DE2747441C3 - Als Einzellinse ausgebildete Fokussierlinse in einem Elektronenstrahlerzeugersystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine als Einzellinse ausgebildete Fokussierlinse in einem Elektronenstrahlerzeugersystem in Kathodenstrahlröhren mit drei zylindrischen Elektroden, die koaxial in Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Länge der mittleren Elektrode größer oder gleich 1,1 D mit D gleich dem Innendurchmesser der äußeren Elektroden ist.
Aus der DE-OS 24 50 591 ist eine solche Fokussierlin-

k se bekannt, bei der zwischen den äußeren Elektroden

und der mittleren Elektrode noch Zwischenelektroden vorgesehen sind, die auf einem Potential gehalten sind,

S das zwischen dem Potential der mittleren Elektrode und

dem Potential der äußeren Elektroden liegt. Der Aufbau

dieser Einzellinse weist somit fünf Elektroden auf, an die drei verschiedene Spannungen angelegt sind.

In der US-PS 24 23 924 ist eine Einzellinse zur Verwendung in einer Kathodenstrahlröhre beschrieben, welche drei axial hintereinander angeordnete Elektroden aufweist, die durch kleine axiale Spalte voneinander getrennt sind. Eine jede dieser Elektroden weist eine transversale Wand auf, in welcher eine Blendenöffnung vorgesehen ist. In der Umgebung dieser Blendenöffnungen hat man starke Feldgradienten, welche bei fertigungsbedingten Abweichungen von der Sollgeometrie zu einer verhältnismäßig starken Verzerrung führen. Bei der Linse nach der DE-OS 24 50 591 sind dagegen die einzelnen Elektroden rein zylindrisch und das Fokussieren des Elektronenstrahles erfolgt durch im wesentlichen axial gerichtete Felder und damit feiner.

In der deutschen Patentanmeldung L 14 707, veröffentlicht am 27.1.1955, ist ferner eine Einzellinse offenbart, welche eine mittlere zylindrische Elektrode und zwei äußere Elektroden aufweist. Die letzteren bestehen aus einem außenliegenden zylindrischen Abschnitt und einem der mittleren Elektrode zugewandten kegelstumpfförmigen Abschnitt Der Durchmesser der kegelstumpfförmigen Abschnitte der äußeren Elektrode ist in besonderer Weise auf den Durchmesser der mittleren Elektrode abgestimmt, wodurch es möglich wird, die Linse so klein und leicht herzustellen, daß sie als ein zusammenhängendes Gebilde hergestellt werden kann und die einzelnen Elektroden nicht an besonderen Haltestäben befestigt werden müssen. In der DE-AS 10 71 852 ist ferner eine Fokussierlinse für Kathodenstrahlröhren beschrieben, welche zwei äußere zylindrische Linsensegmente aufweist, die durch eine Mehrzahl wendeiförmiger Leiter verbunden sind. Die so erhaltene Anordnung ist von einer weiteren zylindrischen Elektrode umgeben.

In der DE-PS 9 28 48G und der DE-AS 12 30 925 sind ferner Einzellinsen zur Verwendung in Kathodenstrahlröhren beschrieben, welche zwei axial außenliegende Elektroden und eine mittlere Elektrode aufweisen. Die letztere hat größeren Durchmesser als die axial äußeren Elektroden und überlappt diese teilweise in axialer Richtung.

Weiterhin sind als Einzellinsen ausgebildete Fokussierlinsen allgemein bekannt, die nur aus drei zylindrischen Elektroden aufgebaut sind, bei denen jedoch die Länge der mittleren Elektrode kleiner »st als der Innendurchmesser D der äußeren Elektroden und kleiner als die Längen der beiden äußeren Elektroden. Die der mittleren Elektrode aufgeprägte Fokussierspannung wird meistens auf einen Wert von ungefähr Null eingestellt. Bei einer solchen Fokussierlinse ist die sphärische Aberration groß und ist der Brennfleckdurchmesser in einem praktikablen Betriebsstrombereich nicht ausreichend klein. Diese Nachteile treten sowohl bei Einsatz der Fokussierlinse in einer monochromatischen Kathodenstrahlröhre als auch bei Einsatz in einer Farbbildröhre auf.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine als Einzellinse ausgebildete Fokussierlinse der eingangs genannten Art zu schaffen, deren sphärische Aberration hinreichend klein ist und mit der ein möglichst kleiner Brennfleckdurchmesser erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bei Verwendung einer derartigen Linse in einem Elektronenstrahlerzeuger ist es möglich, bei in Kathodenstrahlröhren üblichen Strahlstromstärken einen kleinen Brennfleck fester Fokussierspannung zu erreichen.

Die Unteransprüche 2 und 3 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Fokussierlinse und die Ansprüche 4 und 5 betreffen vorteilhafte Verwendungen der Fokussierlinse in besonderen Kathodenstrahlröhren.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen zum Stand der Technik gehörigen Elektronenstrahlerzeuger mit Einzellinse,

F i g. 2 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der Fokussierlinse,
Fig.3A ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen den Abmessungen der Fokussierlinse und den Linsenspannungen,

Fig.3B den Zusammenhang zwischen den Abmessungen der Linse und dem Brennfleckdurchmesser, F i g. 4 eine zum Teil als Schnitt dargestellte Seitenansicht einer In-line-Elektrodenstrahlerzeugerbaugruppe für eine Farbbildröhre,

Fig.5A eine Seitenansicht einer Ausführungsform für eine Delta-Elektronenstrahlerzeugerbaugruppe für

eine Farbbildröhre und

Fig.5B eine Endansicht auf die Baugruppe gemäß Fig.5A.

In der F i g. 1 ist schematisch ein zum Stand der Technik gehöriges Elektronenstrahlerzeugersystem mit Einzellinse für den Einsatz in einer monochromatischen Kathodenstrahlröhre dargestellt

Das Elektrojjenstrahlerzeugersystem weist eine Kathode 20 und fünf Elektroden 21 bis 25 auf, die jeweils den gleichen Innendurchmesser besitzen und koaxial von einem Träger gehalten sind (nicht gezeigt), und zwar mit vorgegebenen Abständen zwischen den einzelnen Elektroden 21—25. Die Kathode 20 und die erste und zweite Elektrode 21 bzw. 22 bilden eine Baugruppe, die die Intensität des emittierten Elektronenstiahls steuert, wenn an sie ein externes Steuersignal, wie z. B. ein Videosignal in einer aus dem S-and der Technik bekannten Weise angelegt wird. Die aus der dritten, vierten und fünften Elektrode 23, 24 bzw. 25 aufgebaute Elektrodengruppe bildet eine Einzellinse. Die fünfte und die dritte Elektrode 25 und 23, die jeweils auf einer Seite der vierten Gitterelektrode 24 angeordnet sind, werden an dieselbe Anodenspannung Vb angelegt, während die in der Mitte liegende vierte Elektrode 24 mit einer Fokussierspannung Vf beaufschlagt wird. Die Dimensionen dieser Elektroden bestimmen in erster Linie die Fokussiercharakteristik desElektronenstrahlerzeugersystems.

Die öffnungen 21a und 22a der ersten und zweiten Elektrode 21 und 22 sind vor der elektronenemittierenden Fläche der Kathode 20 angeordnet. Die Eintrittsöffnung 23a der dritten Elektrode 23 ist koaxial zu den öffnungen 21 a und 22a ausgerichtet.

Die Austrittsöffnung der Elektrode 23, die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung der Elektrode 24 und die Eintrittsöffnung der Elektrode 25 haben denselben Durchmesser wie der Innendurchmesser dieser zylindrischen Elektroden (vgl. Fig. 1). Der Spalt d\ zwischen den Elektroden 23 und 24 und der Spalt di zwischen den Elektroden 24 und 25 sind für den Aufbau der Linse notwendig. Die Spaltbreite beträgt üblicherweise weniger als 2 mm, vorzugsweise 1 mm. Wenn die Spaltbreiten größer als 2 mm sind, können äußere Felder das von der Linse aufgebaute elektrische Feld negativ beeinflussen oder stören.

Bei dem in der F i g. 1 gezeigten Elektronenstrahlerzeugersystem mit Einzellinse üblicher Bauart nimmt bei Zunahme der Länge der mittleren Elektrode 24 die sphärische Aberration ab, während gleichzeitig die für eine geeignete Fokussierung des Elektronenstrahls erforderliche Fokussierspannung Vf zunimmt. Es wurden verschiedene Versuche durchgeführt, bei denen die Länge der Elektroden 23 und 24 variiert wurden.

Die Ergebnisse, die bei einer Ausführungsform der Fokussierlinse erzielt wurden, sollen nun in Zusammenhang mit den F i g. 2,3A und 3B beschrieben wenjen. In der F i g. 2 sind Elemente, die mit in der F i g. 1 gezeigten Elementen vergleichbar sind, mit denselben Bezugszeichen belegt. Obwohl in der F i g. 2 die Spannungsquellen für die Fokussierspannung und die Anodenspannung und die Zuleitungen nicht dargestellt sind, soll davon ausgegangen werden, daß die Spannungen und Zuleitungen von der F i g. 1 auf die F i g. 2 zu übertragen sind. Das in der Fig.2 dargestellte Elektronenstrahlerzeugersystem unterscheidet sich von dem in der Fig. 1 < dargestellten System dadurch, daß die in der Fig.2 gezeigte mittlere Elektrode 24 langer ist als die mittlere Elektrode in t- i g. 1 und daß für die Länge der äußeren

Elektrode 23 der Einzellinse ein Wert gewählt worden ist, der der Länge der vierten Elektrode 24 entspricht Aus den bereits vorstehend beschriebenen Gründen sind die Spaltbreiten d\ und ii bei der in der Fig.2

"> gezeigten Ausführungsform kleiner als 2 mm, vorzugsweise 1 mm.

Bei der Einzellinse gemäß Fig.2 nimmt bei Anwachsen der Länge k der mittleren Elektrode 24 die sphärische Aberration ab, und diese Abnahme erreicht

ι» einen Grenzwert, wenn die Länge k gleich dem 1,1 fachen des inneren Durchmessers D der Elektrode 25 wird. Innerhalb dieses Grenzbereichs wurde ein kleiner Brennfleckdurchmesser für einen bestimmten Wert des Strahlstroms (Intensität des Strahls) erreicht. Die Beziehung zwischen der Elektrodenlänge k und dem Brennfleckdurchmesser wurde experimentell bestimmt, wie dies durch die graphische Darstellung gemäß F i g. 3B gezeigt ist. In der F i g. 3B stellt die Abszisse die Gesamtlänge 4 ausgedrückt in Mehrfachen des inneren Durchmessers D der Elektrode dar, welche Gesamtlänge der Summe 4 aus Länge /3 der auf der kathodennahen Seite der Linse angeordneten Elektrode 23, der Spaltbreite du der Länge I₄ der mittleren Elektrode 24 und der Spaltbreite t£ entspricht Ein bevorzugter Wert für den inneren Durchmesser D liegt im Bereich von 3,5 bis 20 mm und für die Länge k wurde der Wert U = 2;5D bis ü=5,5 mm gewählt. Weiterhin wurde eine Anodenspannung Vs=20 kV benutzt

Wie aus der F i g. 3B ablesbar ist, wird für einen großen Strom von 4 mA der Brennfleckdurchmesser zu einem Minimum bei einer Gesamtlänge 4=4,0 D, während bei einem kleinen Strom von 0,1 mA der Brennfleckdurchmesser bei Zunahme der Gesamtlänge 4 abnimmt. Die Darstellung in der F i g. 3A zeigt die Beziehung zwischen der Fokussierspannung und der Gesamtlänge Iu wobei als Ordinate das Verhältnis der Fokussierspannung Vf zur Anodenspannung Vb und als Abszisse die Gesamtlänge 4 ausgedrückt als Vielfaches des inneren Durchmessers D aufgetragen sind. Zwei gerade Linien zeigen die Beziehung zwischen 4 und -γ- χ 100, welches zu einem minimalen Brennfleckdurchmesser für konstante Ströme von 4 mA bzw. 0,1 mA führt. Der minimale Brennfleckdurchmesser variiert in Abhängig-

keit von den Werten von 4 und -ψ- χ 100. Insbesondere unterscheidet sich der minimale Brennfleckdurchmesser für den Wert 4=3,0 von dem Wert für 4 = 4,0, so daß die Fokussierspannung derart eingestellt wird, daß minimale, aber unterschiedliche Brennfleckdurchmesser für 4 = 3,0 und 4 = 4,0 erhalten werden können. Die so erhaltenen Werte von Vf werden aufgetragen. Wie aus der F i g. 3A ablesbar ist, wurde in der Nähe von 4 = 5,00 ein minimaler Brennfleckdurchmesser entsprechend 0,37 für ^ χ 100 für den großen und den kleinen Strom erreicht (dies triff ι zu für Ströme zwischen clie-.cn Maximum- und Minimum-.Slromwcrten). Wenn V₁ / 100 von 37% von Vu abweicht, hängt die f-okitwienpan nung von der Strahlintensität ab und kann nicht /11 einem festen Wert bestimmt werden.

Eine Schaltung, die einen optimalen Wert für den Brennfleckdurchmesser geben könnte, indem die Fokussierspannung entsprechend dem Strahlstrom variiert würde, würde außerordentlich kompliziert sein, daher ist eine solche Schaltung nicht praktikabel. Aus diesem Grunde ist es für eine Einzellinse notwendig, einen Wert für 4 auszuwählen, der für eine konstante

Spannung Vp zu einer zufriedenstellenden Charakteristik führt. Der Grund dafür, daß die Fokussierspannung Vf sich mit dem Wert des Stromes ändert, liegt darin, daß das Aufspreizen des Elektronenstrahls um die Achse und der Abstoßungseffekt der Raumladung, die durch den Wert des Stromes herbeigeführt werden, die Brennweite der Elektronenlinse veriängern, während eine Zunahme in der sphärischen Aberration die Brennweite verkürzt, so daß bei Ungleichgewicht zwischen diesen beiden Effekten sich die Fokussierspannung ändert.

Obwohl bei einer Fokussierlinse gemäß der vorliegenden Erfindung die sphärische Aberration in Abhängigkeit von der Länge der mittleren Elektrode 24 unterschiedliche Werte annehmen kann, wird hier die sphärische Aberration der Linse durch das Aufspreizen des Strahldurchmessers in der Linse so lange beherrscht, wie A> 1,1 D ist, wobei dieser seinerseits durch die Länge k bestimmt ist. Daher wird bei Zunahme von U das Aufspreizen des Strahls in der Linse zunehmen und damit die sphärische Aberration anwachsen, solange Aä 1,1 Dist. Der praktisch verwertbare Bereich von //.ist 4,0DS/i.£5,5D. Die Länge /3 besitzt einen unteren Grenzwert in der Größenordnung von D, um herstellbar zu sein. Obwohl bei der bisher beschriebenen Ausführungsform die erste bis fünfte Elektrode jeweils den gleichen inneren Durchmesser aufwiesen, ist ^a.s nicht erforderlich, daß alle Elektroden den gleichen inneren Durchmesser aufweisen. Die inneren Durchmesser der ersten und zweiten Elektrode können sich von den inneren Durchmessern der dritten bis fünften Elektrode unterscheiden. Versuche zeigen, daß der innere Durchmesser der mittleren Elektrode der Einzellinse D+03D betragen kann. Bei Aufbau der Elektronenlinse durch EleKtroden der vorstehend beschriebenen Dimensionen wird daher die sphärische Aberration so weit reduziert, daß es möglich ist, einen Brennfleck mit einem kleinen Durchmesser bei einer fixierten Fokussierspannung über den gesamten Strombereich zu erzielen. Daher kann der Brennfleckdurchmesser um ungefähr 20% bis 30% verglichen mit einem zum Stand der Technik gehörigen Elektronenstrahlerzeugersystem verringert werden.

In den Fig.4, 5A und 5B sind Elektronenstrahlerzeugerbaugruppen für den Einsatz in Farbbildröhren dargestellt Im einzelnen zeigt die F i g. 4 eine In-line-Elektronenstrahlerzeugerbaugruppe, und die F i g. 5A und 5B zeigen eine Delta-Elektronenstrahlerzeugerbaugruppe.

Die in der F i g. 4 gezeigte In-line-EIektronenstrahlerzeugerbaugruppe mit Einzellinsen besteht aus drei Elektronenstrahlerzeugersystemen, die in einer Ebene angeordnet sind. Die ersten bis fünften Elektroden, die den drei Elektronenstrahlerzeugersystemen zugeordnet sind, sind jeweils in Form von integralen Elektroden vorgesehen, die mit 51,52,53,54 und 55 bezeichnet sind. Typischerweise werden eine tiefe tassenartige Elektrode 53a und eine flache tassenartige Elektrode 53£> kombiniert, um eine Elektrode für die Eiektronenstrahlerzeugerbaugruppe aufzubauen. Die Anordnung dieser tassenartigen Elektroden für das in der Mitte liegende Elektronenstrahlerzeugersystem ist bezüglich der Anordnung für die beiden außenliegenden Elektronenstrahlerzeugersysteme umgekehrt, so daß die elektrischen Felder der drei Elektronenstrahlerzeuger gleichmäßig gestaltet sind (vgl. die Schnittdarstellung der F i g. 4). Die Elektroden 51 bis 55 werden zusammen mit der Kathode 50 koaxial auf Stützelementen 56 gehalten. Obwohl nicht näher dargestellt, wird eine Anodenspannung den Elektroden 53 und 55 und eine Fokussierspannung der Elektrode 54 aufgeprägt, um eine Einzellinse aufzubauen.

Wenn bei dieser Anordnung die Länge U der mittleren Elektrode der Einzellinsen so gewählt ist, daß Wi 1,1 D, und wenn die Gesamtlänge 4 so ausgewählt ist, daß sie im Bereich von 4,OD bis 5,4£> liegt, kann dieselbe Wirkung wie bei der Ausführungsform gemäß Fig.2 erzielt werden.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5A und 5B sind die drei Elektronenstrahlerzeugersysteme in einer Delta-Konfiguration angeordnet, und die ersten Elektroden 61, die zweiten Elektroden 62, eine integral ausgebildete dritte Elektrode 63, eine integral ausgebildete vierte Elektrode 64 und eine integral ausgebildete fünfte Gitterelektrode 65 werden von länglichen Stützelementen 66 getragen. Bei dieser Ausführungsform kann derselbe Effekt erzielt werden, wenn A^U-D und wenn 4,0Z?S4S5,5£>, vorzugsweise 4,0D<4<5,4D, erfüllt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Als Einzellinse ausgebildete Fokussierlinse in einem Elektronenstrahlerzeugersystem in Kathodenstrahlröhren mit drei zylindrischen Elektroden, die koaxial in Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Länge der mittleren Elektrode größer oder gleich 1, IZ) mit D gleich dem Innendurchmesser der äußeren Elektroden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe (Jl) der Länge (h) der auf der kathodennahen Seite der Linse angeordneten Elektrode, der Länge (U) der mittleren Elektrode, der Breite (d\) des Abstandes zwischen der kathodennahen und der mittleren Elektrode und der Breite {d₂) des Abstandes zwischen der minieren und der kathodenfernen Elektrode zwischen 4,OD und 5,5 D liegt.

2. Fokussierlinse nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe (Il) im Bereich von 4,0Z?bis5,4Dliegt.

3. Fokussierlinse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (U) der mittleren Elektrode (24; 54; 64) 2,5£>beträgt.

4. Verwendung der Fokussierlinse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Dreistrahl-Farbbildröhre vom In-Iine-Typ.

5. Verwendung der Fokussierlinse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einer Dreistrahl-Farbbiidröhre vom Delta-Typ.