DE2826788A1

DE2826788A1 - Leuchtschirm

Info

Publication number: DE2826788A1
Application number: DE19782826788
Authority: DE
Inventors: John Mackay Robertson; Maurits Willem Van Tol
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1978-06-19
Publication date: 1979-01-18
Also published as: IT1096774B; IT7824814A0; FR2395593A1; CA1110928A; JPS5950195B2; AU3737678A; NL7707008A; GB2000173B; GB2000173A; BR7803927A; BE868362A; ES471027A1; FR2395593B1; JPS5411085A

Description

N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland

Leuchtschirm

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leuchtschirm, der ein Substrat mit einer Leuchtschicht enthält, die eine Einkristallstruktur aufweist und mindestens einen Aktivator enthält.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine mit einem derartigen Leuchtschirm versehene Kathodenstrahlröhre.

Ein derartiger Leuchtschirm ist aus der DT-PS 810 108 bekannt. Derartige Leuchtschirme werden in Kathodenstrahlröhren, z.B. Fernsehbildröhren, in Elektronenmikroskopen und -Spektroskopen und bei der Erzeugung von Bildern in Röntgenvorrichtungen,

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wie Röntgenbildverstärkern, verwendet. In der DT-PS 810 108 wird beschrieben, daß ein Einkristall-Leuchtschirm dadurch erhalten werden kann, daß auf einer Hilfsplatte eine aktivierte einkristalline Schicht z.B. durch Aufdampfen oder Aufsublimieren angewachsen wird. Die Hilfsplatte besteht vorzugsweise aus einem Kristall mit gleichen oder nahezu gleichen Gitterabmessungen und ist selber ein Einkristall. Gegebenenfalls wird die Hilfsplatte gelöst, nachdem die aktivierte einkristalline Sohicht auf einem anderen Träger, z.B. einer Glasplatte,angeheftet ist.

Ein Nachteil derartiger Leuchtschirme ist der, daß bei hoher Anregungsenergie die thermische Belastbarkeit für eine Anzahl von Anwendungen viel zu gering ist und daß an den Grenzflächen zwischen dem Träger oder der Hilfsplatte und der aktivierten Schicht diffuse Reflexionen des in der aktivierten Schicht erzeugten Lichtes auftreten.

Auch ist es bekannt, Pulverleuchtstoffe, die auf einem Träger angebracht.sind, für einen Leuchtschirm zu verwenden. Auch diese Schirme besitzen eine nur geringe thermische Belastbarkeit, weil die Wärme in ungenügendem Maße aus den Leuchtstoffkörnern abgeleitet wird. Außerdem wird das Auflösungsvermögen von Bildschirmen durch die Kornabmessungen begrenzt. Durch die große Anzahl von Körnern ist die spezifische Oberfläche des Schirmes groß, wodurch das Vakuum in einer Kathodenstrahlröhre beeinträchtigt wird.

Eine andere Konstruktion, bei der die genannten diffusen Reflexionen auftreten, ist in der NL-PS 61 451 beschrieben, nach der der Schirm aus auf einem Träger angebrachten stabförmigen, bei durch Elektronenstrahlbeschuß aufleuchtenden Kristallen aufgebaut ist, die alle zueinander nahezu parallel liegen und mit ihrer Längsrichtung senkrecht oder nahezu senkrecht auf der Oberfläche des Trägers stehen, so daß die

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Richtung der anregenden Strahlung zu der Längsrichtung der Kristalle parallel ist. Diese Konstruktion hat wieder den Nachteil, daß die thermische Belastbarkeit des Leuchtschirmes für eine Anzahl von Anwendungen zu gering ist. Außerdem ist das Auflösungsvermögen durch die Abmessungen der einzelnen Kristalle beschränkt.

Die Aufgabe nach der Erfindung bestand daher darin, einen Leuchtschirm anzugeben, der eine sehr hohe thermische Belastbarkeit und ein großes Auflösungsvermögen aufweist und in dem keine diffusen Reflexionen auftreten.

Diese Aufgabe wird bei einem Leuchtschirm der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schicht und das Substrat zusammen einen selbsttragenden einkristallinen Körper bilden. Dadurch, daß das Substrat und die Leuchtschicht einen einzigen Einkristall bilden, ist von einer kristallographischen Grenzfläche und von einer Kornstruktur nicht die Rede und es können somit auch keine diffusen Reflexionen auftreten. Weiterhin ist durch diesen Aufbau die Wärmeableitung von der Leuchtschicht zu dem Substrat sehr gut. Der Einkristall kann aus einer großen Anzahl von Stoffen, wie z.B. Oxiden, Silikaten, Aluminaten und Gallaten der seltenen Erden, hergestellt werden. Vorzugsweise weist der einkristalline Körper jedoch eine Granat-Kristallstruktur auf, weil dann die Wärmeableitung aus der Leuchtschicht sehr gut ist. Der Leuchtschirm weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,3 und 2 mm auf, weil er dann bestimmt selbsttragend ist. Dabei ist die Leuchtschicht vorzugsweise 1 bis 6 /um und insbesondere etwa 2 /um dick, was etwa der Eindringtiefe der Elektronen entspricht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Leuchtschirmes nach der Erfindung besteht der einkristalline Körper aus

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Yttrium-Gallium-Granat und enthält der Teil des Körpers, der die Leuchtschicht bildet, 0,2 bis 5 Gew.% mindestens eines Aktivators aus der durch Terbium und Thulium gebildeten Gruppe. Mit Terbium wird ein wirkungsvolles grünes Aufleuchten und mit Thulium ein wirkungsvolles blaues Aufleuchten erhalten.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Leuchtschirmes nach der Erfindung besteht der einkristalline Körper aus Gadolinium-Gallium-Granat und der die Leuchtschicht bildende Teil enthält 0,5Us 15 Gew.% dreiwertiges Europium. Auf diese Weise kann ein wirkungsvolles rotes Aufleuchten erhalten werden.

Ferner kann bei einem Leuchtschirm nach der Erfindung der einkristalline Körper aus Yttrium-Aluminium-Granat bestehen und der die Leuchtschicht bildende Teil enthält 0,2 bis 3 Gew.% mindestens eines Aktivators aus der durch Zer, Terbium und Neodym gebildeten Gruppe. Mit Zer und Terbium wird ein wirkungsvolles grünes Aufleuchten und mit Neodym ein nahezu weißes Aufleuchten erhalten.

Es ist möglich, einen Leuchtschirm nach der Erfindung dadurch herzustellen, daß eine bestimmte Menge des Aktivators in die Oberfläche eines Einkristalls eindiffundiert wird. Dieser Prozeß geht aber sehr langsam vor sich. Auch ist es möglich, eine einen Aktivator enthaltende Schicht aufzudampfen und danach eine Wärmebehandlung durchzuführen.

Vorzugsweise wird die aktivierte Schicht epitaktisch aus einer Lösung (Flußmittel) angewachsen (Liquid Phase Epitaxy = LPE)

Ein Leuchtschirm nach der Erfindung kann mit Erfolg in einer Kathodenstrahlröhre zum Erzeugen eines sehr hellen Lichtflecks verwendet werden. Dieser Lichtfleck kann als sich

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bewegende oder stillstehende Lichtquelle oder zur Erzeugung eines sehr hellen Bildes angewendet werden.

Eine sehr helle sich bewegende oder stillstehende Lichtquelle ist z.B. in einer Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Informationsspur auf einem Informationsträger mit Hilfe eines Lichtstrahls erforderlich, wie in der NL-OS 73 14 464 beschrieben,oder in einem Filmabtaster (film scanner), wie in der NL-OS 70 61 095 beschrieben, der bei Umwandlung von Filmbildern in Fernsehbildern verwendet wird. Auch kann eine derartige helle sich bewegende Licht quelle als abtastende Lichtquelle in einem Mikroskop verwendet werden.

Die Erzeugung sehr heller Bilder erfolgt in Projektionsfernsehbildröhren. Um ein genügend helles Bild zu erhalten, mußten diese Röhren bisher Bildschirme verhältnismäßig großer Abmessungen besitzen. Dabei mußte das auf dem Schirm erzeugte Bild, mit einem Durchmesser von z.B. 13 cm, sehr hell sein, um eine genügende Vergrößerung des Bildes bei einer Projektion zu ermöglichen. Eine Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung eignet sich besonders gut zur Anwendung in einer Projektionsfernsehvorrichtung, weil die gute Wärmeableitung einen kleinen Schirm mit einem sehr hellen Bild gestattet. Es ist z.B. möglich, einen Leuchtschirm mit einer Oberfläche von

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weniger als 20 cm , z.B. weniger als 5 cm , herzustellen, wobei die mittlere Leistungsdichte des ausgestrahlten Lichtes

bestimmt größer als 0,1 W/cm , in den meisten Fällen aber größer als 0,5 W/cm , ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Leuchtschirmes nach dem Stand der Technik,

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Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Leuchtschirmes nach der Erfindung,

Fig. 3 anhand einer graphischen Darstellung die große Helligkeit eines Leuchtschirmes nach der Erfindung,

Fig. 4 in gesonderten Einzelteilen und perspektivisch eine Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung,

Fig. 5 perspektivisch im montierten Zustand eine Röhre nach Fig. 4 und

Fig. 6 schematisch eine Vorrichtung zum optischen Alitasten von Informationsträgern.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Teil eines einkristallinen Leuchtschirmes der bisher bekannten Form dargestellt. Das Substrat 1 besteht aus Steinsalz (mineralischem Kochsalz), auf das nach Erhitzung auf etwa 175°C eine Zinksulfidschicht aufgedampft ist, die bei etwa 35O°C mit Blei oder Kupfer aktiviert und bei derselben Temperatur ausgeglüht ist. Die Wärmeübertragung von der Schicht 2 auf das Substrat 1 ist für viele Anwendungen ungenügend und weiterhin treten an der Grenzfläche 3 diffuse Reflexionen des erzeugten Lichtes auf.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil eines einkristallinen Leuchtschirmes nach der Erfindung. Das Substrat 4 besteht in diesem Falle aus Yt tr ium-Aluminium-Granat (Y^AIp-CLp) · Auf diesem Substrat ist durch epitaktisches Anwachsen aus der flüssigen Phasen (LPE) eine mit Zer aktivierte Schicht 5 aus Yttrium-Aluminium-Granat (Y2 αγ^η 03^"5^12^ angebracht. Auf diese Weise wird ein einkristalliner Körper erhalten, der in einer Oberflächenschicht eine Anzahl von Zeratomen enthält. Dadurch, daß keine kristallographische Grenzfläche zwischen der aktivierten Schicht (über der gestrichelten Linie) und dem nicht-aktivierten Substrat (unter der gestrichelten Linie) vorhanden ist, können auch keine diffusen Reflexionen auftreten. Über die aktivierte Schicht ist in diesem Falle ein Aluminiumfilm mit einer Dicke von 0,08 /um angebracht, der das in der

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aktivierten Schicht erzeugte Licht reflektiert.

Eine Anzahl Eigenschaften des hier verwendeten Υ,ΑΙ,-Ο,.,-,-

Substrats und der Y₂ 07C-⁰Q Q^A nachstehenden Tabelle erwähnt:

,-Schicht sind in der

Substrat:

TABELLE

Struktur:
Härte:

Schmelzpunkt: Wärmeleitung: Ausdehnung: Berechnungszahl:

kubisch, A₀ = 12,001 8 bis 8,5 Moh 222O⁰K 0,13 W/cm K

7,5 10~⁶

1,84

Aktivierte Schicht:

^Y2,97^Ce0,03^Al5°12

Kathodenstrahl: Energieausbeute: Abklingzeit:

Wellenlänge der maximalen Emission:

Löschtemperatur:

3 % (15 lm/W) 70 Nanosekunden

555 mn 580⁰K

In Fig. 3 wird anhand einer graphischen Darstellung, in&er

die emittierte spezifische Strahlung B in W/m sr als Funktion der von einem Elektronenstrahl zugeführten Leistung P

in W/m aufgetragen ist, die große Helligkeit eines Leuchtschirmes nach Fig. 2 veranschaulicht. Bei dieser Messung wurde

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ein Elektronenstrahl mit einer Energie von 15 kV und einer Stromstärke von 100 nA auf einen derartigen Leuchtschirm

gerichtet. Die Anzahl W/m wurde dadurch geändert, daß die Oberfläche des Auftrefffleclcs niehr oder weniger fokussiert und geändert wurde.

Bei einem Leuchtechirm mit einem Pulverleuchtstoff, wie er bisher verwendet wurde, werden bei dieser zugeführten Leistung die Leuchtstoffe zu heiß. Außerdem gerät der Leuchtstoff in Sättigung und strahlt bei Steigerung der zugeführten Leistung nicht mehr Licht aus. Die Werte der emittierten spezifischen Strahlung bekannter Pulverleuchtstoffe fallen außerhalb des in Fig. 3 dargestellten Bereiches.

Eine Konstruktion nach der Erfindung wird aber nicht mehr zu heiß, und zwar deswegen nicht, weil ein sehr guter thermischer Kontakt dieser Schicht mit dem Substrat, mit dem die Leuchtschicht einen Einkristall bildet, besteht.

In Fig. 4 ist eine Kathodenstrahlröhre in Einzelteilen mit einem Leuchtschirm nach der Erfindung schaubildlich dargestellt. In einer zylindrischen Umhüllung 1 aus Aluminiumoxid, die auf der Innenseite mit einem mit dem Anodenkontakt verbundenen elektrisch leitenden Überzug 2 versehen ist, befindet sich ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 4. Dieses System ist aus einer Kathode (hier nicht sichtbar), die isoliert in der Wehneltelektrode 5 angeordnet ist, und aus einer Anzahl von Gittern 6, 7 und 8 aufgebaut. Die Elektroden des Systems sind auf übliche Weise mit gläsernen Montagestäben aneinander befestigt. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem ist an einem Ende mit Zentrierfedern 10 versehen. Das andere Ende des Systems ist an der Grundplatte 11 befestigt, die mit Kontaktdurchführungen 12 und einem Pumpstengel 13 versehen ist. Das andere Ende der Umhüllung wird mittels des Leucht-

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schirmes 14 verschlossen, der in diesem Falle aus Gadolinium-Gallium- Granat besteht und auf der dem Elektronenstrahlerzeugungssystem zugewandten Seite mit Europium aktiviert ist* Die Dicke des Leuchtschirmes beträgt 500 /um und der Durchmesser 25 mm.

Der Leuchtschirm ist mit einem Aluminiumfilm (hier nicht sichtbar) überzogen. Der Leuchtschirm 14 wird mittels einer Wärme-Druckverbindung mit der Aluminiumoxidumhüllung 1 verbunden. Dazu wird ein Aluminiumring 15 zwischen dem Rand 16 der Umhüllung und dem Leuchtschirm 14 als Verbindungsmaterial verwendet. Der Ausdehnungskoeffizient des Aluminiumoxids der Umhüllung und der Ausdehnungskoeffizient des Leuchtschirmes sind voneinander nur wenig verschieden, so daß keine unerwünschten Spannungen infolge thermischer Ausdehnung auftreten. Die Ablenkung des von dem Elektronenstrahlerζeugungssystem erzeugten Elektronenstrahls wird auf übliche Weise mittels magnetischer Ablenkfelder erhalten. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, elektrostatische Ablenkung anzuwenden, weil bei diesen kleinen Bildschirmen nur eine geringe Ablenkung notwendig ist.

In Fig. 5 ist perspektivisch im montierten Zustand und teilweise aufgebrochen die Röhre nach Fig. 4 als Einzelteil einer Projektionsfernsehvorrichtung dargestellt. Rings um die Umhüllung 1 sind Ablenkspulen 16 angebracht. Das sehr helle Bild auf dem Leuchtschirm 14 wird mittels des Linsensystems 17 auf einen (hier nicht dargestellten) Projektionsschirm projiziert.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Informationsspur 18 auf einem Informationsträger 19 mit Hilfe eines Lichtstrahls 20, der mit einer Kathodenstrahlröhre 21 nach der Erfindung erzeugt wird. Wie

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die Abtastung stattfinden kann, ist ausführlich in der IJL-OS 73 14 464 beschrieben.

Die Anwendung einer Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung weist den wesentlichen Vorteil einer großen Helligkeit auf, wodurch Verluste an optischen Elementen weniger bedeutend werden. Hit der Kathodenstrahlröhre 21 wird auf dem Leuchtschirm 22 ein heller Lichtfleck 23 erzeugt, der durch Spannungen an den Ablenkplatten 24 über den ganzen Schirm verschoben werden kann. Mit Hilfe von Linsen 25 und 26 wird der Lichtpunkt auf dem rotierenden plattenförmigen Informationsträger 19 abgebildet. Das von dem Informationsträger reflektierte Licht wird über die Linse 26 und Spiegel 27 und 28 auf der Photozelle 29 abgebildet. Der Spiegel 28 ist ein halbdurchlässiger Spiegel. Das reflektierte Licht ist von der rotierenden Platte mit Information in der Intensität moduliert und enthält also die Information der Platte. Verschiebungen des Lichtflecks auf der Platte können durch Verschiebungen des Lichtflecks auf dem Leuchtschirm erhalten werden. An den unterschiedlichen optischen Elementen, z.B. an dem halbdurchlässigen Spiegel 24, treten Intensitätsverluste auf. Die Anwendung einer sehr hellen Lichtquelle ist daher erforderlich. Eine Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung ist für diesen Zweck besonders geeignet.

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eerseite

Claims

N.V. Philips'Gloeilamiieio'alirieke.a, Eindhoven/Holland PATENTANSPRÜCHE:

Leuchtschirm, der ein Substrat mit einer Leuchtschicht enthält, die eine Einkristallstruktur aufweist und mindestens einen Aktivator enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht und das Substrat zusammen einen selbsttragenden einkristallinen Körper bilden.
2. Leuchtschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einkristalline Körper eine Granat-Kristallstruktur aufweist.
3. Leuchtschirm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einkristalline Körper aus Yttrium-Gallium-Granat besteht und der die Leuchtschicht bildende Teil des Körpers 0,2 bis 5 Gew.% mindestens eines Aktivators aus der durch Terbium und Thulium gebildeten Gruppe* enthält.
4. Leuchtschirm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einkristalline Körper aus Cadolinium-Gallium-Granat besteht und der die Leuchtschicht bildende Teil des Körpers 0,5 bis 15 Gew.% dreiwertiges Europium enthält.
5. Leuchtschirm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einkristalline Körper aus Yttrium-Aluminium-Granat besteht und der die Leuchtschicht bildende Teil des Körpers 0,2 bis 3 Gew.% mindestens eines Aktivators aus der durch Zer, Neodym und Terbium gebildeten Gruppe enthält.
6. Leuchtschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Substrats zwischen 0,3 mm und 2 mm liegt.
7. Leuchtschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschicht eine Dicke von 1 bis 6 /um aufweist.

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Original ingpcctpd
8. Leuchtschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschicht epitaktisch aus einer Lösung (auch als Flußmittel bezeichnet) angewachsen ist (LPE).
9. Kathodenstrahlröhre zum Erzeugen eines hellen Lichtflecks, enthaltend in einer evakuierten Umhüllung Mittel zum Erzeugen mindestens eines Elektronenstrahls und einen Bildschirm, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildschirm ein Leuchtschirm nach einem der vorstehenden Ansprüche ist.
10. Vorrichtung zum optischen Abtasten einer Informationsspur auf einem Informationsträger mit Hilfe eines Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl mittels einer Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 9 erzeugt wird.
11. Projektionsfernsehvorrichtung mit optischen Mitteln

zur Abbildung eines sehr hellen Bildes auf einem Projektionsschirm, dadurch gekennzeichnet, daß das sehr helle Bild mit einer Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 9 erzeugt wird.
12. Projektionsfernsehvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch

gekennzeichnet, daß die Bildschirmoberfläche kleiner als

ρ
20 cm und die mittlere Leistungsdichte des ausgestrahlten Lichtes größer als 0,1 W/cm ist.
13. Projektionsfernsehvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch

2 gekennzeichnet, daß die Bildschirmoberfläche kleiner als 5 cm

und die mittlere Leistungsdichte des ausgestrahlten Lichtes größer als 0,5 W/cm² ist.

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