DE2726663A1

DE2726663A1 - Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2726663A1
Application number: DE19772726663
Authority: DE
Inventors: Jacques Chevalier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-06-15
Filing date: 1977-06-14
Publication date: 1977-12-22
Also published as: FR2355373A1; DE2726663C2; US4146818A; GB1544322A; FR2355373B1

Description

Unser Zeichen; T 2209 13.Juni 1977

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Frankreich

Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung für Katodenstrahlröhren, in denen ein Elektronenstrahlenbündel mit kleinem Durchmesser, das eine gleichmässige Auflösung auf dem gesamten Bildschirm ermöglicht, erreicht werden soll.

Darzeit vorhandene Lösungen erfüllen den festgesetzten Zweck nur teilweise. Dabei wird als Ausgangspunkt eine herkömmliche Elektronenkanone verwendet, die aus einer Elektrodenanordnung mit folgendem Aufbau besteht: Einer ebenen Katode und einer ihr zugeordneten üblichen Anordnung aus einer Wehnelt-Elektrode zur Steuerung der Ergiebigkeit der Katode, einer ersten Beschleunigungselektrode, die auch als Anode bezeichnet wird, und aus Fokussierungselektroden.

Zur Begrenzung der Divergenz des Strahlenbündels wird entsprechend einer vorgeschlagenen Lösung eine zusätzliche Schw/Ba

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Elektrode verv/endet, die in der Nähe des Verjüngungsbereichs des Elektronenbündels zwischen der ersten Beschleunigungselektrode und der ersten Hauptfokussierungselektrode angebracht ist.

Eine weitere Lösung besteht darin, eine Elektronenkanone zu verwenden, die unter der Bezeichnung Pierce-Kanone bekannt ist und ein wenig divergierendes Strahlenbündel erzeugt. Eine weitere Lösung, die als Monocon-Kanone bekannt ist, ermöglicht ebenfalls auf Kosten des Wirkungsgrades der Kanone und ihres Gegenwirkleitwerts die Erzielung eines wenig divergierenden Strahlenbündels.

Mit Hilfe der Erfindung wird unter Überwindung der oben erwähnten Nachteile das angestrebte Ziel erreicht.

Nach der Erfindung ist eine Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung, die für Katodenstrahlröhren vorgesehen ist und die aufeinanderfolgend eine Elektronenquellenelektrode (Katode), eine Steuerelektrode (Wehnelt-Elektrode), eine erste Beschleunigungselektrode (Anode) sowie eine erste und eine zweite Fokussierungselektrode enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fokussierungselektrode im Betriebszustand an eine Vorspannung.gelegt ist, die um mehr als das Zehnfache größer als die Vorspannung der vorangehenden Elektrode ist, daß die zweite Fokussierungselektrode im Betriebszustand an eine Vorspannung gelegt ist, die um ein Mehrfaches größer als die Vorspannung der vorangehenden Elektrode ist, und daß die erste Fokussierungselektrode eine Vorfokussierungslinse und die zweite Fokussierungselektrode mit dieser eine Hauptlinse bildet.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet durch Erzielung eines Elektronenstrahlerühdels mit kleinem Durchmesser von der Katode zum Bildschirm der Röhre, in der die Vorrichtung benutzt wird, die Anwendung einer üblichen Ablenkvorrichtung, wobei die Fokussierung und die Emission des Elektronenstrahlenlündels nach der Erfindung unabhängig von der gewählten Ablenkart ausgeführt werden. Eine mit einer erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ausgestattete Katodenstrahlröhre weist außerdem ein konstantes Auflösungsvermögen unabhängig von der Luminanz des Leuchtflecks auf dem Schirm auf. Eine Erhöhung der Luminanz des Leuchtflecks durch Vergrösserung der Ergiebigkeit der Katode zieht bei einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Röhre keine Änderung des Auflösungsvermögens des Bildschirms nach sich; die Vergrößerung des Durchmessers des Verjüngungsbereichs des Strahlenbündels führt nicht zu einer Defokussierung seines Bildes auf dem Schirm der Katodenstrahlröhre.

Pur eine genau festgelegte Breite der Leuchtfleckspur auf dem Bildschirm weist wegen der Erzielung eines Elektronenstrahlenbündels mit geringem Durchmesser die Leuchtintensitätsverteilung abhängig vom Abstand der Leuchtfleckmitte einen quasi rechteckigen Verlauf auf, der dicht bei der Mitte des Leuchtflecks ein Maximum hat und dicht bei den wahrnehmbaren Grenzen des Leuchtflecks einen starken Lichtintensitätsabfall zeigt, so daß der Leuchtfleck keinen Lichthof hat. Bei einer Fernsehbildabtastung kann die Bildzeilenstruktur, die in einer herkömmlichen Rohre aus einem nichtbeleuchteten Zwischenraum zwischen Zeilen auf Grund ihrer Leuchtdichteverteilung besteht,durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vermieden

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werden. Wegen der mittels der Erfindung ermöglichten Erzielung eines 3ichthoffreien Leuchtflecks auf dem Bildschirm ist es nicht notwendig, eine Blende zur Begrenzung der Nutzabmessungen des Leuchtflecks auf dem Bildschirm der Katodenstrahlröhre anzuwenden.

Mit Hilfe der Erfindung kann ein ausgezeichneter Wirkungsgrad der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung erzielt werden, was eine gute Lebensdauer der emittierenden Katode gewährleistet.

Schließlich weist eine mit der erfindungsgemäßen Elektronenstrahler zeug ungs vorrichtung ausgestattete Katodenstrahlröhre eine gleichinässige Auflösung auf dem gesamten Schirm auf, wobei der kleine Durchmesser des Strahlenbündels ermöglicht, den Astigmatismus und die Defokus sierung des Leuchtflecks am Rand des Schirms für einen großen Ablenkwinkel des Strahlenbündels auf ein Minimum zu verringern.

Mit der erfindungsgemäßen Elektronenstränierzeugungsvorrichtung ausgestattete Katodenstrahlröhren können überall dort angewendet werden, wo eine Röhre mit den oben angegebenen Vorteilen erforderlich ist; insbesondere gilt dies auf dem Gebiet der graphischen Darstellung von Daten, bei Fernsehempfängern und bei Sichtanzeigegeräten für Fernsprechapparate.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert.Es zeigen:

Fig.1 eine mit einer erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ausgestattete Katodenstrahlröhre,

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Fig.2 eine Ausführungsform der Erfindung,

Fig.3 und Fig.4 ein Diagramm der Elektronenstrahleribündel, wie sie in einer herkömmlichen Katodenstrahlröhre bzw. in einer Katodenstrahlröhre mit der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung erhalten werden,

Fig.5 und 6 ein Vergleichsdiagramm zur Veranschaulichung der Defokussierung und des Astigmatismus bei einer Katodenstrahlröhre mit der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung bzw. bei einer herkömmlichen Katodenstrahlröhre für den Fall starker Ablenkungen des Elektronenstrahlbündels,

Fig.7 und Fig.8 ein Diagramm, das abhängig vom Katodenstrom die Änderung des Durchmessers des Leuchtflecks auf dem Bildschirm einer mit der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ausgestatteten Katodenstrahlröhre bzw. einer mit einer herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ausgestatteten Katodenstrahlröhre zeigt,

Fig.9 und Fig.10 eine Kurve zur Veranschaulichung des Wirkungsgrades einer Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung nach der Erfindung bzw. einer herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung.

Die in Fig.1 dargestellte Elektronenstrahlröhre enthält in einem Glaskolben 6 mit einem Schirm 7 eine Folge von Elektroden, nämlich eine Elektrode 1, die eine Elektronenquelle oder emittierende Katode ist, eine Elektrode 2, die eine Steuer- oder Wehnelt-Elektrode ist, eine Elektrode 3, die eine erste Beschleunigungselektrode oder Anode ist, sowie

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Elektroden A und 5 , die Fokussierungselektroden sind. Im Betriebszustand ist jede Elektrode über Anschlüsse 8, 9, 10, 11 und 12 jeweils an eine Vorspannung V1, V2, V3, V4 und V5 angelegt.

Nach der Erfindung wird durch Anwendung einer ersten Vorfokussierungslinse und dann einer zweiten Hauptlinse eine Vorfokussierung des Elektronenstrahlenbündels erzielt, die gestattet, ein Bündel mit kleinem Durchmesser in seiner gesamten Länge sowie mit schwacher Neigung der Strahlen bezüglich der Bündelachse zu erhalten. Die Vorfokussierungslinse wird von den Elektroden 3 und 4 gebildet, an die im Betrieb Vorspannungen V3 und V4 mit einem Spannungsverhältnis V4/V3 von mehr als 15 angelegt sind; die zweite Linse wird von den Elektroden und 5 gebildet, an die im Betriebszustand Vorspannungen V4 und V5 in einem Spannungsverhältnis V5/V4 von etwas weniger als 4. angelegt werden. Die Anode 3 weist eine ebene Fläche oder vorzugsweise eine ebene Eintrittscheibe 13 auf, die in ihrer Mitte mit einer kreisförmigen Öffnung 17 versehen ist; die erste Fokussierungselektrode 4 weist eine ebene Fläche oder vorzugsweise eine ebene Eintrittsscheibe 14 auf, die ebenfalls in der Mitte mit einer kreisförmigen öffnung 18 versehen ist. Die Eintrittscheiben 13 und 14 der Elektroden 3 und 4 liegen parallel zueinander und senkrecht zur Achse 21 des Elektronenstrahlenbündels, die durch ihre Mitte verläuft. Die erste Fokussierungselektrode 4 weist eine ebene Fläche oder vorzugsweise eine ebene Austrittsscheibe 15 auf, und die zweite Fokussierungselektrode 5 weist eine ebene Fläche oder vorzugsweise eine ebene Eintrittsscheibe 16 auf. Die beiden Scheiben 15 und 16 sind jeweils in ihrer Mitte mit kreisförmigen Öffnungen und 20 versehen , und sie verlaufen parallel zueinander

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und senkrecht zu der durch ihre Mitten verlaufenden Achse des Elektronenstrahlenbündels. Die erste Vorfokussierungslinse wird von den mit den Öffnungen ausgestatteten parallelen Scheiben 13 und 14 der Elektroden 3 und 4 gebildet; die zweite Linse, also die Hauptlinse, wird von den mit Öffnungen versehenen parallelen Scheiben 15 und 16 der Elektroden 4 und 5 gebildet.

Das Spannungsverhältnis V5/V4 ist klein im Vergleich zum Spannungsverhältnis V4/V3. Auf Grund der geometrischen Ausgestaltung ist die Stärke der zweiten Linse jedoch ausreichend, um die Hauptfokussierung zu gewährleisten. Die Eintrittsöffnung 18 der Elektrode 4 besteht aus einem kreisförmigen Loch mit kleinem Durchmesser. Dieses Loch erzeugt eine Krümmung der Feldlinien und ein Zusammendrücken des StrahlenbundeIs an seinem Ort. Die zweite Linse, also die Hauptlinse, erzeugt somit auf dem Schirm das Bild eines Objekts, dessen Lage und dessen Durchmesser sich mit der Ergiebigkeit der Katode nur wenig ändert, so daß eine geringe Änderung der Leuchtfleckabmessungen auf dem Schirm gewährleistet wird. Die Ablenkung des Elektronenstrahlenbündels wird mittels irgendeiner herkömmlichen Ablenkeinrichtung erzielt, die in Fig.1 nicht dargestellt ist.

Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weisen die Elektroden 2 und 3 jeweils ein Loch mit gleichem Durchmesser wie im Fall einer herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung auf. Entsprechend der speziellen Ausführungsform ist die Eintrittscheibe 14 der Elektrode 4 mit einem kreisförmigen Loch 18 versehen, dessen Durchmesser, der die gleiche Größenordnung wie das das Loch durchlaufende Elektronenstrahlenbündel hat, viel kleiner als der Durchmesser der Öffnungen der

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vorhergehenden Elektroden 2 und 3 ist. Der Abstand zwischen den Elektroden 3 und 4 ist der Abstand von Elektroden einer herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung. Der Durchmesser der öffnung 19 der Austrittscheibe 15 der Elektrode 4 hat die gleiche Größenordnung wie der Strahlenbündeldurchmesser. Die Eintrittsscheibe 16 der Elektrode 5 weist ein kreisförmiges Loch 20 auf, dessen Durchmesser etwa so groß wie der Durchmesser der öffnung der Austrittsscheibe 15 der Elektrode 4 ist. Der Abstand zwischen den Scheiben 15 und 16 der Elektroden 4 und 5 liegt in der Größenordnung des 2-bis 3-fachen Werts der Abmessung der öffnung 19 der Austrittsscheibe 15 der Elektrode

In der in Fig.2 dargestellten AusfUhrungsform der Erfindung weisen die kreisförmigen Löcher der Elektroden 2 und 3 einen Durchmesser von 0,7 mm auf, der Durchmesser des Lochs 18 der Eintrittscheibe 14 der Elektrode 4 beträgt O₁4 mm und der Abstand zwischen den Scheiben 13 und 14 der Elektroden 3 und 4 liegt in der Größenordnung von 6mm. Der Durchmesser der öffnung 19 der Austrittsscheibe 15 der Elektrode 4 beträgt also 0,9 mm, so daß ein StrahlenbUndeldurchmesser in der gleichen Größenordnung für hohe Werte des Katodenstroms erhalten werden kann. Der Abstand zwischen den Scheiben 15 und 16 der Elektroden 4 und 5 liegt in der Größenordnung von 2mm.

An den verschiedenen Elektroden liegen die folgenden Vorspannungen:

Katodenspannung:V1 = OV ;

Wehnelt-Spannung : V2 < 0 ;

Spannung der ersten Beschleunigungsanode: V3 = 250V;

Spannung an der Elektrode 4: V4 = 5000 V;

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Spannung an der Elektrode 5: V5 = 14 000 V.

Die Anwendung der zweiten Linse oder der Hauptlinse mit zwei Löchern zur Fokussierung ermöglicht es, ein kleines Spannungsverhältnis V5/V4 zu erhalten (nämlich ein Verhältnis von 2,8 im angegebenen AusfUhrungsbeispiel), wobei jedoch die Fokussierungseigenschaften dieser Linse auf Grund ihrer geometrischen Ausgestaltung erhalten bleiben.

Eine Linse mit zwei Löchern besteht im wesentlichen aus zwei leitenden Ebenen, die parallel zueinander liegen und jeweils eine öffnung mit kleinem Durchmesser in Gegenüberstellung aufweisen. Der Abstand zwischen den die Linse bildenden parallelen Ebenen hat nicht mehr als den 2-bis 3-fachen Wert der Abmessungen der Öffnungen.

Deshalb ist die Spannung V5 aus anderen Überlegungen als Überlegungen hinsichtlich der Leuchtdichte des Bildschirms mit einem kleinen Verhältnis von V5/V4 gewählt, und die Spannung V4 ist bezüglich des Potentials der entsprechenden Elektrode einer herkömmlichen Röhre erhöht.

Das Spannungsverhältnis V4/V3 hat im angegebenen Ausführungsbeispiel den Wert 20. Dieses Verhältnis, das bei einer Katodenstrahlröhre mit einem herkömmlichen Strahlerzeugungssystem in der Größei Ordnung von 9 liegt, ist hier wesentlich höher, und die von den Elektroden und 4 gebildete Linse hat somit eine viel größere Wirkung als bei einem herkömmlichen Elektronenstränierzeugungssystem.

Die auf diese Weise erzielte Vorfokussierungswirkung ergibt ein Elektronenstrahlenbündel mit viel kleinerem Durchmesser. Im gegebenen Ausführungsbeispiel ist der

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Durchmesser des Elektronenstrahlenbündels in der Höhe der Ablenkeinrichtung halb so groß wie bei einer herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung.

Das Prinzip der Fokussierung des Elektronenstrahlen bündeis nach der Erfindung ist in Fig.4 dargestellt. Die von den Elektroden 3 und 4 gebildete Vorfokussierungslinse erlaubt auf Grund ihrer optischen Eigenschaften eine Modifizierung der Leuchtdichteverteilung des Leuchtflecks entsprechend einer gleichsam rechteckigen Leuchtdichte Verteilungskurve, was eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ergibt, indem sich die Verwendung einer Blende zur Unterdrückung des Lichthofs erübrigt. Auf der Höhe der Ablenkeinrichtungen hat das Elektronenstrahlenbündel einen Durchmesser, der gleich der Hälfte des Durchmessers bei einer herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung nach Fig.3 ist, so daß auf diese V/eise Astigmatismus- und Defokussierungsfehler des Leuchtflecks auf dem Schirm für große Ablenkwinkel des Bündels reduziert werden.

Gemäß Fig.5 ermöglicht die Fokussierung der Katodenstrahlen eines Bündels mit kleinem Durchmesser und mit kleinem Neigungswinkel bezüglich der Achse 21 des Elektronenstrahlenbündels bei den größten Ablenkwinkeln die Beibehaltung einer Spur des Leuchtflecks mit einem Durchmesser 02, der vom Minimaldurchmesser 01 des Leuchtflecks in der Mitte des Schirms 24 nur wenig verschieden ist. Bei einem Elektronenstrahlenbündel einer herkömmlichen Röhre nach Fig.6 ergibt die Neigung der Strahlen bezüglich ihrer Ausbreitungsrichtung für starke Ablenkwinkel des Bündels einen Leuchtfleckdurchmesspr 02, der wesentlich größer als der Leuchtfleckdurchmesser 01

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in der Mitte des Schirms 2h ist.

Die in den Figuren 7 und 8 angegebenen Kurven zeigen den Leuchtfleckdurchmesser 0 abhängig vom Katodenstrom für eine mit einer Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung nach der Erfindung ausgestattete Röhre bzw. eine herkömmliche Röhre, wobei die Ordinatenv/erte in Millimeter und die Abszissenwerte in Mikroampere angegeben sind. Die Figuren 7 und 8 zeigen, daß die Änderung des Leuchtfleckdurchmessers in Abhängigkeit vom Katodenstrom durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung verringert wird. Die mittlere Steigung der Kurve, die bei einer herkömmlichen Röhre 11x 10" mm/uA beträgt, wurde bei einer mit der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ausgestatteten Röhre auf einen wesentlich unter 3 χ 10" mm/uA liegenden Wert gebracht.

Bezüglich des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen ElektronenstrahlerZeugungsvorrichtung läßt sich feststellen, daß der relative Wirkungsgrad in Bezug auf den Wirkungsgrad von Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtungen bei kleinen Katodenströmen unter 50 λίΑ für große Werte des Katodenstroms praktisch beibehalten wurde, was im Gegensatz zum relativen Wirkungsgrad einer herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung steht. Die Wirkungsgradkurve der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung ist in Fig.9 dargestellt, während Fig.10 die Kurve für eine herkömmliche Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung zeigt; an der Ordinate ist dabei jeweils in Prozent das Verhältnis der Strahlenbündelstärke If zur Katodenstromstärke Ik angegeben.

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Leerseite

Claims

Patentanwälte E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Ernsbergerstrasse 19 8 München 60 Unser Zeichen; T 2209 13.Juni 1977 THOMSON-CSF 173 Bd.Haussmann 75008 Paris, Frankreich Patentansprüche

1. Elektronenstrahlerzeugungsvorrichtung, die aufeinanderfolgend eine Elektronenquellenelektrode (Katode), eine Steuerelektrode (Wehnelt-Elektrode), eine erste Beschleunigungselektrode (Anode) sowie eine erste und eine zweite Fokussierungselektrode enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fokussierungselektrode im Betriebszustand an eine Vorspannung gelegt ist, die-um mehr als das Zehnfache größer als die Vorspannung der vorangehenden Elektrode ist, daß die zweite Fokussierungselektrode im Betriebszustand an eine Vorspannung gelegt ist, die um ein Mehrfaches größer als die Vorspannung der vorangehenden Elektrode ist, und daß die erste Fokussierungselektrode eine Vorfokussierungslinse und die zweite Fokussierungselektrode mit dieser eine Hauptlinse bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Beschleunigungselektrode (3) und die erste Fokussierungselektrode (4) jeweils eine Eintrittsscheibe (13, 14) aufweisen, die in ihrer Mitte mit einem kreisförmigen Loch (17, 18) versehen sind, daß die Scheiben senkrecht

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ORIGINAL INSPECTED

zu der sie durchlaufenden Achse (21) des Elektronenstrahlenbündels angeordnet sind und daß die Elektroden im Betriebszustand an eine Vorspannung V3 bzw. V 4 in einem Verhältnis V4/V3 von mehr als 15 angelegt sind und die Vorfokussierungslinse bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (18) der Eintrittsfläche (14) der Elektrode (4) einen Durchmesser in der Größenordnung des das Loch durchlaufenden Elektronenstrahlenbündels hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fokussierungselektrode (4), die eine mit einem kreisförmigen Loch (19) versehene Austrittsscheibe (15) enthält, und die zweite Fokussierungselektrode (5), die eine mit einem kreisförmigen Loch (20) versehene Eintrittsscheibe (16) enthält, die Hauptlinse bilden, daß die Scheiben senkrecht zu der durch ihre Mitte verlaufenden Achse (21) des Elektronenstrahlenbündels angeordnet sind, und daß die Scheiben im Betriebszustand an Vorspannungen V4 bzw. V5 mit einem Spannungsverhältnis V5/V4 von weniger als 4 ■ angelegt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsscheibe(15) der Elektrode (4) und die Eintrittsscheibe (16) der Elektrode (5) die jeweils mit Löchern (I9_f 20) versehen sind, eine Linse mit zwei Löchern bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsscheibe (15) der Elektrode (4) und die Eintrittsscheibe (16) der Elektrode (5) in einem Abstand

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voneinander liegen, der kleiner als der dreifache Durchmesser des Lochs (19) der Scheibe (15) der Elektrode (4) ist.

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