ist, ist die Ladungsabstoßungskraft, die durch das Quadrat der Stromdichte gegeben ist, gleichförmig, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Es ist dadurch möglich, die Beein­ trächtigung des Elektronenstrahls geringer zu halten.

Wie es in den Fig. 10, 11 und 12 dargestellt ist, verlaufen die Elektronenstrahlen, die von der Vielzahl von Feldemittern 51 der in Fig. 6 dargestellten Kathodenkonstruktion 50 ausgegeben werden, zunächst parallel, bevor sie durch das Elektronenstrahl­ durchgangsloch 61a gehen. Wenn die Elektronenstrahlen durch das Elektronenstrahldurchgangsloch 61a gehen, werden sie durch die zwischen der Kathodenkonstruktion 50 und der Fokussierungselek­ trode 61 gebildete Elektronenlinse 100 so abgelenkt, daß sie einen größeren Einfallswinkel haben, wonach sie auf die Haupt­ elektronenlinse 200 treffen. In Fig. 11 und 12 ist der Weg 300 eines Elektronenstrahls dargestellt. Der Einfallswinkel kann dadurch veringert werden, daß der Durchmesser des Feldemitters 51 herabgesetzt wird. Da der Einfallswinkel des Elektronen­ strahls, der durch die Elektronenlinse hindurch geht, proportio­ nal durch den Durchmesser des Elektronenstrahls beeinflußt wird, der durch die Elektronenlinse geht, und zwar zusätzlich zur Stärke des elektrischen Feldes der Elektronenlinse, kann der Einfallswinkel dadurch herabgesetzt werden, daß der Durchmesser des Feldemitters 51 verringert wird, wodurch die Aberration der Hauptelektronenlinse 200 reduziert wird.

Der am Feldemitter 51 liegende Strom ist proportional zum Quadrat des Radius des Feldemitters 51. Der Verringerung des Durchmessers des Feldemitters 51 zur Herabsetzung der Aberration der Hauptelektronenlinse 200 sind daher Grenzen gesetzt. Wenn jedoch der Durchmesser des Feldemitters 51 unter Berücksichti­ gung des Stromes vergrößert wird, dann nimmt der Einfallswinkel zu, da der Elektronenstrahl durch die Elektronenlinse 100 beein­ flußt wird. Dementsprechend nimmt die Aberration der Hauptelek­ tronenlinse 200 erneut zu.

Versuche haben ergeben, daß die Aberration der Hauptelek­ tronenlinse dann verringert werden kann, wenn der Durchmesser des Feldemitters 51 etwa 5/100 bis 5/10 des Durchmessers des Elektronenstrahldurchgangsloches 61a (Fig. 6) beträgt, das in der Fokussierungselektrode 61 ausgebildet ist.

Wie es oben beschrieben wurde, können durch diesen Aufbau der Elektronenkanone der Arbeitsaufwand und die Kosten bei der Herstellung der Elektronenkanone verringert werden, da eine Steuerelektrode und eine Bildschirmelektrode der Triode nicht notwendig sind. Wie es in Fig. 13 weiterhin dargestellt ist, ist das Maß an Verkleinerung des Durchmessers des Elektronenstrahls nach Maßgabe einer Verkleinerung des Durchmessers des Feldemit­ ters wesentlich größer. Wenn beispielsweise der Durchmesser des Feldemitters auf 1mm festgelegt wird, dann kann der Durchmesser des Elektronenstrahls um 25% oder mehr verringert werden.

Da gemäß Fig. 14 weiterhin die oben beschriebene Elektro­ nenkanone keine Steuer- oder Bildschirmelektrode zur Bildung der Triode aufweist, tritt kein Übergreifen des elektrischen Feldes von der Bildschirmelektrode auf, was die Emissionsdichte des Elektronenstrahls gleichmäßig macht. Die Änderung im Durchmesser des Elektronenstrahls nach Maßgabe einer Änderung im Strom ist daher geringer und das Maß an Änderung des Durchmessers des Elektronenstrahls nach Maßgabe einer Stromänderung kann insbe­ sondere auf 30% verglichen mit einer herkömmlichen Elektronenka­ none beschränkt werden.

Claims (3)

1. Elektronenkanone für eine Farbkathodenstrahlröhre, ge­ kennzeichnet durch

• - eine Kathodenkonstruktion (50) mit einem Feldemitter (51) zum Aussenden eines Elektronenstrahls und
• - eine Fokussierungselektrode (61) und eine Endbeschleuni­ gungselektrode (62), die der Reihe nach ausgehend von der Katho­ denkonstruktion (50) angeordnet sind und eine Hauptelektronen­ linse zum Fokussieren des Elektronenstrahls bilden, der vom Feldemitter (51) der Kathodenkonstruktion (50) ausgegeben wird.

2. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spannung, die an der Endbeschleunigungselektrode (62) liegt, relativ höher als die Spannung ist, die an der Fo­ kussierungselektrode (61) liegt.

3. Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Durchmesser des Feldemitters (51) 5/100 bis 5/10 des Durchmessers eines Elektronenstrahldurchgangsloches (61a) beträgt, das in der Fokussierungselektrode (61) ausgebildet ist.