DE2226171A1 - ELECTRON CANNON - Google Patents
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Description
WATKINS-JOHNSON COMPANY, PaIo Alto, Kalif. (V.St.A.)WATKINS-JOHNSON COMPANY, PaIo Alto, Caliph. (V.St.A.)
Elektronenkanone.Electron gun.
Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden Anmeldung in den V.St.A. Ser.No. 149,445 vom 3. Juni 1971· beansprucht.For this registration, the priority is determined from the corresponding registration in the V.St.A. Ser.No. 149,445 of June 3, 1971 claimed.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenkanone, und zwar insbesondere auf eine solche mit einer laminaren Strömung, die einen kleinen Elektronenstrahl mit hoher Stromdichte erzeugt und eine minimale Leistung für Strahlbildung, Modulation und Ablenkung sowie eine minimale Baulänge der Kanone erfordert.The invention relates to an electron gun, and more particularly to one with a laminar one Flow that produces a small electron beam with high current density and minimal power for beam formation, Modulation and deflection as well as a minimal overall length of the cannon required.
Zur Zeit sind die Elektronenkanonen für Wiedergaberöhren oder grosse Strahllängen in einem feldfreien Bereich solche vom überkreuzungs- oder Bündelknotentyp. Dieser Kanonentyp ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Er besteht aus zwei grundsätzlichen Abschnitten, einem Strahlbildungsabschnitt, oft auch "Triodenabschnitt" genannt, und einem Fokussierungsabschnitt, in welchem der Strahl entweder elektrostatisch oder elektromagnetisch fokussiert wird.At the moment the electron guns for display tubes or long beam lengths are in a field-free area those of the crossover or bundle knot type. That type of cannon is shown schematically in FIG. It consists of two basic sections, a jet forming section, often also called "triode section", and a focusing section in which the beam is either focused electrostatically or electromagnetically.
Zu den Schlüsselelementen des Triodenabschnitts gehören die Kathode, das Gitter und die Beschleunigungselektrode. Die Kathode dient als Elektronenquelle und ist gewöhnlich eine indirekt beheizte ebene Fläche. Das GitterKey elements of the triode section include the cathode, grid, and accelerating electrode. The cathode serves as an electron source and is usually an indirectly heated flat surface. The grid
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oder die modulierende Elektrode ist üblicherweise ein Napf mit perforiertem Boden. Typischerweise ist die öffnungsfläche bedeutend kleiner als die Kathodenfläche. Die erste Anode oder Beschleunigungselektrode ist in der Regel ein Zylinder mit einer begrenzenden Öffnung. Die Arbeitsweise von überkreuzungs- oder Bündelknotenkanonen wurde in Veröffentlichungen verschiedener Verfasser ausführlich behandelt. Eine Beschreibung dieser Arbeitsweise wird von I.G.^faloff und E.W. Epstein in deren Veröffentlichung "Electron Optics in Television", McGraw-Hill Book Company, 1938 gegeben.or the modulating electrode is usually a perforated bottom well. Typically the opening area is significantly smaller than the cathode area. The first anode or accelerating electrode is usually a cylinder with a limiting opening. The operation of crossover or bundle knot guns has been published in publications various authors dealt with in detail. A description of this mode of operation is given by I.G. ^ faloff and E.W. Epstein in their publication "Electron Optics in Television", McGraw-Hill Book Company, 1938.
Der überkreuzungs- oder Bündelknotenkanone haften bestimmte systembedingte Nachteile und Beschränkungen an. Dazu gehört insbesondere eine nichtgleichförmige Kathodenaufladung infolge von Verschiedenheiten der GrÖsse der elektrischen Felder an verschiedenen Stellen der Kathodenoberfläche. Nichtgleichförmige Kathodenaufladung bedeutet, dass die Kathode sich heisser laufen muss als bei einer Kanone mit gleichförmiger Kathodenaufladung und hat eine kürzere Betriebslebensdauer zur Folge. Nichtgleichförmige Aufladung führt auch zur Bildung eines fokussierten Leuchtflecks mit nichtgleichförmiger HelligkeitsVerteilung. The crossover or bundle knot gun adhere certain systemic disadvantages and limitations. In particular, this includes non-uniform cathode charging as a result of differences in the size of the electric fields at different points on the cathode surface. Non-uniform cathode charge means that the cathode must run hotter than a cannon with uniform cathode charge and has a shorter service life as a result. Non-uniform charging leads also for the formation of a focused light spot with non-uniform brightness distribution.
Bei der Überkreuzungskanone kommen beträchtliche Veränderungen der Leuchtfleckgrösse bei Änderungen der Gittersteuerung vor. Es hat zur Folge, dass die Auflösung der Kanone bei niedrigen Strahlströmen am besten ist (geringe Helligkeit im Fall einer Kathodenstrahlröhre), da sie abnimmt, wenn der Strahlstrom (Helligkeit) zunimmt. Die Veränderungen der Leuchtfleckgrösse in Abhängigkeit von derIn the case of the crossover cannon, there are considerable changes in the size of the light spot when the grid control is changed before. As a result, the resolution of the cannon is best at low jet currents (low Brightness in the case of a cathode ray tube) since it decreases as the beam current (brightness) increases. The changes the size of the light spot as a function of the
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Gitteraussteuerung ergeben sich aus der Geometrie des Triodenabschnitts der Überkreuzungskanone3 die so beschaffen ist, dass Änderungen des Gitterpotentiali nicht nur die emittierte Stromdichte, sondern auch die Grosse der emittierenden Fläche verändern.Grid modulation results from the geometry of the triode section of the crossover gun 3, which is designed in such a way that changes in the grid potential change not only the emitted current density, but also the size of the emitting surface.
Räumlich grosse Längenabmessungen der Kanone sind erforderlich, um die Strahlvergrosserung möglichst klein zu halten, öffnungen, die eingefügt werden, um die Auflötung zu verbessern, führen wegen Abfangens des Strahls zu einer schlechten Stromausnützung.Spatially large length dimensions of the cannon are necessary in order to keep the beam enlargement as small as possible keep openings that will be inserted around the soldering improve, lead to poor current utilization because of the interception of the beam.
Eine andere Art von Elektronenkanonen, die eine- verbreitete Anwendung bei Elektronenröhren wie Wanderellenröhren und Klystrons gefunden hat, bedient sich einer Pierce-Elektrode. Die Kathode bei dieser Art von Elektronenkanonen arbeitet mit hoher Stromdichte und hohem Wirkungsgrad. ■ Diese Art von Kathoden bzw. Kanonen verwendet eine Kathode, die in dichtem Abstand von einer tellerförmigen Elektrode auf Nullpotential umgeben ist, und eine in einem Abstand von der Kathode befindliche.. und ihr gegenüberstehende Anode. Der Strahl hat praktisch seine Endgeschwindigkeit, wenn er die Anode verlässt. Wegen der hohen Stromdichte in dem Strahl erfolgt eine Raumladungsausbreitung. Längs des Strahlweges ist eine Pokussierungseinrichtung erforderlich. Da die hauptsächliche Beschleunigung des Strahls von der Anode ausgeht, besteht die einzige Steuerungsmöglichkeit des Strahlstromes praktisch in einer Steuerung der Anodenspannung. Infolgedessen haben die sogenanntenAnother type of electron gun that a- widespread Has found application in electron tubes such as traveling wave tubes and klystrons, uses a Pierce electrode. The cathode in this type of electron gun works with high current density and high efficiency. ■ This type of cathode or cannon uses a cathode that is closely spaced from a plate-shaped electrode is surrounded at zero potential, and one located at a distance from the cathode .. and facing it Anode. The jet has practically its final velocity when it leaves the anode. Because of the high current density space charge propagation occurs in the beam. A focusing device is required along the beam path. Since the main acceleration of the beam comes from the anode, there is only control of the beam current practically in a control of the anode voltage. As a result, the so-called
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Pierce-Kanonen keine Anwendung bei Kathodenstrahlröhren und davon abgeleiteten Anordnungen gefunden, welche einen niedrigen Strahlstrom, eine Steuerungsmöglichkeit für den Strahlstrom und eine Fokussierung auf einen Schirm, der sich am Ende eines feldfreien Bereichs befindet,er£or4«fB.Pierce guns found no application in cathode ray tubes and arrangements derived therefrom, which one low beam current, a control option for the beam current and a focus on a screen that is at the end of a field-free area, he £ or4 «fB.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Elektronenkanone zur Anwendung in Kathodenstrahlröhren, Kameraröhren, Speicherröhren, Elektronenbombardierungs-Halbleiteranordnungen und sonstigen Vorrichtungen mit Anwendung von Elektronenstrahlen zu schaffen. Die spzielle Aufgabe besteht darin, ein besseres elektronenoptisches System für eine Elektronenkanone zu schaffen, die einen Strahl von hoher Stromdichte mit kreisförmigen oder anderem Querschnitt bildet, der keine Fokussierung des Elektronenstrahls in dem feldfreien Bereich hinter der Kanone erfordert und den Strahl auf einen Punkt fokussiert, dessen Abstand hinter der Kanone in der Grössenordnung des Hundertfachen oder mehr des Strahldurchmessers am Fokussierungs· punkt liegt. Bei der Elektronenkathode sollen ferner die Stromdichtenverteilung quer zum Strahl gleichförmig sein. Die Elektronenkanone soll einen laminaren Elektronenstrom bilden, dessen Länge und Durchmesser kleiner sein kann als bei den vorhandenen Überkreuzungskanonen. Die Kanone soll einen verhältnismässig kleinen Leuchtfleck von konstanter Grosse bei Änderungen der Gittersteuerung projizieren. Schliesslich sollein besserer Wirkungsgrad erreicht werden, d.h. es soll praktisch der ganze KathodenstromThe invention is based on the object of an improved electron gun for use in cathode ray tubes, Camera tubes, storage tubes, electron bombardment semiconductor assemblies and other devices using electron beams to create. The special task is to find a better electron optical System for an electron gun to create a beam of high current density with circular or Another cross-section that does not focus the electron beam in the field-free area behind the Cannon requires and focuses the beam on a point, the distance behind the cannon in the order of magnitude of the 100 times or more the beam diameter is at the focussing point. In the case of the electron cathode, the Current density distribution across the beam must be uniform. The electron gun is said to produce a laminar flow of electrons form, the length and diameter of which can be smaller than the existing crossover cannons. The cannon is intended to project a relatively small light spot of constant size when the grid control changes. Ultimately, a better degree of efficiency should be achieved, i.e. practically the entire cathode current should be achieved
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am Schirm ankommen und die gesamte Kathodenfläche für die Emission ausgenutzt werden. Die elektrischen Feldlinien an der Kathode sollen gleichförmig und senkrecht zu dieser verlaufen, um eine gleichförmige Aufladung zu bewirken und hierdurch die Spitzenstromdichte an der Kathodenfläche für einen gegebenen Gesamtstrom im Strahl herabzusetzen und einen Strahl zu bilden, der keine sonstigen Quergeschwindigkeiten anderer Art als thermische Geschwindigkeiten aufweist. Kleine Gitterspannungen sollen genügen, um den Strahlstrom zu steuern.arrive at the screen and the entire cathode surface is used for the emission. The electric field lines at the cathode should be uniform and perpendicular to this in order to ensure uniform charging effect and thereby the peak current density at the cathode surface for a given total current in the beam reduce and form a jet that does not have any other transverse velocities other than thermal Having speeds. Small grid voltages should suffice to control the beam current.
Um dem zu entsprechen, wird erfindungsgemäss bei einer Elektronenkanone zur Bildung eines Elektronenstrahls die Elektronenquelle von einer Fläche der Kathode gebildet, die von einer mit Öffnungen versehenen Steuerelektrode umgeben ist, deren Oberfläche die Fortsetzung der Kathodenfläche bildet, und in einem Abstand von der Kathodenfläche und der Steuerelektrode ist eine mit Öffnungen versehene Anode angeordnet, die mit ihnen zusammenarbeitet, indem sie Elektronen an der Oberfläche beschleunigt und eine im wesentlichen gleichförmige laminare Elektronenströmung in einem Strahl von der Kathodenfläche gegen die Anode hin bildet; dabei bildet die Anode längs der Bahn des Strahles ein divergierendes Feld, und es sind zusätzliche Elektrodenanordnungen zum Auffangen und Beschleunigen des Strahls sowie zu seiner Fokussierung vorgesehen. Es handelt sich also um eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl mit laminarer Strömung erzeugt, eine Kathode zur Bildung von Elektronen aufweist, ferner eine tellerförmigeIn order to correspond to this, according to the invention at an electron gun for forming an electron beam, the electron source is formed from a surface of the cathode, which is surrounded by a control electrode provided with openings, the surface of which is the continuation of the cathode surface forms, and at a distance from the cathode surface and the control electrode is provided with openings Arranged anode that works with them by accelerating electrons on the surface and a substantially uniform laminar flow of electrons in a beam from the cathode surface towards the anode forms; the anode forms a diverging field along the path of the beam, and there are additional electrode arrangements intended to capture and accelerate the beam and to focus it. It is about So around an electron gun that generates an electron beam with laminar flow, a cathode for formation of electrons, furthermore a plate-shaped
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mit Öffnungen versehene Steuerelektrode, welche die Kathodenfläche umgibt und deren Fortsetzung bildet, eine zylindrische Anode, die sich längs ihrer Achse in einem Abstand von der Kathode befindet und deren eines Ende so gestaltet ist, dass es mit der Steuerlektrode zusammenwirkt, um ein praktisch gleichförmiges elektrisches Feld an und in der Nachbarschaft der Kathodenfläche zu erzeugen, um dadurch einen praktisch gleichförmigen Emissionsstrom aus der Kathodenfläche, eine laminare Strömung und ein Feld zu schaffen, das im Abstand von der Kathode längs des Strahlweges eine elektrostatische Linse bildet, und zusätzliche Elektroden längs des Strahlweges zum Auffangen des die Anode verlassenden Strahls sowie zum Fokussieren und Beschleunigen des Strahls.apertured control electrode covering the cathode surface surrounds and the continuation of which forms a cylindrical anode extending along its axis at a distance from the Cathode is located and one end of which is designed so that it interacts with the control electrode to provide a practical to generate a uniform electric field on and in the vicinity of the cathode surface, thereby practically creating a uniform emission current from the cathode surface to create a laminar flow and a field that Forms an electrostatic lens at a distance from the cathode along the beam path, and additional electrodes along the beam path to collect the beam leaving the anode and to focus and accelerate of the beam.
Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings, for example. Show it
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bereits bekannten überkreuzungs- oder Bündelknoten-Elektronenkanone ;1 is a schematic representation of a previously known crossover or bundle knot electron gun ;
Fig. 2 ein Kurvenbild des Intensitätswirkungsgrades J/JM als Funktion der Kathodenvergrosserung2 shows a graph of the intensity efficiency J / JM as a function of the cathode enlargement
2
M für dem Stand der Technik entsprechende .2
M for the state of the art.
Kanonen von der in Fig. 1 gezeigten Art; Fig. 3 ein Kurvenbild des Stromdichte-Wirkungsgrads J/JM als Funktion des StromwirkungsgradsCannons of the type shown in Figure 1; Figure 3 is a graph of current density efficiency J / JM as a function of electricity efficiency
ρ
JM /JQ für dem Stand der Technik entsprechende Kanonen der in Fig. 1 gezeigten Art;ρ
JM / J Q for prior art cannons of the type shown in Figure 1;
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Fig. H zeigt eine schematische Darstellung einer Kathodenstrahlröhre mit einer laminaren Elektronenkanone gemäss der Erfindung;Fig. H shows a schematic representation of a cathode ray tube with a laminar electron gun according to the invention;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Elektronenkanone von Fig. 4 in vergrössertem Maßstab;Fig. 5 is a sectional view of the electron gun of Fig. 4 on an enlarged scale;
Fig. 6 ist eine Darstellung der Kanone von Fig. 53 . bei welcher die den ÄquipotentialflächenFIG. 6 is an illustration of the cannon of FIG. 5 3 . at which the equipotential surfaces
entsprechenden Linien und der Elektronenstrahl eingezeichnet sind;corresponding lines and the electron beam are drawn;
Fig. 7 zeigt eine Kanone gemäss der Erfindung mit magnetischer Fokussierungseinrichtung;7 shows a cannon according to the invention with a magnetic focusing device;
Fig. 8 ist ein Kurvenbild, das den Kathodenstrom in Mikroampere als Funktion der negativen Gitterspannung in Volt darstellt;Figure 8 is a graph showing cathode current in microamps as a function of negative grid voltage represents in volts;
Fig. 9 ist ein Kurvenbild, das die Leuchtfleckgrösse, in Zoll gemessen, als Funktion des Stromes im Elektronenstrahl, gemessen in Mikroampere, für eine Elektronenkanone gemäss der Erfindung zeigt.Fig. 9 is a graph showing the spot size, measured in inches, as a function of the current in the electron beam, measured in microamps, for an electron gun according to the invention.
Die in Fig. 1 dargestellte, dem Stand der Technik entsprechende überkreuzungs- oder Bündelknoten-Elektronenkanone enthält einen Triodenabschnitt 11 mit einer beheizten Kathode 12, deren emittierende Oberfläche mit 13 bezeichnet ist. Eine mit einer öffnung versehene napfförmige Steuerelektrode lh ist vor der Kathodenfläche 13 angeordnet. Eine erste Anode 16 dient zur Beschleunigung der Elektronen und bildet das letzte Bauelement des Triodenabschnitts 11. Die Anode 16 weist strombegrenzende öffnungen 17 und 18The prior art crossover or bundle-knot electron gun shown in FIG. 1 contains a triode section 11 with a heated cathode 12, the emitting surface of which is denoted by 13. An apertured cup-shaped control electrode lh is arranged in front of the cathode surface. 13 A first anode 16 serves to accelerate the electrons and forms the last component of the triode section 11. The anode 16 has current-limiting openings 17 and 18
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auf. Der Fokussierungsabschnitt umfasst eine zweite oder Fokussierungselektrode 19 längs des Strahlweges und in einem Abstand von diesem. Die Anode weist eine strombegrenzende öffnung 21 auf. Die Wirkung des Triodenabschnitts besteht darin, die die Kathodenfläche verlassenden Elektronen an einem Punkt 22 zu fokussieren, von wo aus die Elektronen sich ausbreiten, durch die begrenzenden öffnungen 17, 18 und 21 teilweise aufgefangen werden und für das Auftreffen auf einem Schirm 23 fokussiert werden. In bekannter Weise kann der Fokussierungsabschnitt auch magnetische Einrichtungen statt elektrostatischer Einrichtungen aufweisen. Ablenkvorrichtungen sind nicht gezeigt.on. The focusing section comprises a second or Focusing electrode 19 along the beam path and at a distance from it. The anode has a current limiting opening 21. The effect of the triode section is to attract the electrons leaving the cathode surface to focus a point 22, from where the electrons propagate, through the delimiting openings 17, 18 and 21 are partially captured and focused on a screen 23 for impingement. In a familiar way For example, the focusing section may also have magnetic devices instead of electrostatic devices. Deflectors are not shown.
Die Gitterspannung e , die Beschleunigungsspannung e, und die Fokussierungsspannung ep werden an die Elektroden angelegt. Die Mängel und Beschränkungen dieser Art von Elektronenkanonen wurden bereits früher beschrieben. Die Fig. 2 und 3 zeigen den Intensitätswirkungsgrad als Funktion des Stromwirkungsgrades für eine Überkreuzungskanone nach Fig. 1. ■ .The grid voltage e, the accelerating voltage e, and the focusing voltage ep are applied to the electrodes created. The shortcomings and limitations of this type of electron gun have been described earlier. the Figures 2 and 3 show the intensity efficiency as a function of the current efficiency for a crossover gun Fig. 1. ■.
Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine Kathodenstrahlröhe 31 und eine Elektronenkanone 32 gemäss der Erfindung. Die so verbesserte Elektronenkanone kann auch in Kameraröhren, Speicherröhren, Strahl-Halbleitervorrichtungen sowie für andere Anwendungen benutzt werden, bei denen ein scharf fokussierter Elektronenstrahl mit hohem Wirkungsgrad und hohem Strom erforderlich ist.Figs. 4, 5 and 6 show a cathode ray tube 31 and an electron gun 32 according to the invention. The electron gun improved in this way can also be used in camera tubes, storage tubes, Beam semiconductor devices as well as other applications where a sharply focused Electron beam with high efficiency and high current is required.
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Die als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Elektronenkanone besitzt eine indirekt beheizte Kathode 33, zu deren Beheizung ein in dem napfförmigen rückwärtigen Teil der Kathode angeordnetes Widerstandsheizelement vorgesehen ist. Eine kleine emittierende Kathodenfläche 35 befindet sich am Ende des VorSprungs 36,durch das eine Fläche von vorbestimmter Grosse definiert wird. Eine Elektrode 37 mit einer öffnung 38 umgibt den Kathodenvorsprung 36 mit Abstand von diesem. Die tellerförmige Fläche 39 der Elektrode 37 befindet sich in der Nachbarschaft der Kathodenfläche 35 und wirkt mit dieser zusammen. Eine Anode 41 ist vor der Kathodenfläche 35 und der Elektrodenfläche 39 angeordnet. Die Anode 4l kann ein Zylinder mit einem Rand oder einer Lippe 42 sein. Dieser Rand bzw. die Lippe 42 wirkt mit der Kathode und der Elektrode zusammen bei der Bildung eines praktisch gleichförmigen elektrischen Feldes 43, Fig. 6, vor allen Stellen der emittierenden Fläche 35 der Kathode, so dass die Elektronen gleichförmig und im wesentlichen senkrecht zur Fläche der Kathode emittiert werden und einen laminaren Strahl bilden. Die Elektrode 41 bildet auch eine elektrostatische Linse, die durch die Feldlinien 44 angegeben, so dass der die Kathode verlassende Strahl defokussiert oder entbündelt wird. Gemäss der Erfindung ist die Linse eine Divergenzlinse, so dass der Strahl 46 bei seinem Eintritt in den Fokussierungsabschnitt aufgeweitet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt eine zweite Anode 47 mit der ersten zur Bildung einer Konvergenzlinse zusammen, welche die Strahlfeldlinien 48 konvergiert.The electron gun shown as an embodiment of the invention has an indirectly heated cathode 33, to heat them in the cup-shaped rear Part of the cathode arranged resistance heating element is provided. A small emitting cathode area 35 is at the end of the projection 36, through the one Area of predetermined size is defined. One electrode 37 with an opening 38 also surrounds the cathode projection 36 Distance from this. The plate-shaped surface 39 of the electrode 37 is located in the vicinity of the cathode surface 35 and cooperates with it. An anode 41 is arranged in front of the cathode surface 35 and the electrode surface 39. The anode 4l can be a cylinder with a rim or a Be lip 42. This edge or lip 42 cooperates with the cathode and electrode in forming one practically uniform electric field 43, Fig. 6, in front of all points of the emitting surface 35 of the cathode, so that the electrons are uniform and substantially are emitted perpendicular to the surface of the cathode and form a laminar beam. The electrode 41 forms also an electrostatic lens, indicated by the field lines 44, so that the beam exiting the cathode defocused or unbundled. According to the invention the lens is a divergence lens so that the beam 46 is expanded upon entering the focusing section will. In the illustrated embodiment, a second anode 47 acts with the first to form a convergence lens together, which converges the beam field lines 48.
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Der Strahl läuft dann In den Bereich, in dem sich die leitende Fläche 49 auf der Innenseite der Kathodenstrahlröhre befindet. Es ist dies praktisch eine dritte Elektrode, die das Endbeschleunigungsfeld, die letzte Sammellinse 5o, und einen feldfreien Bereich für den Strahl zu dessen Leitung und Fokussierung auf den Schirm 51 der Kathodenstrahlröhre bildet.The beam then runs into the area in which the conductive surface 49 is on the inside of the cathode ray tube is located. It is practically a third electrode, the final field of acceleration, the last converging lens 5o, and a field-free area for the beam to guide and focus on the screen 51 of the cathode ray tube forms.
Wenn einmal der Elektronenstrahl die letzte Anode verlässt, steht er nicht unter dem Einfluss irgendwelcher Fokussierungskräfte. Jedoch gibt es Effekte, die den Strahl aufzuweiten oder zu entbündeln suchen wie z.B. Raumladungsrepulsionskräfte, thermische Quergeschwindigkeiten und Quergeschwindigkeiten infolge von Aberrationen und/oder Kanonen-Assimetrie. Es ist typisch, dass der Strahldurchmesser durch die Divergenzlinse der Anode 51 gegenüber seinem ursprünglichen Durchmesser (gleich demjenigen der Kathode) vergrössert werden muss, so dass er anschliessend durch die Fokussierungsfeider auf den Schirm mit dem gleichen oder sogar einem kleineren Durchmesser als dem der Kathode fokussiert werden kann. Im Gegensatz zu einer Pierce-Kanone hat der Strahl nicht seine Endgeschwindigkeit bis er die Kanonenanordnung verlasst. Infolgedessen ist es möglich, die Emission aus der Kathode (Strahlstrom) zu steuern.Once the electron beam leaves the last anode, it is not under the influence of any Focusing forces. However, there are effects that widen or unbundle the beam, such as space charge repulsion forces, thermal transverse velocities and transverse velocities due to aberrations and / or gun assimetry. It is typical that the beam diameter is through the divergence lens of the anode 51 is enlarged compared to its original diameter (equal to that of the cathode) must be so that it can then be through the focusing field on the screen with the same or even a diameter smaller than that of the cathode can be focused. Unlike a Pierce cannon the jet does not have its final velocity until it leaves the gun assembly. As a result, it is possible control the emission from the cathode (beam current).
Die Kathode 33 wird am einen Ende des feuerfesten Zylinders 55 gehalten, der als Hitzeschild wirkt. Das andere Ende des Zylinders wird von einem Halter 52 getragen, der mit Haltescheiben 53 versehen ist. Diese tragen wiederumThe cathode 33 is held at one end of the refractory cylinder 55, which acts as a heat shield. That the other end of the cylinder is carried by a holder 52 which is provided with holding washers 53. These in turn wear
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keramische Scheibe 54, die von der Umhüllung der Röhre getragen werden und durch die Haltescheiben zwecks Halterung der Kathode hindurchgehen. Die Elektrode 37, die Anode 1Il und die Anode 47 weisen Scheiben 56, 57 und 58 auf, die ebenfalls mit den keramischen Stiften im Eingriff stehen, welche die Kanonenanordnung in der Umhüllung zusammen mit den.verschiedenen Bauelementen ausgerichtet tragen.ceramic disks 54 carried by the envelope of the tube and passing through the retaining disks to hold the cathode. The electrode 37, the anode 1 Il and the anode 47 have discs 56, 57 and 58 which are also connected to the ceramic pins engage, which carry the gun assembly aligned in the envelope together with den.verschiedenen components.
In Fig. 5 sind Längen, Durchmesser und Abstände der verschiedenen Elektroden sowie die angelegten Spannungen angegeben. Die Gitterspannung e , die Anodenspannung e., die Fokussierungselektrodenspannung e« und die Beschleunigungsspannung e, sind zwischen Kathode 33 und Gitter 37, Anode 4l, Fokussierungselektrode 47 und Beschleunigungselektrode 48 angelegt. Der Neigungswinkel der tellerförmigen Elektrode ist mit 0, und der Neigungswinkel der Lippe.oder des Randes 42 der Anode 41 mit CL bezeichnet, beide gemessen von einer jeweils zur Achse der Röhre senkrechten Linie aus. Der Abstand zwischen dem Boden des Gitters 37 in der Nachbarschaft der öffnung 38 und der Kathodenoberfläche hat die Bezeichnung d,. Der Abstand zwischen dem Boden des Gitters 37 und dem Ende der Lippe 42 ist mit dp bezeichnet. Der Abstand zwischen der Anode 4l und der Elektrode 47 ist d,. Der Durchmesser der Kathode ist mit D, und derjenige der öffnung 35 des tellerförmigen Gitters mit Dp bezeichnet. Der Durchmesser der öffnung in der Lippe 42 heisst D, und der Durchmesser des zylindrischen Teils der Anode 4l und der Elektrode 47 D1.. Der Durchmesser der Endbeschleunigungselektrode, die auch durch den leitenden Belag auf5 shows the lengths, diameters and spacings of the various electrodes and the voltages applied. The grid voltage e, the anode voltage e., The focusing electrode voltage e «and the acceleration voltage e are applied between cathode 33 and grid 37, anode 41, focusing electrode 47 and acceleration electrode 48. The angle of inclination of the plate-shaped electrode is denoted by 0 and the angle of inclination of the lip or edge 42 of the anode 41 is denoted by CL, both measured from a line perpendicular to the axis of the tube. The distance between the bottom of the grid 37 in the vicinity of the opening 38 and the cathode surface has the designation d i. The distance between the bottom of the grid 37 and the end of the lip 42 is denoted by dp. The distance between the anode 4l and the electrode 47 is d 1. The diameter of the cathode is denoted by D, and that of the opening 35 of the plate-shaped grid is denoted by Dp. The diameter of the opening in the lip 42 is called D, and the diameter of the cylindrical part of the anode 4l and the electrode 47 is D 1 .. The diameter of the final acceleration electrode, which is also due to the conductive coating
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der Innenseite der Kathodenstrahlröhre gebildet sein kann, ist mit Dj. bezeichnet. Die Längen der Anode 1Il und der Elektrode 47 sind 1. bzw. Ip. Die Gesamtlänge der Kanone jenseits des Endes der Kathodenfläche beträgt 1, und die Länge des feldfreien Bereichs K.the inside of the cathode ray tube can be formed with Dj. designated. The lengths of the anode 1 Il and the electrode 47 are 1 or Ip. The total length of the cannon beyond the end of the cathode face is 1, and the length of the field-free area is K.
Die elektronenoptische Ausbildung einer solchen Elektronenkanone ist folgende. Die in Fig. 5 gezeigten Winkel 0, und CL sowie der Abstand d. und die Kathodenkrümmung werden so gewählt, dass die Elektronen die Oberfläche der Kathode auf praktisch parallelen Bahnen (d.h. in einem laminarem Strom) senkrecht zur Oberfläche verlassen, Die Spannungen und Formgebungen werden so gewählt, dass die Äquipotentialflächen im wesentlichen parallel verlaufen, dass der Gradient des elektrischen Feldes in der Nachbarschaft der Kathodenoberfläche praktisch senkrecht zu dieser verläuft und dass die Felder in der Nachbarschaft der Lippe 42 eine Divergenzlinse bilden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Abstände, Winkel, Spannungen und der Durchmesser D, der Lippe 42 derart gewählt und aufeinander abgestimmt werden, dass der Abgangswinkel des Strahls an der Kathode entsprechend gesteuert wird.The electron-optical design of such an electron gun is as follows. Those shown in FIG Angle 0, and CL as well as the distance d. and the cathode curvature are chosen so that the electrons hit the surface of the cathode on practically parallel paths (i.e. in a laminar flow) perpendicular to the surface, the tensions and shapes are chosen so that the equipotential surfaces are essentially parallel to that of the gradient of the electric field in the neighborhood the cathode surface is practically perpendicular to this and that the fields are in the vicinity of the lip 42 form a divergence lens. This is achieved by changing the distances, angles, tensions and the diameter D, the lip 42 are selected and matched to one another in such a way that the angle of departure of the beam at the cathode is controlled accordingly.
Der Strahl 46 ist schematisch in Fig. 6 angegeben, und zwar als ein Strahl, der im wesentlichen senkrecht zur Kathode verläuft. Die positive Fokussierwirkung der Felder 48 und 5o und der feldfreie Bereich innerhalb derThe beam 46 is indicated schematically in Figure 6 as a beam that is substantially perpendicular runs to the cathode. The positive focusing effect of the fields 48 and 5o and the field-free area within the
Elektrodeelectrode
Kafcbede 49 erzeugen ein Abbild auf dem Schirm. Es ist bekannt, dass die elektrostatische Fokussierung noch durch eine elektromagnetische Fokussiereinrichtung 6o.Kafcbede 49 create an image on the screen. It is known that the electrostatic focusing is still carried out by an electromagnetic focusing device 6o.
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wie sie schematisch in Fig. 7 gezeigt ist, unterstützt werden kann. Sie dient zur Bildung einer Konvergenz- oder Sammellinse zur Fokussierung des Strahls auf dem Schirm.as shown schematically in FIG. 7 can be. It is used to form a convergence or converging lens to focus the beam on the screen.
Die Grosse des Leuchtflecks auf dem Schirm wird bestimmt durch die Lage und Grosse des virtuellen Kathodenbildes, welches das Objekt für die Sammellinse bildet. Die Flugbahnen der Elektronen sind solche, dass sie im Idealfall ein unendlich kleines Kathodenbild in jeder gewünschten Lage hinter der Kathode erzeugt werden kann. Das wird durch die gestrichelte Linie 6l angedeutet, die hinter der Kathode in Fig. 6 bezeichnet ist. Praktisch ist jedoch die Grosse des virtuellen Kathodenbildes durch thermische Quergeschwindigkeiten und verschiedene Unvollkommenheiten begrenzt, wie z.B. sphärische Aberrationen und Astigmatismen. Die Laminarströmkanone minimalisiert jedoch diese Begrenzungen auf drei Arten: Das virtuelle Kathodenbild wird viel weiter entfernt von dem Brennpunkt der Sammellinse erzeugt als bei einer Überkreuzungskanone; die Auswirkungen der thermischen Geschwindigkeit werden durch gleichförmiges Beschleunigen des Strahls auf seine Endgeschwindigkeit oder Endspannung mit den Elektroden 41, 47 und 49 in vergleichsweise kurzeml Abstand vermindert; und die Aberrationseffekte werden durch die Benutzung von Linsen mit langer Brennweite ohne Begrenzungsöffnungen vermindert.The size of the light spot on the screen is determined by the position and size of the virtual cathode image, which forms the object for the converging lens. the Trajectories of the electrons are such that they ideally have an infinitely small cathode image in every desired one Location behind the cathode can be generated. This is indicated by the dashed line 6l behind the cathode in FIG. 6. Practical, however, is the size of the virtual cathode image due to thermal transverse velocities and limited various imperfections, such as spherical aberrations and astigmatisms. The laminar flow cannon, however, minimizes these limitations in three ways: The virtual cathode image is generated much further away from the focal point of the converging lens than in a crossover cannon; the effects of thermal speed are due to uniform acceleration of the beam to its final velocity or final voltage with the electrodes 41, 47 and 49 in a comparatively short time Distance decreased; and the aberration effects are eliminated by using long focal length lenses Limiting openings reduced.
Die virtuelle Lage und Grosse der Kathode sind primär von Bedeutung, da die Sammellinsen die virtuelle Kathode direkt proportional zu den Abständen des ObjektbildsThe virtual position and size of the cathode are primary important, since the converging lenses have the virtual cathode directly proportional to the distances of the object image
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von den Linsenbrennpunkten vergrössern. Im Vergleich hierzu müsste eine Überkreuzungskanone durch ihre Ausbildung stets ein Kathodenbild nahe bei der Kathode erzeugen. Dies verursacht eine übermässige Vergrösserung des überkreuzungsleuchtflecks und daher müssen sie, wenn Geräte mit hoher Auflösung erforderlich sind, sehr lang gestaltet werden, wobei verhältnismässig von dem Strahlquerschnitt durch die öffnungen in den Pokussierelektroden abgefangen wird.enlarge from the lens focal points. Compared to this a crossover cannon would always have to generate a cathode image close to the cathode due to its design. This causes an excessive enlargement of the crossover spot and therefore they have to be used when devices with high resolution are required to be made very long, being proportionate is intercepted by the beam cross-section through the openings in the focusing electrodes.
- Der Brennpunkt und die emittierende Kathodenfläche bleiben relativ unbeeinflusst durch Änderungen der Spannung ν an der Steuerelektrode 37. Ferner werden relativ niedrige Spannungen benötigt, um beträchtliche Änderungen des Strahlstromes zu erhalten. Der primäre Effekt von Änderungen der Gitterspannung besteht bei der Laminarstromkanone darin, dass die Kathodenstromdichte und nicht die emittierende Kathodenfläche gleichförmig geändert wird. Die Gleichförmigkeit der Stromdichte und die Brennpunktlagen werden bedeutend weniger durch Änderungen der Gittersteuerung beeinflusst, die vorgenommen werden, um den gesamten Strahlstrom zu ändern. Wenn der Strahlstrom äusserst klein ist wie bei den bereits vorhandenen Kathodenstrahlröhren, braucht der Strahl - wenn überhaupt - im Kanonenbereich nicht bedeutend aufgeweitet zu werden, und er kann dennoch durch die Sammellinse auf dem Schirm fokussiert werden, um dort einen äusserst kfeinen Leuchtfleck mit hoher Stromdichte zu bilden.- The focal point and the emitting cathode area remain relatively unaffected by changes in voltage ν at the control electrode 37. Furthermore, relatively low voltages are required in order to produce considerable changes in the beam current to obtain. The primary effect of changes in grid tension in the laminar flow gun is: that the cathode current density and not the cathode emitting area is changed uniformly. The uniformity the current density and the focal point positions are significantly less influenced by changes in the grid control, which are made to change the total beam current. When the jet stream is extremely small as with the ones already existing cathode ray tubes, the beam - if at all - does not need to be significantly widened in the cannon area and it can still be focused through the converging lens on the screen to make it extremely fine Form light spot with high current density.
Das Kathodenabbild ist bei der Laminarstromkanone gemäss der Erfindung geradezu ideal wegen der gleichförmigenThe cathode image is almost ideal in the laminar flow gun according to the invention because of the uniform
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Dichte des EmissionsStroms aus der Kathode und der Parallelität des Elekttronenstroms im Bereich zwischen Kathode und Anode. Das optische Analogon besteht darin, dass der Strahl von einer punktförmigen Quelle mit unendlichem Abstand beginnts se ass die Beleuchtung an der Kathode vollkoBmen gleichförmig und parallel ist. Insgesamt ist das Ergebnis der Erfindung ein Strahl auf dem Schirm mit bedeutend gleiehmässigerer hoher Stromdichte. Das wird erreicht mit einer verbesserten Lebensdauer der Kathode und einer bedeutend kleineren Gesamtlänge der Kanone. Dabei kann die Ausbildung Jenseits der Anode in bekannter Weise grundsätzlich aus zwei zylindrischen Elektronenfokussierlinsen bestehen. Eine einzige elektrostatische Linse oder eine magnetische Linse kann gleichfalls benutzt werden. Das einzige Erfordernis ist, dass das in dem Bereich zwischen Kathode und Anode erzeugte virtuelle Kathodenbild auf dem Schirm mit minimaler Aberration oder Bildverzerrung abgebildet wird. Magnetische oder elektrostatische Ablenkvorrichtung können mit dem Strahl, nachdem man die Kanone verlassen hat, zusammenwirken, um seine Ablenkung oder seinen Auftreffpunkt auf dem Schirm zu steuern. Solche zusätzlichen Einrichtungen sind der Einfachheit der Darstellung halber und weil sie an sich bekannt sind nicht gezeigt.Density of the emission current from the cathode and the parallelism of the electron current in the area between cathode and anode. The optical analog is that the beam from a point source at an infinite distance begins s se ass the illumination at the cathode vollkoBmen uniform and parallel is. Overall, the result of the invention is a beam on the screen with a significantly more uniform high current density. This is achieved with improved cathode life and a significantly smaller overall cannon length. The formation beyond the anode can basically consist of two cylindrical electron focusing lenses in a known manner. A single electrostatic lens or a magnetic lens can also be used. The only requirement is that the virtual cathode image created in the area between the cathode and anode be displayed on the screen with minimal aberration or image distortion. Magnetic or electrostatic deflection devices can cooperate with the beam after leaving the cannon to control its deflection or its point of impact on the screen. Such additional devices are not shown for the sake of simplicity of illustration and because they are known per se.
Eine Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone gemäss der Erfindung, die praktisch gebaut und erprobt wurde, hatte folgende Abmessungen und Daten:A cathode ray tube with an electron gun according to the invention, which has been practically built and tested, had the following dimensions and data:
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d, O,3o5 mmd, 0.35 mm
d2 1,651 mmd 2 1.651 mm
d3 0,889 mmd 3 0.889 mm
I^ 4 ί'800 mmI ^ 4 ί'800 mm
12 ' 8,128 mm1 2 '8.128 mm
13 15.748 mm K 88,9oo mm D1 0,711 mm D2 1,524 mm D-, I,ol6 mm D4 4.826 mm Ο,- 7.62ο mm 0± 12°1 3 15.748 mm K 88.9oo mm D 1 0.711 mm D 2 1.524 mm D-, I, ol6 mm D 4 4.826 mm Ο, - 7.62ο mm 0 ± 12 °
02 22° 3O1 0 2 22 ° 3O 1
Die angelegten Spannungen waren folgende:The voltages applied were as follows:
e (Gitterspannung) 0 V (normale volle Einschaltung) ea 48o Ve (grid voltage) 0 V (normal full turn-on) e a 48o V
e2 1.7oo Ve 2 1,7oo V
e3 . 12.500 Ve 3 . 12,500 V
Die Gitter-Sperrcharakteristik für eine solche Elektronenkanone ist in Fig. 8 gezeigt. Bei einem Gitterhub von 15 V wird der Kathodenstrom über einen Bereich von 0 bis Mikroampere gesteuert. Es ist auch zu beachten, dass praktisch der ganze Kathodenstrom den Film erreicht und somit einen Kathodenwirkungsgrad von annähernd 100J5 ergibt. Das Kurvenbild von Flg. 9 zeigt die Zeilenbreite als Funktion des Strahlstroms für die zur Rede stehende Elektronenkanone.The grid blocking characteristic for such an electron gun is shown in FIG. With a grid stroke of 15 V. the cathode current is controlled over a range from 0 to microamps. It should also be noted that practical all of the cathode current reaches the film, giving a cathode efficiency of approximately 100-5. The curve from Flg. 9 shows the line width as a function of the beam current for the electron gun in question.
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Die Zeilenbreite wird in einer Röhre erhalten, in welcher die Ablenkung des Strahls 5o8o cm pro Sekunde bei einer Polgefrequenz von 60 Hz betrug. Bei einer Änderung des Strahlstroms um das Vierfache ändert sich die Leuchtfleckgrösse nur um 4656.The line width is obtained in a tube in which the deflection of the beam is 5080 cm per second at one Pole frequency of 60 Hz was. If the beam current changes by four times, the size of the light spot changes only at 4656.
Es wurde ferner noch eine andere Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone gemäss der Erfindung gebaut, die folgende Daten hatte:Another cathode ray tube with an electron gun according to the invention was also built, which had the following data:
d1 0,152 mmd 1 0.152 mm
dp 3.8I0 mmdp 3.8I0 mm
d-, 0,762 mmd-, 0.762 mm
I1 5.080 mmI 1 5080 mm
Ip 31.700 mmIp 31,700 mm
1, 41.OOO mm1, 41,000 mm
ljj 88.900 mmljj 88,900 mm
D1 0,254 mmD 1 0.254 mm
D2 0,457 mmD 2 0.457 mm
D3 4.o64 mmD 3 4.o64 mm
Dj1 9,525 mmDj 1 9.525 mm
D1. 19.o5o mmD 1 . 19.o5o mm
Q1 0° Q 1 0 °
02 22° 30»0 2 22 ° 30 »
Bei einer Gitterspannung e von minus 10 V einer Anodenspannung e* von 48o V und einer Spannung e2 von 17oo V war der Strahl sehr stark konvergierend im Bereich der Anodenöffnung 42, und die Zeilenbreite lag zwischen 0,356 und 0,381 mm, praktisch unabhängig von der Schirmspannung e-,. Dies zeigt, dass die Strahlabmessung nur eine begrenzteWith a grid voltage e of minus 10 V, an anode voltage e * of 48o V and a voltage e 2 of 17oo V, the beam converged very strongly in the area of the anode opening 42, and the line width was between 0.356 and 0.381 mm, practically independent of the screen voltage e- ,. This shows that the beam size is limited
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Aberration aufweist. Bei einer Gitterspannung e
von 0 V, einer Anodenspannung ^1 von 145 V und einer
Spannung e2 von 17oo V betrug die Zeilenbreite 0,152 mm
für e-, = 12500 V, und sie schwankte zwischen 2,4Io mm
und 1,397 mm bei Schirmspannungen, die zwischen 6.5oo V
und l4.5oo V lagen. Dies zeigt, dass die Strahlabmessung nach Langmuir begrenzt ist.Exhibits aberration. With a grid voltage e
of 0 V, an anode voltage ^ 1 of 145 V and a
Voltage e 2 of 17oo V, the line width was 0.152 mm for e- = 12500 V, and it fluctuated between 2.410 mm
and 1.397 mm for shield voltages between 6,5oo V and 14,5oo V. This shows that the Langmuir beam size is limited.
Eine Elektronenkanone gemäss der Erfindung kann auch in Verbindung mit anderen beladenen Teilchen benutzt werden, um auch diese von einer Quelle aus zu beschleunigen und einen Strahl auf einen Schirm od.dgl. zu richten und zu fokussieren.An electron gun according to the invention can also can be used in connection with other charged particles in order to accelerate them from a source and a beam on a screen or the like. to direct and focus.
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