DE2825900A1

DE2825900A1 - Elektronenstrahlroehre-elektronenstrahlerzeuger

Info

Publication number: DE2825900A1
Application number: DE19782825900
Authority: DE
Inventors: Kunio Ando; Masakazu Fukushima; Kenichi Fukuzawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-06-15
Filing date: 1978-06-13
Publication date: 1979-01-04
Also published as: GB1605063A; DE2825900C2; FI66702B; FI781869A; JPS6226140B2; FR2394890B1; FI66702C; US4276495A; JPS545374A; FR2394890A1

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Elektronenstrahlröhre-Elektronenstrahlerzeuger

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlerzeuger für insbesondere eine Elektronenstrahlröhre.

Als Fokussierlinse eines Elektronenstrahlerzeugers für Elektronenstrahlröhren werden gewöhnlich eine Äquipotential-Linse oder eine Bipotential-Linse verwendet.

Nach internem Stand der Technik gibt es bereits das in Fig. 1 gezeigte Linsensystem zur Verringerung der sphärischen Aberration aufgrund des herkömmlichen Äquipotential-Linsensystems (vgl. JP-Patentanmeldung 51-126041 vom 22. Oktober
1976).

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In Fig. 1 werden von einer Kathode 1 ausgesandte Elektronenstrahlströme durch ein erstes und ein zweites Gitter 2 bzw. 3 gesteuert, um überkreuzungen zu bilden. Das überkreuzungsbild wird auf einen (nicht dargestellten) Leuchtschirm mittels eines Linsensystems aus drei Zylinder-Linsen einschließlich eines dritten, eines vierten und eines fünften Gitters 4,5 bzw. 6 geworfen, um Elektronenstrahl-Leuchtpunkte zu erhalten.

In einem üblichen Äquipotential-(Unipotential-)Linsensystem liegt oft eine zur (nicht dargestellten) Leuchtschirm-Elektrode geführte Spannung V_ß am dritten und am fünften Gitter 4 und 6, während eine nahe einer Null-Spannung gewählte Fokussierspannung V₅₁ für das vierte Gitter 5 vorgesehen ist. Damit jedoch diese Fokussierspannung den Wert Null annimmt, ist es aus der Beziehung zur Linsenstärke schwierig, die Länge des vierten Gitters 5 länger als den halben Innendurchmesser D der Elektrode zu machen.

Wenn bei dem oben erläuterten Linsensystem die Länge des vierten Gitters 5 als eine Fokussierelektrode zu deren Innendurchmesser vergrößert wird, nimmt die Fokussierspannung merklich zu, und gleichzeitig wird die sphärische Aberration merkbar herabgesetzt. Ein Elektronenstrahlerzeuger mit einem derartigen Linsensystem kann einen kleineren Elektronenstrahl-Leuchtpunkt -Durchmesser im Vergleich zum herkömmlichen Elektronenstrahlerzeuger mit einem Bipotential-Linsensystem erzeugen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den oben erläuterten Xquipotential-Elektronenstrahlerzeuger so zu verbessern, daß dieser einen verringerten Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmesser aufweist, um die sphärische Aberration möglichst klein zu machen.

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Die Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Elektronenstrahlröhre-Elektronenstrahlerzeuger mit einem Linsensystem zum Fokussieren der von einer Kathode ausgesandten Elektronenstrahlen erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 bzw. 7 angeführten Merkmale gegeben.

Bei der Erfindung sind also in einem Elektronenstrahlerzeuger für eine Elektronenstrahlröhre mit einem Linsensystem aus vier Zylinder-Elektroden, die konzentrisch beabstandet voneinander zur Fokussierung der von einer Kathode ausgesandten Elektronenstrahlen angeordnet sind, diese Elektroden mit genauen Spannungen beaufschlagt, um eine Bipotential-Fokussierlinse und eine Äquipotential-Fokussierlinse zu bilden. Vorzugsweise ist die Länge der Elektrode in der Äquipotential-Fokussierlinse auf der Kathodenseite größer gewählt als der 0,5-fache Innendurchmesser der Elektrode.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt eines Äquipotential-Elektronenstrahlerzeugers nach dem internen Stand der Technik,

Fig. 2 einen Schnitt eines Elektronenstrahlerzeuger nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3A Kurven für die Änderung der Größe der sphäri- und 3 B sehen Aberration bzw. für die Änderung der

Fokussierspannung, wenn die Länge der fünften Gitterelektrode im erfindungsgemäßen Linsensystem verändert wird,

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Fig. i| Kurven für die Änderung des Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers j der durch einen Betrieb in einem Bereich mit großem Strom erzeugt ist j wenn die Länge des fünften Gitters im erfindungsgemäßen Linsensystem verändert wird, während die Länge des Linsensystems konstant gehalten ist,

Fig. 5 Kurven zur Erläuterung der Beziehung zwischen Kathodenströmen und Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessern für den herkömmlichen Elektronenstrahlerzeuger mit einer Bipotential-Linse für den in Fig. 2 gezeigten Elektronenstrahlerzeuger mit einer Äquipotential-Linse und den Elektronenstrahlerzeuger mit dem erfindungsgemäßen Linsensystem,

Fig. 6 Kurven zur Erläuterung der Veränderungen bezüglich der Breite des Elektronenstrahles im Linsensystem des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger vom Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmesser, der durch die thermische Wärmestreuung und den Raumladungseffekt bestimmt ist, vom Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmesser, der durch die sphärische Aberration des Linsensystems bestimmt ist, und vom tatsächlichen Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmesser, der durch diese Effekte zusammen bestimmt ist, wobei in Fig. 6 auch die Änderung des Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers für den herkömmlichen Elektronenstrahlerzeuger mit einem Bipotential-Linsensystem dargestellt ist, und

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-R-

Fig. 7A jeweils Kurven für die Veränderung des Elek- und 7B tronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers und für die Veränderung der Fokussierspannung bezüglich der Länge des Linsenteiles des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugers mit einem Linsensystem. Der Elektronenstrahlerzeuger hat eine Kathode 1, ein erstes Gitter 2, ein zweites Gitter 3 und ein Linsensystem aus vier Zylinder-Elektroden einschließlich eines dritten, eines vierten, eines fünften und eines sechsten Gitters 4, 5, 6 bzw. 7. Das vierte und das sechste Gitter 5 und 7 sind elektrisch verbunden und liegen an einer, von einer (nicht dargestellten) Leuchtschirm-Elektrode zugeführten Leuchtschirm-Spannung V_ß. Andererseits sind das dritte Gitter und das fünfte Gitter 4 und 6 elektrisch verbunden und liegen an einer Fokussierspannung V_p. Mit dem Anlegen dieser Spannungen wird eine Äquipotential-Linse durch das vierte, fünfte und sechste Gitter 5, 6 und 7 gebildet, während eine Bipotential-Linse durch das dritte und vierte Gitter 4 und 5 entsteht.

Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Spannung V„ am dritten Gitter 4 gleich dem 0,5- bis 0,1-fachen Wert der Spannung Vg am dritten Gitter bei dem in Fig. 1 gezeigten Äquipotential-Elektronenstrahlerzeuger gewählt ist, wird der zwischen dem zweiten und dem dritten Gitter 3 und 4 bestehende Potentialgradient verringert, so daß die sphärische Aberration aufgrund einer Fokussierlinse aus diesen Gittern 3 und 4 beträchtlich herabgesetzt ist, Andererseits hat das einen Hauptteil des Linsensystems bildende fünfte Gitter 6 eine dem vierten Gitter 5 des in Fig. 1 gezeigten Äquipotential-Elektronen-

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Strahlerzeugers ähnliche Wirkung: Je größer insbesondere die Länge der Gitterelektrode ist, desto geringer wird die sphärische Aberration aufgrund des Linsensystems.

Die Fig. 3A und 3B zeigen jeweils die analytischen Ergebnisse der Veränderung der Größe der sphärischen Aberration und der Veränderung der Fokussierspannung in dem Fall, in dem die Länge Ij- des fünften Gitters 6 im Linsensystem des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger geändert wird. Aus Fig. 3 folgt, daß beim erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger mit zunehmender Länge des fünften Gitters 6 die sphärische Aberration aufgrund des Linsensystems kleiner und die Fokussierspannung größer wird.

Die Fig. 4 zeigt die Meßergebnisse der für einen Betriebsbereich mit großem Strom erzeugten Änderung des Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers für einen Fall, in dem bei der erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger-Anordnung die Länge I₁- des fünften Gitters 6 geändert wird, während die Länge Ij. des Linsensystems konstant gehalten ist. Aus Fig. 4 folgt, daß die Länge Ij- größer als der 0,5-fache Innendurchmesser D der Gitterelektrode sein muß, um im Betriebsbereich großen Stromes einen kleinen Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmesser zu erzielen.

Fig. 5 zeigt die Meßergebnisse der Elektronenstrahl-Leuchtpunkt -Durchmess er in Abhängigkeit von den Kathodenströmen für den Elektronenstrahlerzeuger G₁ mit einer Bipotential-Linse, für den Elektronenstrahlerzeuger Gp in Fig. 1 mit einer Äquipotential-Linse und für den Elektronenstrahlerzeuger G, nach der Erfindung. Der Leuchtpunkt-Durchmesser für den Betriebsbereich mit großem Strom ist beim erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger auf den 0,7-fachen Wert vom herkömmlichen Bipotential-Elektronenstrahlerzeuger verringert, und die beim Äqui-

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potential-Elektronenstrahlerzeuger beobachtete Verschlechterung des Leuehtpunkt-Durchmessers tritt selbst im Betriebsbereich mit kleinem Strom nicht auf. Im Betriebsbereich mit kleinem Strom ist die Verringerung des Leuchtpunkt-Durchmessers verwirklicht.

Fig. 6 zeigt mit einer Kurve C. die Veränderung des Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers auf dem Leuchtschirm, wenn die Breite oder Weite des Elektronenstrahles im Linsensystem des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugers bei Betrieb mit großem Strom geändert wird. Diese Kennlinie kann als Zusammenfassung zweier umgekehrter Effekte erklärt werden. Insbesondere nimmt eine Komponente des Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers _s die durch die thermische Geschwindigkeitsstreuung der Elektronen im Elektronenstrahl und durch den Raumladungseffekt bestimmt ist (vgl. Kurve C~ in Fig. 6) mit steigender Breite des Elektronenstrahles im Linsensystem ab, während die Größe der Scheibe einer ersten Verwaschung, die durch die sphärische Aberration aufgrund des Linsensystemes hervorgerufen ist, d. h. eine Komponente des Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers, die durch die sphärische Aberration bestimmt ist (vgl. die Kurve C-, in Fig. 6), proportional zur dritten Potenz der Breite des Elektronenstrahles anwächst. Entsprechend hat der durch die Zusammenfassung dieser Effekte bestimmte tatsächliche Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmesser seinen Mindestwert an einem bestimmten festgelegten Punkt, wie dies durch die Kurve C^ in Fig. 6 gezeigt ist. Beim erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger hat der Leuchtpunkt-Durchmesser auf dem Leuchtschirm seinen Mindestwert, wenn die Breite des Elektronenstrahles im Linsensystem im Betriebsbereich mit großem Strom größer als der 0,5-fache Innendurchmesser der Gitterelektrode ist. Eine Kurve Cn in Fig. 6 zeigt die Änderung des Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers, wenn der herkömmliche Elektro-

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nenstrahlerzeuger mit einer Bipotential-Linse verwendet wird. Die Kurve Cu zeigt, daß der Leuchtpunkt-Durchmesser seinen Mindestwert aufweist, wenn die Breite des Elektronenstrahles in der Linse ein Drittel des Innendurchmessers der Zylinder-Linsen-Elektrode beträgt. Durch Vergleich der Kurven C. und Cj. in Fig. 6 folgt, daß ein im Vergleich zum herkömmlichen Bipotential-Elektronenstrahlerzeuger kleinerer Leuchtpunkt-Durchmesser mit dem erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger erhalten werden kann, indem die Elektronenstrahl-Breite im Linsensystem größer als ein Drittel des Innendurchmessers der Zylinder-Linsen-Elektroden-Anordnung gewählt wird.

Die Fig. 7A und 7B zeigen jeweils die Änderung des Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmessers und die Änderung der Fokussierspannung V™ im Betriebsbereich mit kleinem und mit großem Strom bezüglich der Länge 1,. des Hauptteiles des Linsensystems für den erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger, wenn die Länge I₅ des fünften Gitters 6 den Wert 1,7 D aufweist. Der Leuchtpunkt-Durchmesser für den Betriebsbereich I-, mit großem Strom (vgl. Fig. 7A) hat seinen Mindestwert bei 1_L = 4 D. In Fig. 7A stellt I den Betriebsbereich mit kleinem Strom dar. Andererseits zeigt sich für die Fokussierspannung V„ (vgl. Fig. 7B), daß bei 1_L = 5,3 D ein solcher Zustand vorliegt, daß ein bestimmter Wert für den Betriebsbereich mit großem.Strom und mit kleinem Strom zusammenfällt, so daß jede Einstellung der Fokussierspannung abhängig vom Elektronenstrahl-Strom unnötig ist. In Fig. 7B bedeuten V. und V« die Fokussierspannungen für Betriebsbereiche mit großem bzw. kleinem Strom, und S stellt einen für die Praxis besonders vorteilhaften Bereich dar.

Da es sehr schwierig ist, dynamisch eine Fokussierspannung mittels einer elektronischen Schaltung entsprechend dem Elek-

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tronenstrahl-Strom einer Elektronenstrahlröhre im Betriebszustand einzustellen und eine solche Einstellung aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten weniger zweckmäßig ist, wird die Kennlinie des Elektronenstrahlerzeuger bevorzugt, bei der unabhängig vom Strahlstrom mit konstanter Fokussierspannung gearbeitet wird.

Im folgenden werden die Ursachen erläutert, warum beim erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger die Fokussierspannung konstant wird. Mit steigendem Elektronenstrahl-Strom fällt ein auf dem Leuchtschirm zu erzeugender Elektronenstrahl-Leuchtpunkt hinter den Leuchtschirm, da die Überkreuzung auf die Leuchtschirm-Seite verschoben wird und der Raumladungseffekt im Elektronenstrahl ansteigt. Zur Korrektur dieser Erscheinung muß das Fokussiervermögen des Linsensystems vergrößert oder die Spannung am fünften Gitter des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger verkleinert werden. Andererseits verursacht ein steigender Elektronenstrahl-Strom entsprechend einen größeren Streuungswinkel des Elektronenstrahles von der Überkreuzung, wodurch die sphärische Aberration des Linsensystems erhöht wird, so daß die Scheibe der ersten Verwaschung sich vom Leuchtschirm zur Kathoden-Seite bewegt. Wenn daher die Größe der sphärischen Aberration aufgrund des Linsensystems und die Breite des Elektronenstrahles im Linsensystem so gewählt werden, daß die obigen beiden Effekte zueinander versetzt sind, dann liegt ein Zustand vor, in dem die Fokussierspannung unabhängig vom Strom konstant wird, wie dies in Fig. 7B gezeigt ist.

Beim erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger ist die Änderung der Größe der sphärischen Aberration aufgrund des Linsensystems relativ gering in einem Bereich von 1_L (vgl.

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Fig. 7A), da die Länge I^ des fünften Gitters 6 konstant ist. Andererseits nimmt die Breite des Elektronenstrahles im Linsensystem ungefähr proportional mit 1_L zu. Entsprechend kann gesagt werden, daß die Kennlinie des erfindungsgemäßen Linsensystems durch 1,. bestimmbar ist. Aus diesem Grund wird 1, vorzugsweise im Bereich zwischen 4 D und 6 D gewählt.

Der erfindungsgemäße Elektronenstrahlerzeuger hat hervorragende Eigenschaften, da ein auf den 0,7-fachen Wert des herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugers verringerter Elektronenstrahl-Leuchtpunkt-Durchmesser unabhängig vom Elektronenstrahl-Strom erzielbar ist und da der erfindungsgemäße Elektronenstrahlerzeuger mit fester Fokussierspannung unabhängig vom Elektronenstrahl-Strom arbeitet.

Obwohl in Fig. 2 die gleiche Fokussierspannung V„ am dritten und am fünften Gitter h bzw. 6 liegt, können auch verschiedene Spannungen vorgesehen werden. Weiterhin ist es auch nicht erforderlich, daß die Innendurchmesser der das Linsensystem bildenden Zylinder-Gitter-Elektroden alle gleich sind.

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«.eerseire

Claims

Ansprüche

{lj Elektronenstrahlröhre-Elektronenstrahlerzeuger mit einem Linsensystem zum Fokussieren von Elektronenstrahlen, die von einer Kathode ausgesandt sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Linsensystem eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Zylinder-Elektrode (4, 5, 6, 7) aufweist, die in dieser Reihenfolge von der Kathoden-Seite aus angeordnet sind, und

daß an der ersten und an der dritten Elektrode (4, 6) die gleiche Spannung liegt, während an der zweiten und an der vierten Elektrode (5, 7) die einer Leuchtschirm-Elektrode zugeführte Spannung (V„) liegt,

so daß von der ersten und der zweiten Elektrode (4, 5) eine Bipotential-Linse und von der zweiten, der dritten und der vierten Elektrode (5, 6, 7) eine Äquipotential-Linse gebildet wird.
2. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Länge der zweiten Elektrode (5) größer als der 0,5-fache Innendurchmesser der zweiten Elektrode (5) ist.

81-(A 3056-03)-KoE

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3. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Breite des Elektronenstrahles im Linsensystem größer als ein Drittel des Innendurchmessers der Zylinder-Elektroden-Anordnung ist.
4. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Gesamtlänge des Linsensystems zwischen dem 4- bis 6-fachen Wert des Innendurchmessers der Zylinder-Elektroden-Anordnung gewählt ist.
5. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Fokussierspannung an der ersten und an der dritten Elektrode (4, 6) liegt.
6. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Pokussierspannung den 0,25-fachen bis 0,5-fachen Wert der Leuchtschirm-Elektroden-Spannung hat.
7. Elektronenstrahlröhre-Elektronenstrahlerzeuger mit einem Linsensystem zum Fokussieren von Elektronenstrahlen, die von einer Kathode ausgesandt sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Linsensystem eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Zylinder-Elektrode (4, 5_S 6j 7) aufweist, die in dieser Reihenfolge von der Kathoden-Seite aus angeordnet sind, und

daß an der ersten und an der dritten Elektrode (4, 6) jeweils verschiedene Spannungen liegen, während an der zwei-

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ten und der vierten Elektrode (5, 7) die der Leuchtschirm-Elektrode zugeführte Spannung (Vg) liegt,

so daß von der ersten und der zweiten Elektrode (4, 5) eine Bipotential-Linse und von der zweiten, der dritten und der vierten Elektrode (5, 6, 7) eine Äquipotential-Linse gebildet wird.

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