DE2450591A1 - Elektronenkanone mit elektrostatischer fokussierlinse mit verlaengertem feld - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektronenkanonen für FFS-Bildröhren und insbesondere eine verbesserte Fokussierlinse für die Verwendung in einer Elektronenkanone.

Trotz der gegenwärtig hohen Reife von Kathodenstrahlröhren für
FFS-Empfanger ist es ein fortwährendes Ziel, die Qualität der
Bildwiedergabe zu erhöhen. Insbesondere versucht man derzeit
in der Farbfernsehindustrie, Bilder mit besserer Helligkeit und Auflösung zu erreichen. Um eine verbesserte Auflösung insbesondere bei hohen Strahlströmen zu erreichen, sind verbesserte
Mittel zum JJOkussieren der den Leuchtstoff erregenden Elektronenstrahlen erforderlich.

Herkömmliche Farbbildwiedergabe-Kathodenstrahlröhren haben einen hehrfarben.-Bildschirm mit miteinander vermischten Gruppen rot-, blau- und grünstrahlender Phosphorelemente. Diese Elemente werden durch drei Elektronenkanonen in Nebeneinander- oder Dreiecksan-

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Ordnung ("in- line or delta cluster") erregt, die drei Elektronenstrahlen emittieren, die jeweils durch eine elektrostatische E.lektronenlinse zu einem Strahlpunkt auf dem Bildschirm fokussiert werden. Die Größe des auf dem Bildschirm erzeugten Strahlpunktes und damit die Bildauflösung hangen von vielen i'aktofen ab - beispielsweise den Aberrationen und insbesondere der sphärischen Aberration, die die EOkussierlinse bewirkt. Liegt eine sphärische Aberration vor, laufen die von einem Objektpunkt ausgehenden Elektronen nach dem fokussieren nicht wieder allesamt in einen gemeinsamen Punkt zusammen.

Handelsübliche Elektronenkanonen für FS'S-Kathodenstrahlröhren sind mit i'okussierlinsen zweier grundsätzlicher Arten ausgerüstet. Die eine Linse, die sogenannte "Bipotentiallinse" (bipotential lens), besteht aus einer Elektrode mit verhältnismäßig geringer Spannung, gefolgt von einer zweiten Elektrode, an der eine verhältnismäßig hohe Spannung liegt - typischerweise der Spannung des Phosphorbildschirms.

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen der zweiten grundsätzlichen Linsenart, der sogenannten "Unipotentallinse" (unipotential lens), die aus drei Elektroden besteht. Die erste und dritte der Elektroden werden auf dem gleichen Potential gehalten (typischerweise die Bildschirmspannung), die zwischen ihnen liegende zweite Elektrode auf einem wesentlich geringeren Potential.

Die Konstrukteure von Unipotentiallinsen des Standes der i'echnik haben die sphärische Aberration primär durch Verringern des Verhältnisses des Strahl- zum Linsendurchmesser erreicht. Um dieses Verhältnis zu senden, ist allgemein erforderlich, den Linsendurchmesser zu erhöhen. Diese Lösung kollidiert mit den von den Handelsdurchmessern herkömmlicher Bildröhrenkolben auferlegten Kaumbeschränkungen; die Durchmesser werden absichtlich gering gehalten, um die zur Strahlablenkung erforderliche Jochtreiberleistung, die Konvergenzleistung sowie die Konvergenzrestfehler

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so gering wie möglich zu halten. Die vom Halsdurchmesser auferlegten Beschränkungen sind insbesondere schwerwiegend bei "Dünnhals"-FFS-Bildröhren (small neck color tubes) mit drei Strahlkanonen. Hierbei muß der maximale Durchmesser der Fokussierlinse notwendigerweise geringer als ein Drittel des Halsinnendurchmessers sein.

Es ist vorgeschlagen worden, die sphärische Aberration einer Unipotentiallinse mit drei eng benachbarten Elektroden durch Verlängern der Linse zu reduzieren; vergl. O. Klemperer, "Electron Optics", University Press (1953), Kapitel 4,6. Für die Elektrodenverlängerung, die sich bei einer solchen Linse erreichen läßt, besteht jedoch eine Grenze, nach der inaktive bzw. i Drifträume im Fokussierfeld auftreten, die eine weitere Reduktion der sphärischen Aberration verhindern.

Durch Vergrößern der Trennung der Linsenelektroden oder durch j : die Verwendung dünner Scheibenelektroden läßt sich bei der : Korrektur der sphärischen Aberration einer Drei-Elektroden-Unipotentiallinse ein besserer Erfolg erreichen. Die zunehmenden Spalltbreiten setzen das Fokussierfeld jedoch der Gefahr einer Einstreuung von externen bzw. Störfeldern aus. Eine gute Abschirmung gegenüber externen Feldern ist bei mehrlinsigen FFS- ; Kathodenstrahlröhren besonders wichtig, da jedes Fokussierfeld : der Gruppe so nahe bei den anderen Feldern liegt, daß sie sich ι gegenseitig beeinflussen können.

: Zur Reduktion der sphärischen Aberration einer Unipotentiallinse j sind andere Verfahren angewandt worden. Beispielsweise offenbart ; die US-PS 3 652 896 einen Dreistrahl-Elektronenkanone mit einer j einzigen Fokussierlinse für alle drei Strahlen. Die Fokussierlinse läßt sich als Modifikation einer Dreielektroden-Unipotentiallinse beschreiben, bei der eine Mittelelektrode mit großen Durchmesser, die auf niedrigem Potential liegt, in zwei Teile aufgespalten und zwischen diese eine zusätzliche Elektrode mit höherem Potential eingefügt wird. Angeblich soll hierdurch

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eine Linse mit erheblich reduzierter sphärischer Aberration erreicht werden. Berechnungen haben jedoch gezeigt, daß diese Linse nicht die Leistungsfähigkeit aufweist, die erforderlich ist, um die derzeit erhobenen Forderungen an die Bildauflösung zu erfüllen. Weiterhin bedarf diese Kanone zwischen der Fokussierung e und dem Bildschirm weiterer Ablenkorgane, da die Strahlen aus. der Linse heraus divergieren, nicht konvergieren.

Wie bereits erwähnt, erfordert eine verbesserte Bildauflösung eine verbesserte Fokussierung. Um jedoch eine verbesserte Auflösung auf gewerblich akzeptable Weise zu erreichen, muß nicht nur eine verbesserte Fokussiervorrichtung vorhanden sein; diese muß auch praktikabel sein. Unipotentiallinsen mit einer großen Anzahl von Elektroden lasten sich zwar in der Literatur finden, scheinen aber gewerblich unpraktisch zu sein. Beispielsweise offenbart die US-PS 2 859 378 eine Linse aus einer Vielzahl einzelner elektrisch leitender Platten (21 in einer bestimmten Ausführungsform), die parallel zueinander angeordnet sind. Diese Platten weisen Öffnungen auf und sind so auf Spannungen gelegt, daß eine mittlere Plattengruppe ein verhältnismäßig niedriges Potential aufweist und die übrigen Platten von der Mitte zu den Enden hin mit zunehmend höherem Potential erregt werden.

Die letzterwähnte Patentschrift geht auf den Gegenstand einer !Korrektur der sphärischen Aberration nicht ein und ist offen-'sichtlich auf die Lösung anderer Probleme gerichtet. Die An-

ι Ziehungskraft dieser Lösung scheint durch Schwierigkeiten wie die Yerkopplung zwischen den einzelnen Linsenfeldern, die Empfindlichkeit gegenüber Streufeldern, Zuverlässigkeit, Herstellungsschwierigkeiten und Kostenaufwand begrent. Weiterhin j ist eine sehr hohe Anzahl diskreter Spannungen für die Erregung ;der einzelnen -Elektroden nötig, was zusätzliche bauliche Mittel ι zum Erzeugen der Spannungen fordert. Außerdem ist auch das Problem der Einführung vieler Hochspannungsleitungen in den BiIdjkolbenhals auf beschränktestem Raum bei gleichzeitiger Vermeidung von Überschlägen nicht ohne Bedeutung.

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Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Elektronenkanone für die Verwendung in FFS-Kathodenstrahlröhren anzugeben, die eine elektrostatische Linse aufweist, durch bei vorgegebenem Durchmesser die sphärische Aberration erheblich reduziert wird, wodurch die Größe des Fokussierpunktes kleiner und die Auflösung des Fernsehbildes besser wird.

Entsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine Elektronenkanone als eine einer Dreieck- oder Nebeneinander-Anordnung von Elektronenkanonen zur Verwendung im Hals einer FFS-Kathodenstrahlröhre, welche.Kanone eine den Elektronenstrahl erzeugende Einrichtung;, eine Fokussierlinsenanordnung sowie Mittel aufweist, um der -Linsenelektrode Potentiale zuzuführen und diese an sie anzulegen, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fokussierlinse aus mindestens drei Elektroden besteht, die ein axial kontinuierliches aktives Fokussierfeld erzeugen, das um die Kanonenachse symmetrsich liegt und von äußeren Störfeldern im wesentlichen abgeschirmt ist, und die das Fokussierfeld axial so verlängern, daß eine im wesentlichen sattelförmige axiale Potentialverteilung entsteht.

Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht einer Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanonengruppe nach dem Stand der Technik, die eine einzige 5-Elektrodenfokussierlinse enthält;

Fig. 2 - ist eine Teilschnittansicht einer Kathodenstrahlröhre mit einer Fokussierlinsenanordnung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine schematisierte Perspektivansicht einer Linse nach der vorliegenden Erfindung in Dreiecksanordnung;

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Fig. 4- ist eine Teilschnittansicht einer FFS-Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone, die eine Fokussierlinse nach einer vorzugsweise ausgeführten I>Orm der Erfindung enthält;

Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer allgemeinen Darstellung der in den B¹Ig. 2 und 4 gezeigten Elektronenlinsen;

IFig. 6 ist eine Schnitt an sieht einer Fokussierlinse als alternative Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 zeigt die axiale Potentialverteilung V und deren zweite Ableitung V" einer Linse nach dem Stand der Technik und einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 zeigt die Yerteilung V"/V ' einer Linse nach dem Stand der Technik und einer Ausführungsforrn der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 zeigt die computerberechneten Äquipotentiallinien und Elektronenflugbahnen für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Wie insbesondere in den Fig. 1 und 2 dargestellt, weist eine FFS-Kathodenstrahlröhre einen (nur teilweise gezeigten) Glaskolben mit einem Hals 11 und einem Konus 12 auf, der vom Hals zu einem Bildschirm 13 verläuft, der seinerseits die üblichen ßildpunktanordnungen von rot-, blau- und grünstrahlendem Phosphor 14 und eine Lochmaske 15 aufweist. Die FarbMldröhren der Fig. 1 und 2 weisen jeweils innerhalb des Halses 11 befindliche. Mittel zum Fokussieren der drei Elektronenstrahlen auf.

Die Fig. 1■zeigt eine Konstruktion nach dem Stand der Technik mit einer einzigen Linse 20 zum Fokussieren der drei aus den Kathoden 21, 22, 23 und den Gittern 24, 25 austretenden Kathoden-

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strahlen. Weiterhin sind herkömmliche Stege 26, 27 gezeigt, die die Elektronenkanone tragen. Die Linse nach dem Stand der Technik in Fig. 1 weist fünf nacheinander angeordnete Elektroden 31, 32,- 33, 34 und 35 auf, die mit Betriebsspannungen derart beaufschlagt sind, daß das Potential an den End- und Mittelelektroden 31, 35» 33 hoch und an den Zwischenelektroden 32, 34-niedrig ist. Die Elektroden 32, 33 und 34- beanspruchen einen erheblichen Teil der Radialausdehnung des Halses 11. Die drei Elektronenstrahlen treten aus der Linse divergierend aus und werden von dem Strahlkonvergenzsystem 36 wieder zusammengeführt.

Wie weiter unten noch ausgeführt werden wird, sind zur Verwirklichung der Prinzipien der Erfindung mehrere Strukturen ins Auge gefaßt; die Fig. 2 stellt eine vorzugsweise ausgeführte Form dar* Um die Erfindung klarer beschreiben zu können, sind aus der Fig. 2 bestimmte an sich erforderliche Elemente fortgelassen \ worden - beispielsweise tragende Elemente, die Spannungsversorgungs*- und anderen Zuleitungen, die Einzelheiten der Kathode ; und des Steuergitters und dergleichen Details. |

In Fig» 2 ist das- Strahlerzeugungs- und-fokussiersystem nach der ; vorliegenden Erfindung als Nebeneinander-Anordnung aus drei ge- I trennten Elektronenkanonen 41, 42, 43 dargestellt... Jede Kanone ' enthält ein Kathoden/Gittersystem 44 (schematisch gezeigt) sowie eine neuartige Linse 45 nach der Lehre der vorliegenden Erfindung. Die drei Kanonen der Fig. 2 sind auf geeignete Weise geneigt, um die gewünschte Konvergenz zu erreichen. Jede Linse 45 weist fünf Elektroden 72, 73, 74, 75, 76 auf, an die die Spannungen V , V, und V_n gelegt sind, wie dargestellt. Im Gegensatz zu den Linsen des Standes der Technik nach Fig. Ϊ, gilt V_c>V^>V_a. Wie später im Detail zu beschreiben sein wird, stellen die Linsen 45 jeweils eine Unipotentiallinse mit verlängertem Feld dar, bei der eine im wesentlichen sattelförmige Potentialverteilung herrscht. Durch Anwendung der vorliegenden Erfindung laßt sich eine Elektronenkanonengruppe aufbauen, die klein genug ist-, um in den Hals einer herkömmlichen Farbbildröhre zu passen,

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wobei jede der Kanonen in der Lage ist, ein Bild mit verbesserter Auflösung zu fokussieren, und zwar trotz des geringen zulässigen Linsendurchmessers.

Während die x'lg. 2 eine Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer Farbbildröhre mit einer Nebeneinander-Anordnung der Kanonen zeigt, läßt sich die Erfindung gleichermaßen auf Dreiecks-Anordnungen der Kanonen anwenden. Die Fig. 3 zeigt eine Farbbildröhre, in deren Hals sich die Elektronenkanonen 46, 4-7 und 4-8 in Drei eck-Anordnung befinden. Wie in der Ausführungsform der Fig. 2 konvergieren die von den Kanonen erzeugten Elektronenstrahlen auf einer (nicht gezeigten) Lochmaske, die den (nicht gezeigten) Phosphorschirm gegen die Elektronenstrahlen abschirmt, wie es Stand der 'Technik ist. Die Kanonen 46, 47 und 48 enthalten jeweils eine neuartige Fokussierlinse nach der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 4 im Detail gezeigt und unten ausführlich beschrieben ist.

Die Fig. 4 zeigt eine elektrisch angeschlossene, auf Stegen gelagerte Kanone 49 als eine einer Dreiecksanordnung von Kanonen im Hals einer Farbbildröhre. Weiterhin wird auf die Fig. 5 Bezug genommen, die allgemein vorzugsweise ausgeführte Linsen für die Kanonen 41, 42 und 43 der Fig. 2 und die Kanone 49 der ' Fig. 4 bildlich darstellt.

Die Kanone 49 der Fig. 4 enthält ein Kathoden/Gittersystem 50 und eine vorzugsweise ausgeführte Fokussierlinse 51· Di© Linse 51 weist eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte hohlzylindrische Elektrode 52, 53» 54, 55 und 56 auf. Sämtliche Elektroden sind mit Glasstegen entlang einer gemeinsamen Kanonenachse x-x ausgerichtet; das Bezugszeichen 28 zeigt einen der Glasstege. Jede Elektrode hat von der nächstliegenden einen ausreichenden axialen Abstand, um Überschläge bei anliegender Betriebsspannung (unten im Detail erläutert) zu meiden. Dennoch sind die Spalte klein gehalten, um eine gute Feldtrennung zu gewährleisten. Typischerweise beträgt die Sapltbreite etwa

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0,76 mm (0,03 in.)·

Wie in der Technik üblich, sind die Elektrodenenden aufgerollt, um Überschläge zwischen den Elektroden zu vermeiden; vergl..58. Sämtliche Elektroden sind vorzugsweise aus normalen Elektroden-Rohrmaterial einer Dicke von 0,2 mm (0,008 in.) gefertigt. An sie werden betrieblich Potentiale gelegt, die von einem verhältnismäßig niedrigen Wert an der mittleren (dritten) Elektrode (5^-) zu einem verhältnismäßig hohen Potential an den endständigen (der ersten und der fünften) Elektroden 52, 56 hin zunehmen.

Wie in Fig. A- gezeigt, bestehen zwischen den Elektroden 52 - 56 und der externen Spannungsversorgung 60 geeignete Verbindungen. Wie in Fig. 4 gezeigt, eröiält die mittlere Elektrode 5^ über den Stift 61 und die Zuleitung 62 ein verhältnismäßig niedriges Potential V^. Die endständigen Elektroden 52 und 56 erhalten aus der Spannungsversorgung 60 ein verhältnismäßig hohes Potential V₅,, das vorzugsweise gleich dem Anoden-(Schirm)-Potential ist, und" zwar über die im Röhrenkolben eingelassenen Hochspannungsdurchführung 59> den Innenbelag 63 aus kolloidalem Graphit, die Feder 64 ("snubber spring") und den Konvergenzkäfig 65). Die Leitung 66 verbindet die Elektroden 52 und 56. Die Zwischenelektroden 53 und 55 erhalten ein zwischen V^, und V^ liegendes Potential über eine weitere Durchführung 67 im Hals 11 der Bildröhre und die Zuleitung 68. Der Fachmann ist mit anderen Arten der Spannungszuführung zu den Elektroden vertraut. Anstatt einer Durchführung im Hals der Bildröhre läßt sich die beschriebene Spannung beispielsweise auch über einen Stift im Röhrenfuß einführen.

Bei der Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden die Linsen- und Elektrodenlängen, Elektrodendurchmesser und Elektrodenpotentiale auf geeignete Weise ausgewählt. Die Linse 51 der Fig. 4 und 5 ist mit folgenden Abmessungen ausgeführt (vergl. Fig. 5 für eine Definition der Abmessurigsbezeich-, nungen);

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Linse für eine Dreiecksanordnung der Kanonen nach Fig. 4, 5:

Tl₁ = 6,731 ram (0,265 in.) 1^ = 4,191 mm (0,165 in.) K_z = 4,191 mm (0,165 in.) J ~ = 7,62 mm (0,300 in.) I₃ ='11,684 mm (0,4*60 in.) d ₁ = 8,89 mm (0,350 in.)

S.= 0,762 mm (0,030 in.)

Allgemein gesagt, wählt man für den Linsendurchmesser das Maximum, das in einem vorgegebenen Anwendungsfall für einen "bestimmten Röhrenhals räumlich zulässig ist. Beispielsweise, und wie bereits erwähnt, muß für eine Nebeneinander--Anordnung aus drei Kanonen der tiaximaldurchmesser der Fokussierlinse jeder Kanone notwendigerweise geringer als ein Drittel des ualsinnendurchmessers sein. Entsprechende Beschränkungen gelten für Dreiecksanordnungen. Vorzugsweise sind in einer bestimmten ausführungsform sämtliche Blektrodendurchmesser gleich.

In der speziellen in den Fig. 4 und 5 gezeigten Linse 51 haben die Elektroden 53 und 55 die gleiche axiale Länge (d.h. ?₂ = t_L mit den Bezeichnungen der Fig. 5)· Weiterhin ist die axiale Länge jeder der Elektroden 53» 55 etwa das 0,47-fache ihres Innendurchmessers. Allgemein gesagt, ist die Gleichheit der Längen nicht erforderlich; vorzugsweise ist jedoch die axiale Länge jeder der Zwischenelektroden geringer als das 1,5-fache ihres Durchmessers.

Die axiale Länge ^U der mittleren Elektrode 5^ cle*¹ Linse 51 den Fig. 4, 5 nimmt etwa 31 % cLer gesamten Linsenlänge L in Anspruch und beträgt etwa das 1,3-fache des Innendurchmessers. Als allgemeine Regel ist vorzugsweise die axiale Länge \ -, der mittleren Elektrode etwa 30 bis 40 ·ρ der Gesamtlänge der Linse und etwa das 0,5 - bis 2,0-fache ihres Durchmessers.

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Was die für die Beaufschlagung der Elektroden gewählten Potentiale anbetrifft, haben die besten Ergebnisse sich mit Spannungen V., Vp und Y-, erreichen lassen, die von der mittleren Elektrode 54- zu den endständigen Elektroden 52, 56 hin in angenähert geometrischer Folge zunehmen. Mit anderen Worten entsprechen V^₁. V₀ und V_x vorzugsweise angenähert den ersten drei Gliedern

¹ ^- O ρ τ.

einer Folge der Form A, oiß, OCß , <XB^J , ...

ο Wendet man diesen Ausdruck mit V^ = <*-, V₂ = ßVV| und V^ = ß V^ an, unterscheidet sich jede Spannung von der vorhergehenden der Folge um einen Progressionsfaktor, d.h. konstanten Multiplikator, der Größe ß.

Experimentell hat sich ein Progressionsfaktor von /3 «fc 2 als vorzugsweise anwendbar herausgestellt.

Die folgende Liste beschreibt die vorzugsweise angewandten Spannungsbereiche:

Spannung Angelegt an % der Anodenspan- :

nung i

V^ endst. Elektroden 52, 56 ca. 100 V₂ Zwischenelektroden 53, 55 ca. 50 + 20

V₁ mittlere Elektrode 54 ca. 50 ± 10 ;

Arbeitsbedingungen: Obgleich die vorzugsweise angegebenen Spannungsbereiche für V₂ und V^ sich geringfügig überlappen, ist V^i für jede bestimmte Betriebsspannungsgruppe (Vv, V₂, V_x.) nie höher als V₂. Mit anderen Worten: Die Folge von V^ zu V_? zu

V-, ist immer monoton.
3

Es muß hierbei beachtet werden, daß die in den Fig. 4, 5 gezeigte Linse 51 nur eine von vielen möglichen Ausführungsformen ist, die sich nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung

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konstruieren lassen. Beispielsweise weist in Analogie zur
Linse 51 der Pig. 4, 5 jede Linse 4-5 nach Fig. 2 für Nebeneinander-Anordnung eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte zylindrische Elektrode 72, 73, 74, 75 bzw. 76 auf. Die Dimensionen für die Linse 45 der Fig. 2 sind unten angegeben, die
Definition der Abmessungsbezeichnungen in Fig. 5·

Linsenanordnung nach Fig. 2:

⁷I, » 5,842 mm (0,230 in.) I₂ = 2,54 mm (0,100 in.) TU = 12,446 mm (0,490 in.)

= 4,064 mm (0,160 in.) = 7,366 mm (0,290 in.) = 0,762 mm (0,030 in.) = 6,858 mm (0,2?0 in.)

Ein Vergleich der Ausführungsformen für Fig. 2 und für Fig. 4, zeigt einige der im Rahmen der Erfindung mögliche Variationen. Zunächst sieht man, daß der Linsendurchmesser für die Nebeneinander-Anordnung der Fig. 2 erheblich geringer ist als der für ! die Dreiecksanordnung der Fig. 4, 5· Die Linsen- und Elektrodenlängen für die beiden Ausführungsformen sind unterschiedlich. Man sieht weiterhin, daß die axiale Länge der zweiten und der vierten Elektrode 73, 75 - im Gegensatz zu der Ausführungsform der Fig. 4, 5 - ungleich sind. Ansonsten zeigen die Ausführungsformen nach Fig. 2 einerseits und nach Fig. 4, 5 andererseits viele Gemeinsamkeiten. Die Verhältnisse der axialen Länge zum Innendurchmesser für die Zwischen- und die endständigen Elektroden fallen in die bereits erwähnten Vorzugsbereiche. Weiterhin sind die an die Elektroden der Linse 45 in Fig. 2 zu legenden Spannungen V , Vv,

1'

wie die Potentiale erwähnt wurden.

V nach den gleichen Kriterien gewählt

^c ,

V₂ und V,, diejim Zusammenhang mit Fig. 4

Bei Ausführungsformen, wie der Linse 45 der Fig. 2, bei denen

%2 vorzugsweise die kürzere Länge. Der Grund
hierfür soll weiter unten im Rahmen der Diskussion der Funktions-

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theorie von Fokussierlinsen nach der vorliegenden Erfindung angegeben werden.

Was andere, im Rahmen der vorliegenden Erfindung erlaubte Variationen-anbetrifft, zeigt die Fig. 6 eine weitere Ausführungsform, deren Dimensionen wie folgt sind:

X_I = 1,1176 mm (0,044 in.) X^ = 1,524 mm (0,060 in.) X₁- = 7,62 mm (0,300 in.) X₇ =9,398 mm (0,370 in.) Xn = 0,508 mm (0,020 in.)

X_II = 10,16 mm (0,4 in.)

χ = 11,684 mm (0,46 in.) X₁₅ = 1,27 mm (0,05 in.)

X₂ = 8,382 mm (0,330 in.)

X₄ = 5,08 mm (0,20 in.)

X₆ = 9,906 mm (0,390 in.)

X₈ = 4,191 mm (0,165 in.)

^xio ^{= 1}'^{143 mm} (°» )

X₁₂ = 1,27 mm (0,05 in.)·
= 7,62 mm (0,3 in.)
= 1,143 mm (0,045 in.)

Funktionell sind die Ausführungsförmen der Fig. 5 und 6 einander im wesentlichen gleich. Infolge der in axialer Richtung variierenden Innendurchmesser bietet der Aufbau nach Fig. 6 jedoch eine zusätzliche Kontrolle über das aufgebaute Innenfeld.

Die erheblich reduzierte sphärische Aberration, die die Linse mit verlängertem Feld bietet, läßt sich in den Kategorien der elektrischen Feldtheorie und insbesondere der erzeugten axialen Potentialverteilung erklären (vergl. Maloff und Epstein, "Electron Optics in Television", McGraw-Hill Book Company, ι 1938). theoretisch lassen die vektorielle Kraft, die auf die Elektronen wirkt, und die resultierenden Bahnkurven sich aus ' der räumlichen Potentialverteilung innerhalb der Linse ermitteln.] Die Potentialverteilung für ein axial symmetrisches Feld folgt aus der Gleichung ' i

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mit V = V(r,z) als Potentialfunktion eines axial symmetrischen elektrostatischen Feldes, ζ als axialer und r als radialer Linsenkoordinate. Weiterhin müssen die Randbedingungen dahingehend erfüllt sein, daß V an den Elektroden die dort gegebenen Potentialwerte annimmt.

Im allgemeinen ist es nicht möglich, für die oben angegebene Gleichung unter Einbeziehung der im Einzelfall vorliegenden Randbedingungen einfache analytische Lösungen zu erhalten. Jedoch kann man die räumliche Potentialverteilung innerhalb einer axial symmetrischen Linse auch aus einem bekannten axialen Potential V (z) / mit V -(z) = V(o,z)J und seinen gradzahligen Ableitungen nach ζ ermittelen.

V"r² V'r⁴" _n ^V

V(r,z) - V(z) - -2— + -2 ... mitvjar—-2

° 4 64 ° dz¹¹

Es läßt sich zeigen, daß die Linsenaberrationen größtenteils vom Wert des Linienintegrals der Größe/(Yp / (Vq )J ? abhängt, woraus folgt, daß große Werte von V" besonders schädlich in Bereichen sind, in denen das Axialpotential V niedrig oder der Strahlradius groß ist. Die !"ig. 7 und 8 zeigen bestimmte ermittelte Ergebnisse und vergleichen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer gut durchkonstruierten herkömmlichen Dreisystem-Unipotentiallinse mit gleichem Durchmesser. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Axialpotentiale beider Linsen allgemein sattelförmig. Es läßt sich weiterhin sehen, daß für die Linse mit verlängertem Feld nach der vorliegenden Erfindung V" über die gesamte Linsenlänge erheblich niedriger und in Bereichen niedrigen Axialpotentials besonders gering ist. Weiterhin sind auch die Maxima von V" erheblich niedriger.

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Fig. 8 stellt einen Vergleich der Größe (VJJ) ²/(V_Q)⁵'² für beide Linsen dar. Jede Kurve ist auf das Maximum dieser Größe für die Dreisystem-Unipotentiallinse normalisiert. Die erheblic-he Senkung dieser Größe ist ein Zeichen dafür, daß sich nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung die sphärische Aberration erheblich verringern läßt, Hier sollte darauf verwiesen -werden, daß das Fokussierfeld der Linse-mit verlängertem Feld in axialer Richtung durchgehend aktiv ist. Beispielsweise ließe sieh eine Reduktion von V" allein - insbesondere in Be-

reichen niedrigen Axialpotentials - auch mit einer "Verbundlinse¹¹ erreichen, die aus zwei im Abstand Rücken an Rücken gesetzten Bipotentiallinsen besteht. Eine solche Verringerung von V" wäre Jedoch sehr wahrscheinlich auch von der Ausbildung eines inaktiven oder Driftbereiches in der Mitte der Verbundlinse begleitet, der auf der axialen Trennung der Bipotentiallinsen be-. ruht.

I¹Ur einige idealisierte Ausführungsformen sind signifikante Äquipotentiallinien und Elektronenflugbahnen von einem auf der Achse liegenden Objektpunkt her berechnet worden. Die Fig. 9 stellt einen Graph dieser Rechenergebnisse für eine Linse mit folgenden Abmessungen und angelegten Potentialen dar:

A₁ =11,43 mm (0,45 in.) V^ = 7,6 kV X₂ = 4,191 mm (0,165 in.) V₂ = 15 kV \j ** 11,684 mm' (0,46 in.) V, = 30 kV \₄ = 4,191 mm (0,165 in.)
Κ* = 11,43 mm (0,45 in.)

S₁ = 0,762 mm (0,03 in.)
d^ = 8,89 mm (0,350 in.)

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Der Winkel ^ ist der Elektronenbahnwinkel am Objektpunkt, E der Wert der bezeichneten Äquipotentiallinie in kV, die Objektentfernung 25,4- mm (1 in.).

Die Fig. 9 faßt viel von dem zusammen, was oben ausgeführt wurde. Ein kleiner Spalt (0,762 mm = 30 mils) reicht aus, um Überschläge zu verhindern, ist aber auch schmal genug, um das Fokussierfeld gegen externe Störfelder abzuschirmen. Weiterhin ist ersichtlich, daß das Fokussierfeld keinerlei Driftbereiche enthält und für eine Linse ihres Durchmessers eine erheblich reduzierte Scheibe geringster Verwaschung ("disc of least confusion") und damit reduzierte sphärische Aberration aufweist.

Die Fig. 9 ist weiterhin eine Hilfe beim Erläutern der oben getroffenen Feststellung, daß, wenn % ρ £ Tl ^, vorzugsweise \^ die kleinere Größe sein sollte. Zusätzlich dazu, daß große Werte von Vq besonders in Bereichen niedrigen V₀ ¹s schädlich sind, wurde festgestellt, daß große Werte von V" auch in Bereichen mit großem Strahldurchmesser Schaden anrichten können. Die Fig. zeigt, daß der Strahl dazu neigt, im Bereich der vierten Elektrode einen größeren Durchmesser anzunehmen als im Bereich der ^; zweiten Elektrode. Dies bedeutet, daß in einigen Fällen die Werte von V" im Bereich der zweiten Elektrode weniger kritisch sind als im Bereich der vierten Elektrode, so daß die zweite Elektrode axial kürzer sein kann als die vierte. ι

Obgleich bestimmte oben erläuterte Ausführungsformen fünf Elek- ' troden mit drei Arbeitßspannungen enthielten, liegen auch andere ! Ausfünrungsformen im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Bei- I spielsweise liegt es - vgl· die oben gegebene Begründung für die Ungleichheit der axialen Länge der zweiten und der vierten Elektrode - im Rahmen der Erfindung, in einigen Fällen die ; zweite Elektrode völlig wegzulassen und so eine 4-Elektrodenlinse mit verlängertem Feld zu erhalten. Weiterhin kann Jede der fünf Elektroden ihrerseits durch mehrere andere Elektroden ersetzt werden. Beispielsweise läßt jede Elektrode sich aufteilen

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und die einzelnen Abschnitte sich mit geringfügig unterschiedlichen Spannungen "beaufschlagen, jedoch in grundsätzlich der gleichen axialen Anordnung bzw. Richtung wie die in den vorzugsweise ausgeführten Ausführungsformen.

Weiterhin sind hier viele der bevorzugten Ausführungsformen als aus herkömmlichem Elektrodenrohrmaterial hergestellt angegeben. In bestimmten Fällen von Mehrfachsystemkanonen kann jedoch erwünscht sein, die entsprechenden Elektroden aus einem gemeinsamen Stück leitenden Materials herzustellen. Beispielsweise können in einer Dreieck- oder Nebeneinander-Anordnung von 3 Systemen die drei ersten Elektroden aus einem einzigen Materialblock gestanzt, ausgearbeitet oder sonstwie hergestellt sein. Mit anderen Worten: Anstelle von drei einzelnen ersten Elektrode!}, liegt dann ein einzelner Materialblock mit drei zylindrischen Bohrungen-vor, die entsprechend bemessen sind und untereinander ! den gewünschten Abstand haben und im Dreieck oder nebeneinander ' angeordnet sind. Die drei zweiten Elektroden könntenentsprechend aus einem einzigen Materialblock gefertigt werden, usw. für die ' übrigen Elektroden. Andere bauliche Änderungen lassen sich anwenden, um. Fokussierfeider zu erreichen, die denen in den vorzugsweise ausgeführten Formen erzeugten gleichwertig sind. Weiterhin ist einzusehen, daß, obgleich die obige Beschreibung eine Anwendung der Prinzipien der Erfindung in einer Farbbildröhre vorausgesetzt hat, die gleichen Prinzipien sich auch· auf Schwarzweiß-Kathodenstrahlröhren anwenden und die Yorteile realisieren lassen. An den oben beschriebenen Ausführungsformen lassen sich folglich Änderungen und Variationen im Rahmen der. vorliegenden Erfindung durchführen, ohne vom Grundgedanken und Umfang derselben abzuweichen.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Elektronenkanone für den Einsatz einer FS-Kathodenstrahlröhre mit einer Spannungsversorgung, die diskrete Betriebsspannungen erzeugt, wobei die Elektronenkanone mit Betriebsspannungen aus der Spannungsversorgung beaufschlagt wird, um einen fokussierten Elektronenstrahl zu erzeugen, und weiterhin eine Elektronenquelle aus einer Kathode und einer Gitteranordnung zur Erzeugung eines Strahlknotens sowie eine Fokussierlinsenanordnung aufweist, die Elektronen aus dem Strahlknoten sowie eine vorbestimmte Folge von Betriebsspannungen aus der Spannungsversorgung aufnimmt, um in einer Entfernung ein reales Abbild des Strahlknotens zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine Anfangs- und eine Endelektrode, die. rohrförmig sind und eine verhältnismäßig hohe Betriebsspannung aufnehmen, einer zwischen der Anfangs- und der Endelektrode angeordneten rohrförmigen Elektrode, die eine verhältnismäßig niedrige Betriebsspannung aufnimmt, und durch rohrförmige Elektrodenanordnungen zwischen der Niederspannungselektrode und mindestens einer der endständigen Elektroden, die eine zwischen der honen und der niedrigen Betriebsspannung aufnimmt, wobei die Linse ein verlängertes, axial kontinuierliches aktives Fokussierfeld aufbaut, das gegen externe FeIdstörungen im wesentlichen abgeschirmt ist.

   Elektronenkanone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierlinsenanordnung in engem koaxialem Abstand eine erste und eine fünfte Endelektrode, die im wesentlichen gleiche und verhältnismäßig hohe angelegte Potentiale aufnehmen, eine zweite und eine vierte Zwischenelektrode, die im wesentlichen gleiche und verhältnismäßig mittelhohe angelegte Potentiale aufnehmen, sowie eine dritte Mittelelektrode aufweist, die ein verhältnismäßig niedriges angelegtes Potential aufnimmt.

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   3. Elektronenkanone nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegten Potentiale von der Mittelelektrode aus zur .zweiten und vierten und von der zweiten und vierten, zur ersten "bzw. fünften Elektrode in angenähert geometrischer Folge zunehmen.

   4. Elektronenkanone nach Anspruch 3.» dadurch gekennzeichnet _t daß der Progressionsfaktor angenähert gleich 2 ist.

   5. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 2 bis 4·, dadurch gekennzeichnet+ daß .das mittelhohe Potential im Bereich von etwa 30 ... 70 % und das verhältnismäßig niedrige Potential im Bereich von etwa 15 ··. 35 % des verhältnismäßig hohen Potentials liegen und daß die Folge vom verhältnismäßig niedrigen zum verhältnismäßig mittelhohen zum verhältnismäßig hohen Potential monoton ist.

   6. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode eine axiale Länge von etwa dem 0,5- bis 2,0-fachen ihres Innendurchmessers hat.

   7. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,' daß sämtliche Elektroden den gleichen Innesdurchmesser haben.

   8. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 2 bis '5,, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Zwischenelektroden eine Axial-

   , abmessung hat, die kleiner als das 1,5-fache ihres Innendurchmessers ist.

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