DE2054709A1

DE2054709A1 - Vorrichtung mit einer Elektronenstrahl rohre und Elektronenstrahlrohre zur Anwen dung in einer derartigen Vorrichtung

Info

Publication number: DE2054709A1
Application number: DE19702054709
Authority: DE
Inventors: Johannes Hendnkus Theodorus van Eindhoven Roosmalen (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-11-22
Filing date: 1970-11-06
Publication date: 1971-06-03
Also published as: US3659135A; NL6917641A; GB1271589A; AU2244270A; BE759247A; FR2069602A5

Description

PHN 4382

IHN- 4-382
5«Nov.1970

"Vorrichtung mit einer Elektronenstrahlröhre und Elektronenstrahlröhre zur Anwendung in einer derartigen Vorrichtung".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer Elektronenstrahlröhre, die ein drehsymmetrisches Elektronenstrahlerzeugungssystem enthält, in dem nacheinander eine Kathode mit einer flachen sich nahezu senkrecht zu der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems erstreckenden elektronenemittierenden Oberfläche, ein scheibenförmiges Steuergitter mit einer mittleren Steuergitteröffnung und ein scheibenförmiges Anodengitter mit einer mittleren kreiszylindrischen

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Anodengitteröffnung angeordnet sind, wobei das Steuergitter auf einem in bezug auf die Kathode negativen Potential, die Anode auf einem höheren in bezug auf die Kathode positiven Potential und der Raum auf der vom Steuergitter abgekehrten Seite des Anodengitters nahezu feldfrei gehalten wird.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Elektronenstrahlröhre zur Anwendung in einer derartigen Vorrichtung.

Bei den bekannten Vorrichtungen der erwähnten Art, wie z.B. Vorrichtungen mit Fernsehkameraröhren, Fernsehwiedergaberöhren oder Oszillographröhren, und Elektronenmikroskopen, ergeben sich Schwierigkeiten infolge von Linsenfehlern, wie z.B, das Auftreten eines ungünstig grossen Auftrefflecks und einer ungünstig grossen Stromträgheit in einer Fernsehaufnahmeröhre. Der Elektronenstrahl erhält bereits im Elektronenstrahlerzeugungssystem eine Struktur, die erheblich von der idealen Struktur abweicht, weil die durch die Kathode, das Steuergitter und das Anodengitter gebildete Linse im Erzeugungssystem soviel sphärische Aberrationen herbeiführt, dass sogar Elektronen, die mit der gleichen Anfangsgeschwindigkeit die emittierende Oberfläche der Kathode verlassen, die Achse des Erzeugungssystems an verhältnismäsaig weit voneinander entfernten Punkten schneiden.

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Bereit· bekannte Massnahmen zur Beschränkung der sphärischen Aberrationen im Elektronenstrahlerzeugungssystem, wie z.B. —■ vereinzelt oder kombiniert das Verformen des Anodengitters zur Beseitigung seiner Linsenfehler, die Anbringung zusätzlicher Elektroden zwischen der Kathode und dem Anodengitter und die Anbringung einer sphärischen emittierenden Oberfläche, z.B. mit einem Krümmungsradius, der sich als Funktion des radialen Abstandes von der Achse ändert, so dass die Krümmung mit zunehmendem radialem Abstand von der Achse abnimmt, sind weniger zweckmässig und/oder weniger einfach verwirklichbar als wünschenswert wäre.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der im ersten Absatz erwähnten Art zu schaffen, mit der die erwähnten Nachteile behoben werden.

Nach der Erfindung enthält in einer Vorrichtung der im ersten Absatz erwähnten Art die Kathode einen ersten leitenden Kreiszylinder, aus dessen Basis ein zweiter leitender Kreiszylinder hervorragt, dessen Basis die emittierende Oberfläche bildet, während die Steuergitteröffnung auf der Seite des Anodengitters einen kreiszylindrischen Teil und auf der Seite der Kathode einen sich in Richtung auf den kreiszylindrischen Teil verjüngenden kegeligen Teil aufweist, wobei die Wand dieses kegeligen Teiles nahezu einen Winkel ' von '»5° mit der Achse des Elektronenstrahlerzeugurigs-

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systems einschliesst, und wobei der Durchmesser'des erwähnten ersten leitenden Kreiszylinders und der Durch-

I ■ messer des erwähnten kreiszylindrischen Teiles nahezu

sechsmal grosser, der Durchmesser der Anodengitteröffnung nahezu viermal grosser, die Länge des erwähnten

i zweiten leitenden Zylinders nahezu zweimal grosser, der Abstand zwischen der emittierenden Oberfläche und dem erwähnten kreiszylindrischen Teil und die axiale Länge des erwähnten kreiezylindrischen Teiles nahezu gleich gross, die axiale Länge des erwähnten kegeligen Teiles mindestens nahezu gleich gross und dar Abstand zwischen dem Steuergitter und dem Anodengitter nahezu anderthalbmal grosser als der Durchmesser der emittierenden Oberfläche sind, während das Anodenpotential nahezu gleich dem h_f 5-fachen des Steuergitterpotentials ist.

In dieser Vorrichtung mit der erwähnten Konfiguration und den erwähnten Potentialen der Elektroden des Elektronenstrahlerzeugungssystems, welche Konfiguration und welche Potentiale nach mehereren Berechnungen dadurch gefunden sind, dass, ausgehend von einer bekannten Konfiguration mit optimalen Potentialwerten, die Konfiguration und die Potentiale immer wieder zur Herabsetzung der sphärischen Aberrationen abgeändert werden, sind im Elektronenstrahlerzeugungssystem nahezu keine sphärischen Aberrationen mehr vor-

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handen.

Bei einer hohen Anodenspannung, z.B. bei einer Spannung des Anodengitters in bezug auf die Kathode von 300 V, wird ein namentlich bei einem Elektronenmikroskop gewünschter besonders kleiner Strahlknoten (cross-over) erhalten, weil der Einfluss der Streuung infolge thermischer Geschwindigkeiten der Elektronen bei diesem hohen Potential gering ist.

Bei niedrigeren Anodenspannungen, z.B. bei einer Spannung des Anodengitters in bezug auf die Kathode von 10 V, gelangen die die Kathode verlassenden Elektronen mit der gleichen Energie, aber unter verschiedenen Winkeln zu der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems, besonders scharf definiert an die Stelle des Strahlknotens (cross-over).

Mit Hilfe einer an der Stelle des Strahlknotens (cross-over) angeordneten Blende mit einer verhältnismässlg grossen Blendenöffnung, die z.B. Radialabmessungen in der Grössenordnung des Durchmessers der emittierenden Oberfläche aufweist, kann dann eine besonders günstige Auswahl von Elektronen mit geringer Quergeschwindigkeit erhalten werden, während die Elektronen nun ausserdem auf angemessene Weise nach Axialgeschwindigkeiten ausgewählt werden können, was namentlich bei einer Fernsehaufnahraeröhre zum Erhalten eines besonders kleinen Auftrefflecks

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und einer besonders geringen Strahistromträgheit sehr günstig sein kann. Die Erfindung bezieht sich daher insbesondere auf eine Vorrichtung der obenbeschriebene Art, bei der an der Stelle des Strahlknotens (cirossover) eine Blende vorgesehen ist.

Die Erfindung bezieht aLch weiterhin auf eine Elektronenstrahlröhre zur Anwendung in einer Vorrichtung der obenbeschriebenen Art. Die Elektronenstrahlröhre enthält ein drehsymmetrisches Elektronenstrahlerzeugungssystem, in dem sich nacheinander eine Kathode mit einer flachen sich nahezu senkrecht asu der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems erstreckenden elektronenemittierenden Oberfläche, ein scheibenförmiges Steuergitter mit einer mittleren Steuergitteröffnung und ein scheibenförmiges Anodengitter mit einer mittleren kreiszylindrischen Anodengitteröffnung befinden, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einen ersten leitenden Kreiszylinder enthält, aus dessen Basis ein zweiter leitender Kreiszylinder hervorragt, dessen Basis die emittierenden Oberfläche bildet, während die Steuergitteröffnung auf der Seite des Anodengitters einen kreiszylindrischen Teil und auf der Seite der Kathode einen sich in Richtung auf den kreiszylindrischen Teil verjüngenden kegeligen Teil aufweist, wobei die Wand dieses kegeligen Teiles nahezu einen Winkel von k5° mit der Achse des Elektronenstrahler-

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zeugungssysteins einschliesst, und wobei der Durchmesser des erwähnten ersten leitenden Kreiszylinders und der Durchmesser des erwähnten kreiszylindrischen Teiles nahezu sechsmal grosser, der Durchmesser der Anodengitteröffnung nahezu viermal grosser, die Länge des erwähnten zweiten leitenden Zylinders nahezu zweimal grosser, der Abstand zwischen der emittierenden Oberfläche und dem erwähnten kreiszylindrischen Teil und die Axiallänge des erwähnten kreiszylindrischen Teiles nahezu gleich gross, die Axiallänge des erwähnten kegeligen Teiles mindestens nahezu gleich gross und der Abstand zwischen dem Steuergitter und dem Anodengitter nahezu anderthalbmal grosser als der Durchmesser der emittierenden Oberfläche sind.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Elektrodenkonfiguration eines Elektronenstrahlerzeugungssystems in einer Elektronenstrahlröhre einer bekannten Vorrichtung in einem Schnitt durch die Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems;

Fig. 2 das Potentialfeld und Elektronenbahnen für Elektronen, die ohne Anfangsgeschwindigkeit die elektronenemittierende Oberfläche verlassen, in der bekannten Vorrichtung nach Fig. 1 in der Hälfte

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des gezeigten Schnittes;

Fig. 3 die Elektrodenkonfiguration des Elektronenstrahlerzeugungseystems in der Elektronenstrahlröhre in einer Vorrichtung nach der Erfindung in einem Schnitt durch die Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems;

Fig. k das Potentialfeld und Elektronenbahnen für Elektronen, die ohne Anfangsgeschwindigkeit die elektronenemittierende Oberfläche verlassen, in der Vorrichtung nach Fig. 3 in der Hälfte des in dieser Figur gezeigten Schnittes;

Figuren 5 und 6 die gleiche Elektrodenkonfiguration und das gleiche Potentialfeld wie Fig. k mit Elektronenbahnen für Elektronen, die mit einer Anfangsgeschwindigkeit ±n der Zeichnungsebene die emittierende Oberfläche verlassen, unter verschiedenen Winkeln zu der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems.

In der bekannten Konfiguration eines Elektronenstrahlerzeugungesystems nach Fig. 1 weist eine Kathode 1 eine emittierende Oberfläche 2 auf, die sich senkrecht zu der Achse 3 des Elektronenstrahlerzeugungssystems erstreckt. Der emittierenden Oberfläche 2 gegenüber befindet sich das scheibenförmige Steuergitter k, vor dem das scheibenförmige Anodengitter 5 liegt, las mit dem leitenden Anodenzylinder 6 ein Ganzes bildet, der dafür sorgt, dass der Raum auf der von dem Steuer-

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gitter abgekehrten Seite feldfrei gehalten wird. Das Steuergitter weist eine kreiszylindrische Oeffnung 7 und das Anodengitter weist eine kreiszylindrische Oeffnung 8 auf. Die in der Figur mit grossen Buchstaben bezeichneten Abmessungen haben die nachstehenden Werte! A (Durchmesser der Steuergitteröffnung 7) = 600 /um B (Durchmesser der Anodengitteröffnung 8) = 400 /um C (Abstand zwischen der emittierenden Oberfläche 2 und der Steuergitteröffnung 7) =100 /um D (Axiallänge der Steuergitteröffnung) = 100 /um E (Abstand zwischen der Steuergitteröffnung

7 und der Anodengitteröffnung 8) =150 /um F (Axiallänge der Anodengitteröffnung 8) = 200 /um, In diesem bekannten Elektronenstrahlerzeugungssystem werden die Spannungen z.B. derart gewählt, dass die negative Steuergitterspannung V„, d.h. die Spannung des Steuergitters in bezug auf die Kathode, nahezu drei Zehntel der positiven Anodenspannung V., d.h. die Spannung des Anodengitters in bezug auf die Kathode, beträgt. Bei Aenderung des Verhältnisses der Elektrodenspannungen ändert sich die Linsenstärke beträchtlich, aber es gibt kein Spannungsverhältnis, bei dem die sphärischen Aberrationen wesentlich unbedeutender als bei diesem Spannungsverhältnis sind.

In Fig. 2 ist das elektrostatische Feld im FJlektronenetrahlerzeugungssystem nach Fig. 1 für die

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folgenden Elektrodenspannungen angegeben:

v_G „ -3 ν

V. = 10 V.
A

Das Potentialfeld wird durch die Aequipotentiallinien angegeben, wobei die Potentialwerte in V eingeklammert dargestellt sind. Bei der Berechnung wird angenommen, dass 9 die abschliessende Aequipotentialebene ist und dass längs 10 und 11 die Potentiale linear zunehmen. Zur Veranschaulichung der sphärischen Aberrationen zeigt die Figur Elektronenbahnen, die sich von der emittierenden Oberfläche 2 zu der Ebene 9 erstrecken. Dies sind Bahnen für Elektronen, die mit einer Anfangsgeschwindigkeit O die emittierenden Oberfläche verlassen. Wie in der Figur dargestellt ist, schneiden diese Bahnen die Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems an weit voneinander entfernten Punkten.

Es sei bemerkt, dass in dieser Figur , wie in den Figuren k, 5 und 6, die Elektronenbahnen, nachdem sie die Achse gekreuzt haben, in bezug auf die Achse eine spiegel symmetrische Lage einnehmen.

In der Konfiguration eines drehsymmetrisehen Elektronenetrahlerzeugungssystems einer erfindungagemässen Vorrichtung nach Fig„ 3 besteht der Kathodenkörper aus einem leitenden Kreiezylinder 12, aus dessen Basis 13 ein zweiter leitender Kreiezylinder lU

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hervorragt, dessen Basis die emittierende Oberfläche 15 bildet. Das Steuergitter 16 besitzt eine Steuergitteröffnung, die einen kreiszylindrisehen Teil 17 und einen sich verjüngenden kegeligen Teil 18 aufweist_o Die Wand 19 des kegeligen Teiles 18 schliesst einen Winkel von 45° mit der Achse 20 des Elektronenstrahlerzeugungssystems ein. Das scheibenförmige Anodengitter 21 bildet ein Ganzes mit dem Anodenzylinder 22 und weist eine kreiszylindrische Oeffnung 23 auf.

Die Abmessungen haben folgende Werte:

G (Durchmesser der emittierenden Oberfläche 15) = 100 /um H (Durchmesser des Zylinders 12) = 6G = 600 /um J (Durchmesser des kreiszylindrischen Teiles 17
der Oeffnung im Steuergitter)
J (Durchmesser der Anoden-

gitteröffnung 23)
K (Länge des Zylinders 14)
L (Abstand zwischen der emittierenden Oberfläche 15 und
dem kreiszylindrischen Teil
17 der Oeffnung im Steuergitter 16) = G = 100 ,um M (Axiallänge des kreiszylin-

drischen Teiles 17 der Oeffnung

im Steuergitter 16) = G =100 /um

1 0 9 ¹J ?. 3 / 1 6 5 3

= 6g	= 600 /um
= 4g	= 400 /um
= 2G	= 200 /um

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N (Abstand zwischen dem

Steuergitter 16 und dem

Anodengitter 21) = (3/2) G = 150 /um

0 (Axiallänge der Anodengitter-

öffnung 23) = 200 /um

Beim Betrieb wird ein Anodenpotential V. angelegt, das nahezu gleich dem 4,5-fachen der negativen Steuergitterspannung Vp ist, z.B. ein Anodenpotential V= 10 V und ein Steuergitterpotential V_G = -2,2 V, wobei das in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellte Ergebnis erzielt wird.

Wie Fig. 2 im bekannten Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Fig. 1, zeigt Fig. 4 im Elektronenstrahlerzeugungssystem nach Fig. 3 das Potentialfeld und Elektronenbahnen für Elektronen, die mit einer Anfangsgeschwindigkeit 0 die emittierende Oberfläche verlassen. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind die Spannungen V = -2,2 V und V = -10 V. 24 bezeichnet eine abschliessende Aequipotentialebene und es wird angenommen, dass längs 25 und 26 Spannungen linear zunehmen. Die dargestellten Elektronenbahnen schneiden in diesem Falle die Achse 20 des Elektronenstrahlerzeugungssystems nahezu an dem gleichen Punkt.

Figuren 5 und 6 zeigen das gleiche Bild wie Fig. 4, während in diesen Figuren Elektronenbahnen für Elektronen dargestellt sind, die mit einer Anfangs-

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geschwindigkeit entsprechend 0,2 eV die emittierende Oberfläche unter verschiedenen Winkeln Oi zu der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems verlassen. In Fig. 5 handelt es sich um Bahnen für Elektronen, die eine Anfangsgeschwindigkeit mit einer in der Figur nach oben gerichteten Komponente haben. In Fig. 6 handelt es sich um Bahnen für Elektronen, die eine Anfangsgeschwindigkeit mit einer in der Figur nach unten gerichteten Komponente aufweisen. In den Figuren sind Bahnen für <* = 6o°, (X = 45°, ,/ = 30°, p< = 15° und O^ = 0° dargestellt. Für einen gleichen Wert οζ schneiden die Elektronenbahnen die Ebene Zh nahezu in einem gleichen Punkt. Die Figuren zeigen einzelne Auftreffstellen für verschiedene, Werte von O^ , wodurch eine besonders günstige Auswahl mit Hilfe einer Blende erssielbar ist.

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Claims

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Patentansprüche;

1/. Vorrichtung mit einer Elektronenstrahlröhre, welche Elektronenstrahlröhre ein drehsymmetrischee Elektronenstrahlerzeugungesystem enthält» in dem sich nacheinander eine Kathode mit einer {.flachen sich nahezu senkrecht zu der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystem erstreckenden elektronenemittierenden Oberfläche, ein scheibenförmiges Steuergitter mit einer mittleren Steuergitteröffnung und ein scheibenförmiges Anodengitter mit einer mittleren kreiszylindrischen Anodengitteröffnung befinden, wobei das Steuergitter auf einem in bezug auf die Kathode negativen Potential, die Anode auf einem höheren in bezug auf die Kathode positiven Potential und der Raum auf der von dem Steuergitter abgekehrten Seite des Anodengitters nahezu feldfrei gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einen ersten leitenden Kreiszylinder enthält, aus dessen Basis ein zweiter leitender Kreiszylinder hervorragt, dessen Basis die emittierende Oberfläche bildet, während die Steuergitteröffnung auf der Seite des Anodengitters einen kreiszylindrischen Teil und auf der Seite der Kathode einen sich in Richtung auf den kreiszylindrischen Teil verjüngenden kegeligen Teil aufweist, wobei die Wand dieses kegeligen Teiles nahezu einen Winkel von k5° mit der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystem einschliesst und wo-

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bei der Durchmesser dos erwähnten ersten leitenden Kreiszylinders und der Durchmesser des erwähnten kreiszylindrischen Teiles nahezu sechsmal grosser, der Durchmesser der Anodengitteröffnung nahezu viermal grosser, die Länge des erwähnten zweiten leitenden Zylinders nahezu zweimal grosser, der Abstand zwischen der emittierenden Oberfläche und dem erwähnten kreiszylindrischen Teil und die Axiallänge des erwähnten kreiszylindrischen Teiles nahezu gleich gross, die Axiallänge des erwähnten kegeligen Teiles mindestens nahezu gleich gross und der Abstand zwischen dem Steuergitter und dem Anodengitter nahezu anderthalbmal grosser als der Durchmesser der emittierenden Oberfläche sind, während das Anodenpotential nahezu gleich dem 4,5-fachen des Steuergitterpotentials ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nahezu an der Stelle des Strahlknotens (cross-over) des in der Elektronenstrahlröhre erzeugten Elektronenstrahls eine Blende angebracht ist.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende eine Oeffnung besitzt, deren Radialabmessungen in der GrossenOrdnung des Durchmessers der emittierenden Oberfläche liegen. k. Elektronenstrahlröhre zur Anwendung in einer Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3» die ein

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drehsymmetrisches Elektronenstrahlerzeugungssys!tem enthält, in dem sich nacheinander eine Kathode jralt ei-

i ner flachen sich nahezu senkrecht zu der Achse des

Elektronenstrahlerzeugungssystems erstreckender} elektronenemittierenden Oberfläche, ein scheibenförtoiiges Steuergitter mit einer mittleren Steuergitteröffnung und ein scheibenförmiges Anodengitter mit einer mittleren kreiszylindrischen Anodengitteröffnung befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einen ersten leitenden Kreiszylinder enthält, aus dessen Basis ein zweiter leitender Kreiszylinder hervorragt, dessen Basis die emittierenden Oberfläche bildet, während die Steuergitteröffnung auf der Seite des Anodengitters einen kreiszylindriechen Teil und auf der Seite der Kathode einen sich in Richtung auf den kreiszylindrischen Teil verjüngenden kegeligen Teil aufweist, wobei die Wand dieses kegeligen Teiles nahezu einen Winkel von 45° mit der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems einschliesst, und wobei der Durchmesser des erwähnten ersten leitenden Kreiszylinderο und der Durchmesser des erwähnten kreiszylindriachen Teiles nahezu sechsmal grosser, der Durchmesser der Anodengitteröffnung nahezu viermal grosser, die Länge des erwähnten zweiten leitenden Zylinders nahezu zweimal grosser, der Abstand zwischen der emittierenden Oberfläche und dem erwähnten kreiszylindriachen Teil und

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die Axiallänge des erwähnten kreiszylindrischen Teiles nahezu gleichgross, die Axiallänge des erwähnten kegeligen Teiles mindestens nahezu gleich gross und der
Abstand zwischen dem Steuergitter und dem Anodengitter nahezu anderthalbmal grosser als der Durchmesser der
emittierenden Oberfläche sind.

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