DE2719000A1

DE2719000A1 - Verfahren und einrichtung zum messen eines ionisationsstromes in einer vakuumroehre in gegenwart eines isolationsstromes

Info

Publication number: DE2719000A1
Application number: DE19772719000
Authority: DE
Inventors: Ervin Matthew Ball
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Licensing Corp
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-04-28
Publication date: 1977-11-17
Also published as: GB1575437A; US4038616A; IT1075444B; CA1075304A; JPS628896B2; DE2719000C2; JPS52133262A; FR2349838B1; FR2349838A1

Description

Beschre ibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine Einrichtung zum Messen des Gas- oder Ionisationsstromes in einer Kathodenstrahlröhre.

In den meisten Vakuumröhren ist das Vorhandensein von Gas unerwünscht, da die resultierende Ionsation in der Röhre zu übermäßigen Gitterströmen führen, die Kathode schädigen und andere störenden Einflüsse verursachen kann. Außerdem sind die elektrischen Eigenschaften einer gasigen Röhre, also einer Röhre, die übermäßig viel Gas enthält, nicht konstant und die Röhre arbeitet unregelmäßig. Dies stört besonders bei Kathodenstrahlröhren, wie Fernsehröhren, bei denen ein gleichmäßiges Arbeiten für eine einwandfreie Wiedergabe des Bildes auf dem Lumineszenzschirm erforderlich ist.

Die Höhe des Vakuums in einer Röhre läßt sich durch die Messung des Gas- oder Ionisationsstromes in der Röhre genau bestimmen. In gewöhnlichen Vakuumröhren ist der Ionisationsstrom verhältnismäßig groß, so daß man in den üblichen Röhrenprüfgeräten kein besonders empfindliches Meßgerät für den Ionisationsstrom benötigt. Ein etwaiger Fehloder Isolationsstrom infolge von hochohmigen Leck- oder Isolationsstromwegen beeinflußt ein solches Meßgerät also nur wenig. Bei Kathodenstrahlröhren benötigt man jedoch zur Messung des sehr kleinen Ionisationsstromes eine sehr empfindliche Anzeigevorrichtung, so daß auch die Isolationsströme mit angezeigt werden und die Ionisationsstrommessung unzuverlässig wird, wenn man nicht den Isolationsstrom ohne Beeinträchtigung der Empfindlichkeit der Anzeigevorrichtung kompensiert. Bei den meisten modernen hochevakuierten Ka-

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thodenstrahlröhren wird der Gas- oder Ionisationsstrom vom Leck- oder Isolationsstrom praktisch völlig überdeckt.

Bei einem aus der US-PS 2 632 134 (Reid) bekannten Verfahren zur Messung von kleinen Ionisationsströmen in Kathodenstrahlröhren wird der verhältnismäßig große Isolationsstrom dadurch kompensiert, daß das Anzeigeinstrument vor der Messung des Ionisationsstromes "genullt" wird. Die Bedienungsperson muß hierfür in der Praxis den Isolationsstrom jeder einzelnen Kathodenstrahlröhre messen und kompensieren, um den (as- oder Ionisationsstrom genau messen zu können. Für große Mengen von Kathodenstrahlröhren kann diese Prozedur sehr zeitraubend werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, die den Ionisationsstrom schnell und praktisch automatisch sowie mit einfachen Mitteln unabhängig vom Isolationsstrom zu messen gestattet.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren und die im Anspruch 2 gekennzeichnete Einrichtung gelöst.

Die übrigen Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Einrichtung gemäß Anspruch 2.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

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Fig. la eine schematische Darstellung einer eine Kathode sowie ein G1-, ein G2-, und ein G3-Gitter enthaltenden Kathodenstrahlröhre und eines von der Kathode zum G2-Gitter fließenden Elektronenstromes;

Fig. Ib eine schematische Darstellung der Kathodenstrahlröhre, in der der Elektronenstrom gesperrt ist;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Vakuumröhren-Gasprüfgerätes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 ein Schaltbild einer Gasprüfschaltung für das Gerät gemäß Fig. 2.

In Fig. la ist schematisch eine Kathodenstrahlröhre 10 dargestellt, welche eine Kathode 12, ein G1-Gitter 14, ein G2-Gitter 16 und ein G3-Gitter 18 enthält, die in der angegebenen Reihenfolge mit Abständen hintereinander angeordnet sind. Das Gl-, G2- und G3-Gitter kann auch als erstes, zweites bzw. drittes Gitter bezeichnet werden. Die Kathode und die drei Gitter befinden sich in einem evakuierten Kolben 20.

Bekanntlich verbleiben auch bei Verwendung der besten Evakuierungsverfahren, die zur Verfügung stehen, im evakuierten Kolben 10 noch Restgasmoleküle, die in Fig. la schematisch mit "G" bezeichnet sind. Im Betrieb der Röhre werden einige dieser Gasmoleküle von den von der Kathode emittierten Elektronen getroffen und ionisiert, wobei dann ein Gas- oder Ionisationsstrom entsteht. Wenn man beispielsweise bei einer RCA-Farbferneehbildröhre des Typs 25VEDP22 an die Kathode 12 Massepotential, an das G2-Gitter 16 eine Spannung von +2OO Volt, an das G3-Gitter 18 eine Spannung von etwa

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-26 Volt und das G1-Gitter 14 eine solche Spannung (etwa -15 Volt), daß ein Kathodenstrom von 1mA fließt, legt, fließen zwar die meisten Elektronen e~ von der Kathode 12 durch das G1-Gitter 14 zum G2-Gitter 16, einige Elektronen treten jedoch durch das G2-Gitter 16 durch Treffen und Ionisieren einige der Gasmoleküle G, die sich im Raum zwischen dem G2- und dem G3-Gitter befinden. Wegen der Potentialdifferenz zwischen dem G2- und dem G3-Gitter wandern die positiven Gasionen (+) zum G3-Gitter 18 und erzeugen im G3-Gitterkreis einen Strom, der gewöhnlich als Gas- oder Ionisationsstrom bezeichnet wird. Ferner wird infolge der in der Praxis unvermeidbaren hochohmigen Leck- oder IsolationsStromwege auch ein Leck- oder Isolationsstrom im G3-Gitterkreis zwischen dem G3-Gitter und den benachbarten Elektroden fließen.

In Fig. Ib sind die Wege der von der Kathode

emittierten Elektronen e~ bei gesperrter Röhre 10 dargestellt. Dieser Zustand liegt beispielsweise bei der RCA-Farbfernsehbildröhre 25VEDP22 vor, wenn sich die Kathode 12 auf Massepotential, das G2-Gitter 16 auf + 200 V, das G3-Gitter 18 auf -26 V und das G1-Gitter 14 auf etwa 150 V befinden. Wenn diese Betriebspotentiale anliegen, vermögen die Elektronen von der Kathode das G1-Gitter 14 nicht zu durchlaufen. Die Elektronen von der Kathode können daher auch nicht die Gasmoleküle G im Zwischenraum zwischen dem G2-Gitter und dem G3-Gitter treffen und ionisieren. Im G3-Gitterkreis wird daher dann auch kein Gas- oder Ionisationsstrom fließen. Der Leck- oder Isolationsstrom wird jedoch im G3-Gitterkreis weiter vorhanden sein.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Vakuumröhren- Gasprüfgerätes 30 gemäß einer Ausführungsform der

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vorliegenden Erfindung. Das Gerät 30 enthält eine erste Gleichspannungsquelle 32, deren positive Ausgangsklenune mit dem G2-Gitter 16 der zu prüfenden Kathodenstrahlröhre 10 mittels eines elektrischen Leiters 34 elektrisch verbunden ist und deren negative Ausgangsklenune an Masse liegt. Das Gerät enthält ferner eine zweite Gleichspannungsklemme 36, deren negative Ausgangsklemme über einen Leiter 38 mit dem G3-Gitter 18 der zu prüfenden Röhre 10 verbunden ist. Die Kathode 12 ist über einen Leiter 42 und eine Stromanzeigevorrichtung 40 elektrisch mit Masse verbunden. Die Stromanzeigevorrichtung kann beispielsweise ein handelsübliches Milliamperemeter sein. Das Gerät 30 enthält weiterhin eine erste einstellbare Gleichspannungsquelle 44, deren positive Ausgangsklemme elektrisch mit Masse verbunden ist und deren negative Ausgangsklemme über einen Leiter 46 an das G1-Gitter 14 elektrisch angeschlossen ist.

Die positive Ausgangsklenune der zweiten Gleichspannungsquelle 36 ist mit einer Eingangsklemme einer Strom/ Spannungs-Umwandlungsanordnung 48 (im folgenden kurz I/U-Wandler) über einen Leiter 50 verbunden. Der I/ü-Wandler 48 ist mit seinem Ausgang über einen Leiter 54 mit einer ersten von zwei Klemmen eines kapazitiven Speicherelements 52 verbunden. Die zweite Klemme des kapazitiven Speicherelements 52 ist an eine Klemme eines einpoligen Ein/Aus-Schalters 56 und eine von zwei Meäklemmen einer Spannungsanzeigevorrichtung 58 durch einen Abzweigleiter 60 verbunden. Die andere Klemme des Schalters 56 ist über einen Leiter 62 an Masse angeschlossen. Die andere Meßklemme der Spannungsmeßvorrichtung 58 ist über einen Leiter 64 an Masse angeschlossen.

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Fig. 3 zeigt ein Schaltbild der in Fig. 2

mit einem gestrichelten Rechteck 66 umrahmten Schaltungsteile. Der I/U-Wandler 48 enthält einen Operationsverstärker 68, z.B. National Semiconductor Corporation Type LHOO22 "High Performance FET Operational Anplifier". Dem Operationsverstärker 68 sind ein Widerstand 70 und ein Kondensator parallelgeschaltet, die einen Rückkopplungszweig vom Ausgang zu einem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 68 bilden. Beispielsweise können der Kondensator 72 einen Wert von 0,05 μΈ und der Widerstand 70 einen Wert von 2 MOhm haben, was einen Verstärkungsfaktor von 2 χ 10 ergibt. Der Schalter 56 kann ein Halbleiterschalter hoher Impedanz sein, z.B. ein Feldeffekttransistor 74 des Typs 2N4392 mit einer Gate-Klemme 76, der ein geeignetes Steuersignal von einer Steuersignalquelle 77 zuführbar ist. Andererseits kann als Schalter 56 auch ein gewöhnlicher, handbetätigter Druckknopfschalter verwendet werden.

Die Spannungsanzeigevorrichtung 58 enthält

einen Operationsverstärker 78, der eine hohe Eingangsimpe-

12 danz, z.B. in der Größenordnung von 10 Ohm, hat, z.B.

einen Operationsverstärker des oben erwähnten Typs LHOO22. Der Ausgang des Operationsverstärkers 78 ist über einen Leiter 82 mit der einen von zwei Meßklemmen eines Voltmeters 80 verbunden. Die andere Meßklemme ist über den Leiter 64 an Masse angeschlossen. Das kapazitive Speicherelement 52 enthält z.B. einen 0,1 μΡ-Kondensator.

Die Messung eines Gasstromes mit dem Gerät geschieht folgendermaßen: Dem G2-Gitter 16 der Kathodenstrahlröhre 10 wird von der ersten Gleichstromquelle 32 ein erstes Betriebspotential, z.B. +200 V, zugeführt. Dem G3-Gitter 18 wird von der zweiten Gleichspannungsquelle 36 ein

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zweites Betriebspotential, z.B. -26 V zugeführt. Dem G1-Gitter 14 wird durch die erste, verstellbare Gleichstromquelle 44 eine Vorspannung zugeführt. Diese Vorspannung wird so eingestellt, daß ein gewünschter Kathodenstrom, z. B. 1 mA, der durch die Stromanzeigevorrichtung 40 angezeigt wird, fließt.

Wenn der gewünschte Kathodenstrom fließt, beginnt ein erstes Zeitintervall. Während dieses ersten Zeitin tervalles enthält das Eingangssignal des I/U-Wandlers 48 einen Gas- oder Ionisationsstrom I zuzüglich eines Leckerer Isolationsstromes I., die im Kreis des G3-Gitters fließen. Ein typischer Wert des Ionisationsstromes zuzüglich des Isolationsstromes ist, um ein Beispiel zu geben, 0,505 μΑ. Da der Verstärkungsgrad des I/U-Wandlers, wie erwähnt, etwa 2 χ 10 beträgt, liefert der I/U-Wandler an seinem Ausgang bei diesem Beispiel dann 1,01 Volt. Diese Ausgangsspannung wird der ersten Klemme des kapazitiven Speicherelements 52 zugeführt. Der Schalter 56 wird während dieses ersten Zeitin te rva lies kurzzeitig geschlossen, um das kapazitive Speicherelement auf die Ausgangsspannung des I/U-Wandlers aufzuladen, die bei dem vorliegenden Beispiel 1,01 Volt beträgt. Der Schalter 56 wird vor dem Ende des ersten Zeitintervalle wieder geöffnte, damit das kapazitive Speicherelement seine Ladung behalten kann. Untersuchungen haben gezeigt, daß der Schalter für eine Zeitspanne von mindestens 10 ms geschlossen werden soll, um eine hohe Meßgenauigkeit zu gewährleisten.

Das erste Zeitintervall endet und ein zweites Zeitintervall beginnt, wenn der Kathodenstrom abgestellt wird. Dies geschieht dadurch, daß man das dem G1-Gitter zu-

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geführte Vorspannungspotential auf einen solchen Wert ändert, daß der Stromanzeigevorrichtung 40 angezeigte Wert des Kathodenstromes im wesentlichen Null ist. Da nun kein Kathodenstrom mehr fließt, enthält das Eingangssignal des I/U-Wandlers 48 nur noch den Leck- oder Isolationsstrom I... Ein typischer Wert des Isolationsstromes ist bei dem erwähnten Beispiel etwa 0,5 mA. Dies resultiert in einer Ausgangsspannung von 1,00 V des I/U-Wandlers, welche der ersten Klemme des kapazitiven Speicherelemente 52 zugeführt wird. Da das kapazitive Speicherelement 52 vorher auf 1,01 V aufgeladen worden war und diese Ladung durch die hochohmigen Stromwege, die der geöffnete Schalter 56 und der Operationsverstärker 18 der Spannungsanzeigevorrichtung 58 darbieten, nicht nennenswert abgeflossen ist, bringt die an der ersten Klemme des kapazitiven Speicherelements 52 herrschende Spannung von 1,00 V die Spannung an der zweiten Klemme auf -0,01 V. Dies tritt ein, da die Ladung des Kondensators weiterhin einer Spannung von 1,01 V entspricht. Die an der zweiten Klemme des kapazitiven Speicherelements 52 auftretende Spannung ist daher proportional dem Ionisationsstrom I zuzüglich des Isolationsstromes I, minus den Isolationsstrom I,, so daß also die Differenz nur noch dem Ionisations- oder Gasstrom proportional ist. Die an der zweiten Klemme liegende Spannung wird durch das Spannungsmeßgerät oder Voltmeter 80 angezeigt, das in Gasstromeinheiten geeicht werden kann.

Mit der Einrichtung gemäß der Erfindung können Gas- oder Ionisationsströme in Gegenwart von großen Leckoder Isolationsströmen, die größenordnungsmäßig das Tausendfache des Ionisationsstromes betragen können, gemessen werden. Die Summe aus Isolationsetrom und Gasstrom kann einen positiven oder negativen Wert haben und wird, wie oben im ein-

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zelnen erläutert worden ist, in einem Kondensator gespeichert werden, indem man die eine Seite des Kondensators kurzzeitig, z.B. durch einen Feldeffekttransistor, erdet. Der nun geladene Kondensator überträgt nur den Gasstrom auf die Spannungsanzeigevorrichtung 58. Da bei der Isolationsstrommessung und bei der Ionisationsstrommessung die gleichen Verstärker verwendet werden, werden etwaige Offsetspannungen oder Leckströme in der Meßschaltung automatisch eliminiert.

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Claims

patkntanwIltb DR. DIETER V. BEZOLD DlPL. INO. PETER SCHÜTZ DIPL. INO. WOLFOANO HEUSLER MARIA-THBRBSIAITIIAS8B 29 POSTFACH ββΟβββ D-8(M)U MUENCBKN ββ RCA 69638 U.S.Ser.No. 681,694 25. April 1977 Filed: 29 April 1976 Dr.v.B/E RCA Corporation New York, N.Y. (V.St.A.) Verfahren und Einrichtung zum Messen eines Ionisationsstromes in einer Vakuumröhre in Gegenwart eines Isolationsstromes Patentansprüche

1. Verfahren zum Messen eines Ionisationsstromes in einer Vakuumröhre in Gegenwart eines Isolationsstromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (10) unter Erzeugung eines zu einer ersten Elektrode (16) der Röhre fließenden Kathodenstromes (I. )und zu einer zweiten Elektrode (18) der Röhre fließender Ionisations- und Isolationsströme (I bzw. I,) erregt wird, daß eine der Summe (I + I,) des Ionisationsstromes und des Isolationsstromes proportionale erste Spannung und eine dem Isolationsstrom proportionale zweite Spannung erzeugt werden; daß die Röhre so erregt wird, daß zwar der Isolationsstrom (I,), nicht jedoch der Kathodenstrom (I. ) und der Ionisationsstrom (I ) erzeugt werden;

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ORIGINAL INSPECTED

und daß die erste und die zweite Spannung unter Erzeugung einer dritten Spannung, die gleich zur Differenz zwischen der ersten und zweiten Spannung ist und ein Mae für den Ionisationsstrom (I) darstellt, einer Spannungs-Subtrahieranordnung zugeführt werden.

2. Einrichtung zum Messen eines Ionisationsstromes in einer Vakuumröhre in Gegenwart eines Isolationsstromes gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (32, 36, 44) zum Erregen der Röhre (10) unter Erzeugung eines von einer Kathode (12) zu einer ersten Elektrode (16) fließenden Stromes (I. ) und zu einer zweiten Elektrode (18) der Röhre fließender Ionisations- und Isolationsströme; eine Vorrichtung (32, 36, 44) zum Erregen der Röhre unter Erzeugung des Isolationsstroms (I,) und Unterdrückung des von der Kathode (12) zu der ersten Elektrode (16) fließenden Stromes (I. ) und des Ionisationsstromes (I ); einer Anordnung (48) zum Erzeugen einer ersten Spannung, die der Summe aus dem Ionisationsstrom (I ) und dem Isolationsstrom (I₁) proportional ist und einer zweiten Spannung, die dem Isolationsstrom (I,) Proportional ist; und durch eine Vorrichtung (56), welche die erste und die zweite Spannung unter Erzeugung einer dritten Spannung, die gleich der Differenz zwischen der ersten und zweiten Spannung ist und ein Maß für den Ionisationsstrom (I) darstellt nacheinander an eine Spannungssubtrahieranordnung (52, 56)legt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erregen der Röhre unter Erzeugung eines von der Kathode (12) zu der ersten Elektrode (16) fließenden Stromes (1^) und der zur zweiten Elektrode (16) fließenden Ionisations- und Isola-

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tionsströme (I bzw. I ) eine Schaltungsanordnung (32),die an die erste Elektrode (16) ein bezüglich eines Kathodenpotentials positives erstes Betriebspotential legt, ferner eine Schaltungsanordnung (36), die an die zweite Elektrode (18) ein bezüglich des Kathodenpotentials negatives zweites Betriebspotential legt, und eine Schaltungsanordnung (44) , die einer zwischen der Kathode (12) und der ersten Elektrode (16) liegende Gitterelektrode (14) ein erstes Vorspannungspotential legt, dessen Größe einen vorgegebenen Strom (1^) von der Kathode (12) zu der ersten Elektrode (16) zuläßt.

4.Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erregen der Röhre unter Erzeugung des Isolationsstromes (I.) bei gleichzeitiger Unterdrückung des von der Kathode (12) zur ersten Elektrode (16) fließenden Stromes(1^) und des Ionisationsstromes (I ) eine Anordnung (32) zum Anlegen des ersten Betriebspotentials an die erste Elektrode (16), eine Anordnung (36) zum Anlegen des zweiten Betriebspotentials an die zweite Elektrode (18) und eine Anordnung (44) zum Anlegen eines zweiten Vorspannungspotentials an die Gitterelektrode (14) enthält, dessen Größe bezüglich des Kathodenpotentials genügend negativ ist, um das Fließen des Stromes (I, ) zu der ersten Elektrode (16) zu verhindern.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen der der Summe des Ionisationsstromes (I) und des Isolationsstromes (I.) proportionalen ersten Spannung und der dem Isolationsstrom (I.) proportionalen zweiten Spannung eine Strom/Spannungs-Umwandlungsanordnung mit einem Stromeingang (50), der mit der zweiten Elektrode (18) der Röhre (10) elektrisch verbunden ist, und mit einem Spannungsausgang (54) enthält.

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6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennze ichnet, daß die Strom/Spannungs-Ümwandlungsanordnung einen Operationsverstärker (68) mit einem Widerstandsrückkopplungszweig eines vorgegebenen Widerstandswertes (R) enthält und eine Ausgangsspannung gleich dem R-fachen des Eingangsstromes liefert.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssubtrahieranordnung ein kapazitives Speicherelement (52) mit zwei Klemmen, von denen die eine mit dem Spannungsausgang der Strom/Spannungs-Umwandlungsanordnung (48) elektrisch verbunden ist, und eine Schaltvorrichtung (56) zum Aufladen des kapazitiven Speicherelements durch eine bestimmte Zeitspanne (T) dauerndes Kurzschließen der anderen Klemme des kapazitiven Speicherelements (52) mit der Kathode (12) enthält.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitspanne (T) auftritt, während das erste Vorspannungspotential anliegt.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch

gekennze ichne t, daß die vorgegebene Zeitspanne (T) auftritt, während das zweite Vorspannungspotential anliegt.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung

(56) einen Feldeffekttransistor (74) mit Quellen-, Abfluß- und Gate-Klemme (76) enthält, der mit seiner Quellenklemme elektrisch mit der anderen Klemme (60) des kapazitiven Speicherelements (52) verbunden ist, dessen Abflußklemme elektrisch mit der Kathode (12) gekoppelt ist und dessen Gate-

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kleirane elektrisch mit einer Steueranordnung (77) verbunden ist, welche einen Impuls liefert, dessen Dauer im wesentlichen gleich der vorgegebenen Zeitspanne (T) ist und dessen Größe ausreicht, um den Feldeffekttransistor aufzutasten
und dadurch während der vorgegebenen Zeitspanne (T) einen niederohmigen Stromweg zwischen der Quellenklemme und der Abflußklemme zu schaffen.

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