DE2348459A1

DE2348459A1 - Elektronenstrahlsystem fuer katodenstrahlroehren und damit ausgestattete katodenstrahlroehren

Info

Publication number: DE2348459A1
Application number: DE19732348459
Authority: DE
Inventors: Saint Martin D Heres Andre; Claude Pommier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-09-26
Filing date: 1973-09-26
Publication date: 1974-04-04
Also published as: US4009410A; FR2201536A1; FR2201536B1; GB1439784A

Description

Unser Zeichen; T 1454

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris« Frankreich

Elektronenstrählsystem für Katodenstrahlröhren und damit ausgestattete Katodenstrahlröhren

Die Erfindung betrifft Elektronenstrahlsysteme für Katodenstrahlröhren. Sie bezweckt insbesondere die Schaffung von Elektronenstrahlsystemen, die hinsichtlich des Wirkungsgrads verbesserte Eigenschaften gegenüber den Elektronenstrahlsystemen bekannter Art aufweisen und in der Lage sind, Elektronenbündel mit im wesentlichen parallelen Strahlen zu liefern, wobei sie-stets den verbesserten Wirkungsgrad beibehalten.

Der klassische Aufbau eines Elektronenstrahlsystems besteht bekanntlich darin, daß in einem Vakuumkolben der Reihe nach die folgenden Bestandteile angeordnet sind: Eine Elektronenquelle oder Katode, die auf das Potential Null gebracht ist; eine zylindrische Elektrode, genannt Wehnelt-Elektrode, welche die Katode umgibt und durch eine Blende abgeschlossen ist, die ein Loch von einigen Zehntel Millimeter Durchmesser aufweist, wobei diese Elektrode

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auf ein veränderliches negatives Potential gebracht ist, damit der Strahlstrom gesteuert wird; ein Gitter zur ersten Beschleunigung der Elektronen, das im allgemeinen Beschleunigungsgitter genannt wird, und durch eine Blende gebildet ist, deren Loch von der gleichen Größenordnung wie dasjenige der Wehneltelektrode ist, wobei dieses Gitter auf ein positives Potential gebracht ist; weitere Beschleunigungselektroden oder Anoden, die auf höhere Potentiale gebracht sind und im allgemeinen durch einen länglichen Zylinder gebildet sind, der eventuell an einem Ende oder an beiden Enden durch eine Blende abgeschlossen ist; sowie ein elektrostatisches oder elektromagnetisches Fokussierungssystem.

Das von der Katode emittierte und durch die Wehneltelektrode intensitätsmodulierte Elektronenbündel geht durch die elektrostatische Linse, die von der Wehneltelektrode und dem Beschleunigungsgitter mit der nachfolgenden Anode gebildet ist. Diese Linse liefert ein elektronisches Bild der Katode von sehr kleinen Abmessungen, das im allgemeinen Bündelknoten genannt wird und zwischen der Wehneltelektrode und dem Beschleunigungsgitter liegt. Die Elektronenbahnen divergieren anschliessend von diesem Punkt aus über die ganze Länge ihres Weges durch die Anode, wobei diese Divergenz umso stärker ist, je geringer die an die Anode angelegte Spannung ist.

Dies hat zur Folge, daß es praktisch unmöglich ist, mit solchen Elektronenstrahlsystemen zylindrische Elektronenbündel zu erhalten, d.h. Elektronenbündel, bei denen die Elektronenstrahlen parallel zur Achse liegen. Ferner ändert sich bei solchen Elektronenstrahlsystemen der Wirkungsgrad mit dem Katodenstrom, was bei bestimmten Anwendungen sehr störend sein kann; dieser Wirkungsgrad ist außerdem umso kleiner, ^e niedriger das an die Beschleunigungsanode angelegte

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Potential ist. Alle diese Eigenschaften können die Anwendung der Elektronenstrahlsysteme sehr unbequem machen; dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn sie Bestandteile von Mehrfarben-Katodenstrahlröhren bilden, bei denen die Farbänderungen durch Änderung der Eindringtiefe der Elektronen in die verschiedenen den Bildschirm bildenden Leuchtstoffschichten erhalten werden.

Es ist zu bemerken, daß es mit bestimmten Arten von Elektronenstrahlsystemen, beispielsweise den Pierce-Systemen, möglich ist, Elektronenbündel mit im wesentlichen parallelen Strahlen zu erhalten; diese weisen jedoch nicht die vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich des Wirkungsgrads wie die erfindungsgemäßen Elektronenstrahlsysteme auf.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Elektronenstrahlsystemen, welche verbesserte Wirkungsgradeigenschaften aufweisen und Elektronenbündel liefern, die zylindrisch sein können. Derartige Elektronenstrahlsysteme können bei allen Katodenstrahlröhren verwendet werden; sie sind besonders vorteilhaft, wenn sie bei Mehrfarben-Katodenstrahlröhren angewendet werden.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zu den Elektronenstrahlsystemen klassischer Art wenigstens eine zusätzliche Elektrode vom Blendentyp hinzugefügt wird, die zwischen dem Beschleunigungsgitter und der Anode angeordnet ist, auf ein positives Potential gebracht ist, das von gleicher Größenordnung wie das Potential des Beschleunigungsgitters ist, und die zusammen mit der Öffnung der Anode eine zweite Konzentrationslinse bildet, welche die Bildung eines zweiten Bündelknotens im Elektronenbündel zur Folge hat.

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Die Lage dieses zweiten Bündelknotens entlang der Achse des Elektronenbündels hängt von dem Wert des Anodenpotentials ab. Für einen bestimmten Wert wird dieser Bündelknoten ins Unendliche gebracht, so daß das Elektronenbündel zylindrisch ist.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Elektronenstrahlsysteme nach der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 ein sehr vereinfachtes Schema des neuartigen Teils eines Elektronenstrahlsystems nach der Erfindung,

Fig.2 eine sehr vereinfachte Schnittansicht einer Katodenstrahlröhre, die mit einem Elektronenstrahlsystem nach der Erfindung ausgestattet ist,

Fig.3a, 3b, 3c Teildarstellungen des wesentlichen Bestandteils eines Elektronenstrah^systems nach der Erfindung zur Erläuterung der Wirkungsweise bei verschiedenen Werten der Anodenspannung,

Fig.4a, 4b, 4c Entsprechende Darstellungen wie in Fig.3a, 3b, bzw. 3c für ein Elektronenstrahlsystem bekannter Art,

Fig.5 und 6 Kurven des Verlaufs des Wirkungsgrads des Elektronenstrahlsystems nach der Erfindung bzw. eines Elektronenstrahlsystems bekannter Art als Funktion des Anodenpotentials,

Fig.7 und 8 Kurven des Verlaufs des Wirkungsgrads eines Elektronenstrahlsystems nach der Erfindung bzw. eines Elektronenstrahlsystems bekannter Art als Funktion des Katodenstroms,

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Fig.9 Kurven des Verlaufs des Wirkungsgrads eines Elektronenstrahlsystems nach der Erfindung als Funktion des Anodenpotentials für zwei verschiedene Werte des Potentials der zusätzlichen Blende nach der Erfindung und

Fig.10 und 11 schematische Darstellungen von abgeänderten Ausführungsformen des Elektronenstrahlsystems nach .der Erfindung.

Fig.1 zeigt sehr schematisch den wesentlichen Teil eines Elektronenstrahlsystems nach der Erfindung bei einer besonders einfachen Ausführungsform.

Die Elektroden, welche üblicherweise ein Elektronenstrahlsystem bilden sind: die Katode 1, die Wehneltelektrode 2, das Beschleunigungsgitter 3 und die zylindrische Anode 4, die im vorliegenden Fall durch eine Blende 5 abgeschlossen ist, die auf das gleiche Potential wie die Anode gebracht ist. Das von der Katode emittierte Elektronenbündel F geht durch die erste elektrostatische Linse, die von der Wehneltelektrode 2 und dem Beschleunigungsgitter 3 gebildet ist und den ersten Bündelknoten C. erscheinen läßt.

Die zusätzliche Elektrode, welche die Elektronenstrahlsysteme nach der Erfindung enthalten, ist durch die Blende gebildet. Die Mittelöffnung dieser Blende 6 hat einen Durchmesser, der etwas größer als der Durchmesser der Öffnungen des Gitters 3 und der Wehneltelektrode 2 ist, die im wesentlichen gleich sind. Das Potential, auf das diese Blende gebracht ist, ist ein positives Potential, das dem Potential des Gitters 3 gleicht oder davon geringfügig verschieden sein kann, wie später erläutert wird. Es ist

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in allen Fällen kleiner als das Potential der Anode 4.

Die Blende 6 bildet mit der Öffnung der Anode 4 eine zweite elektrostatische Konzentrationslinse, deren mehr oder weniger große Konvergenz von dem Potential V^ der Anode 4 abhängt (Fig.3a, 3b, 3c), und welche die Bildung eines zweiten Bündelknotens Cp verursacht, dessen Vorhandensein die Erzielung der später erläuterten verbesserten Eigenschaften ermöglicht.

Fig.2 zeigt sehr schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Elektronenstrahlsystems nach der Erfindung, mit dem eine Katodenstrahlröhre ausgestattet ist. In dem die verschiedenen Bestandteile der Röhre umschlie ssenden dichten Kolben E findet man wieder die Katode 1, die Wehneltelektrode 2, das Beschleunigungsgitter 3, die Anode 4 und ihre Blende 5 sowie die Blende 6 nach der Erfindung.

Gegenüber dem Grundschema von Fig.1 bestehen zwei Unterschiede in der Ausführung. Eine zweite Blende 7 ist zwischen dem Gitter 3 und der zur zweiten Linse gehörenden Blende 6 angeordnet. Diese zweite Blende 7, deren Mittelöffnung einen Durchmesser hat, der kleiner als derjenige der Blende 6 ist, hat hauptsächlich die Aufgabe, zu verhindern, daß der Durchgriff des elektrischen Feldes durch die Öffnung der Blende 6 hindurch sich zu weit zur Katode 1 hin fortsetzt und dadurch die Bildung des ersten Bündelknotens C₁ beeinflußt.

Der zweite Unterschied besteht darin, daß diese beiden Blenden 6 und 7 elektrisch mit dem Gitter 3 verbunden sind, an dem sie befestigt sind. In diesem Fall liegen die drei Elektroden auf dem gleichen Potential.

Fig.2 zeigt schematisch ein Fokussierungssystem 8 klassischer Art, das elektrostatisch oder elektromagnetisch ausgebildet

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sein kann und für den Betrieb des Elektronenstrahlsystems nach der Erfindung keine originelle Wirkung hat. Die übrigen Elektroden der Röhre, die nicht zum Elektronenstrahlsystemgehören, sind nicht dargestellt;sie sind in üblicher Weise ausgebildet und hängen von der betreffenden Röhrenart ab. Die "Vorspannungsquellen sind zur Vereinfachung der Figur gleichfalls nicht dargestellt. Sie sind in vollkommen üblicher Weise mit den Elektroden verbunden.

Die Figuren 3a, 3b und 3c zeigen schematisch die oberen Hälften eines Elektronenstrahlsystems der in Fig.2 gezeigten Art für drei verschiedene Werte des an die Anode angelegten Potentials V^; dadurch ist es möglich, den Weg der Elektronenstrahlen des von der Katode 1 ausgehenden Elektronenbündels F zu verfolgen und die Art der Bildung des zweiten Bündelknotens Cp nach der Erfindung zu erkennen. Die Halbelektroden 1, 2, 3,-i6 und 7 sind nur in Fig.3a" dargestellt; sie gelten natürlich in gleicher Weise für die Figuren 3b und 3c

Bei einem hohen Anodenpotential, beispielsweise VY= 14 000 V (Fig.3a) hat die nach der Erfindung von der Blende 6 und der Öffnung der Anode 4 gebildete zweite Linse eine sehr starke Konvergenz, und der zweite Bündelknoten C^ liegt ziemlich nahe am Eingang der Anode. Der halbe Öffnungswinkel Ades Bündels F hinter dem Punkt Ca ist ziemlich groß, und die Blende 5 läßt nur einen sehr kleinen Teil des Elektronenbündels durch; der Wirkungsgrad des Elektronenstrahlsystems ist demzufolge ziemlich gering.

Bei einem etwas höheren Anodenpotential , beispielsweise V^ = 10 000 V (Fig.3b) ist die Konvergenz der zweiten Linse kleiner, und der Bündelknoten Cp liegt näher bei der Blende Der halbe, Öffnungswinkel A ist somit kleiner, und die Blende deckt das Elektronenbündel F weniger ab, so daß der Wirkungs-

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grad des Elektronenstrahlsystems besser ist.

Für ein noch kleineres Anodenpotential, beispielsweise V^ = 6000 V (Fig.3c) liegt der Bündelknoten C₂ praktisch im Unendlichen, das Bündel F wird zylindrisch, und der halbe Öffnungswinkel ist Null. Bei dieser Betriebsart läßt die Blende 5 das ganze Elektronenbündel F durch, und der Wirkungsgrad des Elektronenstrahlsystems hat ein Maximum (in der Nähe von 100%).

Die Figuren 4a , 4b und 4c entsprechen denjenigen von Fig.3a , 3b bzw. 3c, jedoch für ein Elektronenstrahlsystem bekannter Art, das weder die eine zweite Linse bildende Blende 6 noch die Blende 7 enthält. Es ist klar zu erkennen, daß es niemals zur Bildung eines zweiten Bündelknotens kommt, was normal ist, da nur eine Konzentrationslinse vorhanden ist, nämlich die von den Elektroden 2 und 3 gebildete Linse, und daß es somit niemals möglich ist, ein zylindrisches Bündel zu erhalten. Die Öffnung des Bündels F, die durch den halben Öffnungswinkel A darge_T stellt ist, nimmt zu, wenn das Anodenpotential sich verringert. Dies hat zur Folge, daß der Wirkungsgrad des Elektronenstrahlsystems gleichzeitig mit dem Anodenpotential VV abnimmt, im Gegensatz zu den Erscheinungen bei dem erfindungsgemäßen Elektronenstrahlsystem.

Die Leistungen der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlsysteme im Vergleich zu den bekannten Elektronenstrahlsystemen sind aus den folgenden Figuren sehr deutlich zu ersehen.

In Fig.5 und 6 ist der Verlauf der Kurven des Wirkungsgrades r als Funktion des Anodenpotentials VY für ein Elektronenstrahlsystem nach der Erfindung (Fig.5)bzw. für ein Elektronenstrahlsystem bekannter Art (Fig.6) dargestellt. Diese Kurven ändern sich in umgekehrtem Sinn.

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Während ferner der Wirkungsgrad der Elektronenstrahlsysteme bekannter Art (Fig.6) von dem Katodenstrom Ik des Elektronenstrahlsystems abhängt, ist dies bei den Elektronenstrahlsystemen nach der Erfindung in keiner Weise der Fall.

Die Eigenschaften dieser beiden Arten von Elektronenstrahlsystemen ergeben sich deutlich aus den Kurven von Fig.7 und 8, welche die Änderungen des Wirkungsgrades r für ein Elektronenstrahlsystem nach der Erfindung (Fig.7) bzw. für ein Elektronensttahlsystem bekannter Art (Fig.8) als Funktion des Katodenstroms Ik für verschiedene Werte des Anodenpotentials VY zeigen.

Fig.9, welche die Änderungen des Wirkungsgrads r eines Elektronenstrahlsystems nach der Erfindung als Funktion des Anodenpotentials VY darstellt, zeigt schließlich, daß bei einer Änderung des Potentials VV der Blende 6 der Wirkungsgrad des Elektronenstrahlsystems sich für einen gegebenen Wert des Potentials VV ändert. Diese Eigenschaft ist den Elektronenstrahlsystemen nach der Erfindung eigentümlich; sie ist bei den bekannten Elektronenstrahlsystemen nicht vorhanden. Sie ist besonders vorteilhaft, da sie es auf einfache Weise ermöglicht, den Wirkungsgrad des Elektronenstrahlsystems auf den gewünschten Wert einzustellen, ohne daß das Anodenpotential verändert wird.

Fig.10 und 11 zeigen schematisch zwei abgeänderte Ausführungen des Elektronenstrahlsystems von Fig.2, die beide mit dem Grundschema von Fig.1 übereinstimmen.

Bei dem Elektronenstrahlsystem von Fig.10 sind die Blenden und 7 miteinander verbunden, aber von dem Beschleunigungs-

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gitter 3 isoliert. Diese Ausführungsform ist deshalb interessant, weil sie es ermöglicht, das an die beiden Blenden 6 und 7 angelegte Potential Vg zu ändern und demzufolge den Wirkungsgrad des Elektronenstrahlsystems einzustellen, wie bereits an Hand von Fig.9 erläutert wurde, ohne daß das Potential des Beschleunigungsgitters und damit die Sperrspannung der Röhre geändert werden.

Schließlich ist bei der Ausführungsform von Fig.11 eine Blende 8 am Eingang der Anode 4 angebracht. Der Wert des Anodenpotentials VV, für den das Elektronenbündel F zylindrisch wird, hängt von mehreren Parametern des Elektronenstrahlsystems ab, beispielsweise von den verschiedenen angelegten Potentialen und der Geometrie; insbesondere hängt dieser Wert von der Öffnung ab, den die Anode 4 für das hindurchgehende Bündel aufweist. Das Vorhandensein der Blende 8 und die Wahl des Durchmessers der Öffnung dieser Blende ermöglichen die Einstellung dieses Arbeitspunktes.

Die Elektronenstrahlsysteme nach der Erfindung, von denen verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sind, eignen sich in vorteilhafter Weise für zahlreiche Anwendungsfälle. Eine besonders vorteilhafte Anwendung betrifft die Mehrfarben-Katodenstrahlröhren.

Bei derartigen Katodenstrahlröhren besteht der Bildschirm aus mehrerenLeuchtstoffschichten, die jeweils ein Licht mit einer anderen Wellenlänge unter der Wirkung des Elektronenbeschusses emittieren. Die Änderung der Farbe des beobachteten Bildes wird durch eine Änderung der Eindringtiefe der durch das Potential der Anode des . Elektronenstrahlsystems beschleunigten Elektronen erreicht. Diese Eindringtiefe hängt von der Geschwindigkeit der Elektronen ab, die ihrerseits der Quadratwurzel des

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Anodenpotentials proportional ist. Somit wird die Änderung der Farbe durch eine Änderung des Anodenpotentials des Elektronenstrahlsystems erreicht. Bei einem klassischen Ausführungsbeispiel einer solchen Röhre, .die von Rot nach Grün geht, wird die rote Farbe üblicherweise durch das kleinste Anodenpotential (beispielsweise 7 000 V) erhalten, während die grüne Farbe durch das höchste Anodenpotential (beispielsweise 13 000 V) erhalten wird. Die Leuchtdichte des Bildschirms ist dann bei konstantem Strahlstrom im roten Bereich kleiner als im grünen Bereich? dies ist die Falge der Änderung der Elektronenenergie, zu der sich die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges für die verschiedenen Wellenlängen des Spektrums addiert. Zur Kompensation dieser Erscheinung ist man "gezwungen, bei den kleineren Werten des Anodenpotentials einen stärkeren Strahlstrom anzuwenden.

Wie zuvor insbesondere an Hand von Fig.8 zu erkennen war, nimmt bei den bekannten Elektronenstrahlsystemen der Wirkungsgrad stark ab, wenn der Katodenstrom zunimmt. Damit das Bild trotzdem im roten Bereich richtig ist, ist es dann notwendig, einen noch stärkeren Katodenstrom anzuwenden, was zahlreiche Nachteile ergibt: Die Fokussierung ist im roten Bereich schwierig zu realisieren, die Lebensdauer der Katode wird verringert und die Modulation ist je nach der Farbe verschieden, so daß die Treiberschaltung für die Wehneltelektrode kompliziert wird. Da ferner, wie zuvor erläutert wurde, der Wirkungsgrad als Funktion des Katodenstroms nicht konstant ist, ist die Leuchtdichtemodulation derRöhre nicht linear, was für verschiedene Anwendungsfälle störend sein kann.

Im Gegensatz dazu ist bei den erfindungsgemäßen Elektronenstrahlsystemen der Wirkungsgrad bei einer Änderung des Katoden-

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stroms praktisch konstant, wie insbesondere aus Fig.7 zu erkennen ist, und die Zunahme des Strahlstroms, die im roten Bereich notwendig ist, wird automatisch durch die Verringerung.des Anodenpotentials erhalten. Es ist nicht nötig, die Einstellung des Elektronenstrahlsystems zu ändern, um den Katodenstrom zu erhöhen, wie es bei den bekannten Elektronenstrahlsystemen erforderlich war. Man erhält somit eine bessere Bildschärfe, einen konstanten Katodenstrom und eine gleichbleibende Modulation, was eine einfachere Anwendung ermöglicht. Ferner ist die Leuchtdichtemodulation als Funktion des Katodenstroms linear.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

(1.J Elektronenstrahlsystem für Katodenstrahlröhren mit einerKatode, einer Wehneltelektrode., einem Beschleunigungsgitter, das zusammen mit der Wehneltelektrode eine erste Konzentrationslinse bildet, die zur Folge hat, daß in dem von der Katode emittierten Elektronenbündel ein erster Bündelknoten gebildet wird, mit wenigstens einer zylindrischen Beschleunigungsanode , die an dem der Katode abgewandten Ende durch eine Blende abgeschlossen ist, die auf das gleiche Potential wie die Anode gebracht ist, und mit einem auf die Beschleunigungsanode folgenden Fokussierungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine zusätzliche Elektrode (6) vom Blendentyp vorgesehen ist, die zwischen dem Beschleunigungsgitter (3) und der Anode(4)angeordnet ist, auf ein positives Potential gebracht ist, das unter dem Potential der Anode liegt, und die zusammen mit der Öffnung der Anode eine zweite Konzentrationslinse bildet, welche die Bildung eines zweiten Bündelknotens (C₂) im . Elektronenbündel (F) zur Folge hat.
2. Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wehneltelektrode (2) und der zusätzlichen Elektrode (6) eine Hilfsblende (7) angeordnet ist, deren Mittelöffnung einen kleineren Durchmesser als die Mittelöffnung der zusätzlichen Elektrode (6) hat, und die auf das gleiche Potential wie diese zusätzliche Elektrode (6) gebracht ist.
3. Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode (6) und die Hilfsblende (7) auf das gleiche Potential wie das Beschleunigungsgitter (3) gebracht sind.

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4. Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Beschleunigungsanode (4) an dem der Katode (1) am nächsten liegenden Ende eine Blende (8, Fig.11) aufweist, die auf das gleiche Potential wie die Beschleunigungsanode gebracht ist.
5. Katodenstrahlröhre , gekennzeichnet durch die Verwendung eines Elektronenstrahlsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Katodenstrahlröhre nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrfarbenröhre ist.

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