DE2853132A1 - Elektronenrohr - Google Patents

Description

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha,

Möhlstraße37 Tokio, Japan D-8000 München 80

Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid

FAM-4370

Elektronenrohr

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Elektronenrohr und insbesondere eine verbesserte Eiektronenlinse zum Fokussieren eines vom Elektronenrohr einer Bildempfangsröhre emittierten Elektronenstrahls.

Die bisherigen Elektronenlinsen für die verbreitet bei BiIdempfangsröhren verwendeten Elektronenrohre bzw. sog. Elektronenkanonen lassen sich allgemein in einen Bipotential- und einen Äquipotentialtyp einteilen. Die derzeit verbreitet insbesondere bei Farbkathodenstrahlröhren angewandten Bipotential-Elektronenrohre umfassen eine Kathode sowie ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Gitter, die in der angegebenen Reihenfolge auf der Mittelachse des Elektronenrohrs angeordnet sind, während eine dafür vorgesehene, auf der Mittelachse angeordnete Elektronenlinse aus einem vierten Gitter besteht, an dem eine Hochspannung anliegt, und an das dritte Gitter eine mittlere Spannung von etwa 20 % der Hochspannung angelegt wird.

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Beim beschriebenen Bipotential-Elektronenrohr besitzt der fokussierte Elektronenstrahlfleck im Hochstrombereich einen großen Durchmesser. Bei einer Dreifachanordnung solcher Elektronenrohre, die in einer Farbbildröhre in Deltaoder "in-line"-Konfiguration angeordnet sind, kann der Innendurchmesser des Röhren-Halsteils die (relative) öffnung der zugeordneten Elektronenlinse beschränken und ihre sphärische Aberration vergrößern, weil im Halsteil ein zugeordnetes Elektronenrohr angeordnet ist. Dies führte zu dem Nachteil, daß der fokussierte Elektronenstrahl im Bereich hohen Stroms keinen ausreichend kleinen Durchmesser besitzen kann, wodurch das Auflösungsvermögen stark herabgesetzt wird. Beispielsweise können auf dem Leuchtschirm der Farbbildröhre wiedergegebene weiße Symbole o.dgl. unscharf oder weit werden.

Andererseits umfaßt das Äquipotential-Elektronenrohr, das derzeit in einem Teil der Farbbildröhren eingesetzt wird, eine Elektronenlinse aus zwei auf Abstand stehenden Endgittern und einem dazwischen angeordneten Zwischengitter, die sämtlich auf einer Mittelachse koaxial zueinander angeordnet sind. An den Endgittern liegen jeweils gleiche Potentiale bzw. Spannungen an, während das Zwischengitter mit einer niedrigen, praktisch auf Massepotential liegenden Spannung beaufschlagt wird, so daß die resultierende Potentialverteilung längs der Mittelachse des Elektronenrohrs sattelförmig ist.

Bei dem bisherigen Äquipotential-Elektronenrohr der beschriebenen Art ist die sphärische Aberration der verwendeten Elektronenlinse noch größer, und der fokussierte Elektronenstrahlfleck besitzt im Hochstrombereich einen kleinen hellen Kern im Zentrum sowie einen diesen Kern umschließenden, großen dunklen Lichthof. Dies führt zu dem Nachteil, daß die Schärfe bei an sich guter Auflösung mangelhaft ist, während der fokussierte Strahl im Bereich eines kleinen Stroms einen großen Fleck bildet, durch den die Auflösung beeinträchtigt wird.

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Außerdem hat sich dabei der Nachteil gezeigt, daß die (dielektrische) Durchschlagsfestigkeitseigenschaften innerhalb der Bildröhre durch die Anordnung von drei Gittern, bei denen zu beiden Seiten eines an einem niedrigen Potential liegenden Gitters jeweils eine Hochspannung vorhanden ist, grundsätzlich ungünstig beeinflußt werden.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich also, daß sowohl das Bipotential- als auch das Äquipotential-Elektronenrohr charakteristische Merkmale aufweisen, von denen einige vorteilhaft und andere nachteilig sind. Mit diesen bisherigen Elektronenrohren konnte außerdem nicht die Auflösung über
den Gesamtbereich von einem niedrigen bis zu einem hohen Strombereich verbessert werden, und zwar insbesondere im Fall der neuesten Farbbildröhren, die in zunehmendem Maß mit hohen
Strömen bei hohen Spannungen in der Größenordnung von 30 kV betrieben werden, um die Leuchtkraft des Leuchtschirms bzw. seiner Bildschrimflache zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Elektronenrohrs mit verbesserter Elektronenlinse zur Verbesserung
der Auflösung der empfangenen und wiedergegebenen Bilder.

Diese Elektronenlinse soll dabei auch eine geringere sphärische Aberration besitzen.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektronenrohr erfindungsgemäß

es
dadurch gelöst, daß/eine Hauptelektronenlinse und eine dieser vorgeschaltete Elektronenlinse mit mindestens einem Beschleunigungs-Elektronenlinsenteil aufweist, dessen Hauptebene für seinen Objektraum an oder neben einer Position eines
virtuellen Objektpunkts des äußersten Elektronenstrahls eines in diesen Beschleunigungs-Elektronenlinsenteil einfallenden Elektronenstrahlenbündels liegt.

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In bevorzugter Ausführungsform kann die Hauptelektronenlinse aus zwei auf Abstand stehenden Endgittern und einem zwischengefügten Zwischengitter bestehen, wobei alle Gitter praktisch den gleichen oder nahezu den gleichen Durchmesser besitzen und koaxial zueinander angeordnet sind und wobei die an das Zwischengitter angelegte Spannung E^, seine axiale Länge L^, der Gitterradius R der Hauptelektronenlinse und die an die jeweiligen Endelektroden bzw. -gitter angelegten Spannungen E^ die Bedingung

' - ^2R " a b
erfüllen, in welcher A eine Größe von 0,185 besitzt.

Zur Verringerung der sphärischen Aberration kann die Anordnung so getroffen sein, daß der Beschleunigungs-Elektronenlinsenteil ein drittes und ein koaxial dazu angeordnetes viertes Gitter aufweist, daß die Hauptelektronenlinse das vierte, ein fünftes und ein sechstes Gitter umfaßt, die koaxial zueinander liegen, daß das dritte und das fünfte Gitter elektrisch miteinander verbunden sind und an einer Fokussierspannung E^ liegen, daß viertes und sechstes Gitter elektrisch miteinander verbunden sind und an einer Hochspannung E, liegen, daß die axiale Länge L₃ des dritten Gitters so festgelegt ist, daß die Hauptebene für einen Objektraum des Beschleunigungs-Elektronenlinsenteils an oder neben einer Position eines virtuellen Objektpunkts des äußersten Elektronenstrahls eines von einer Kathode des Elektronenrohrs emittierten Elektronenstrahlenbündels liegt, daß das fünfte Gitter eine axiale Länge L₅ besitzt, welche der Beziehung

°»⁸⁵

genügt, worin 2R den Gitter-Innendurchmesser der Hauptelektro nenlinse bedeutet und A eine Größe von 0,185 besitzt, und

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daß das vierte Gitter eine von einem Fokussierspannungsverhältnis E^/E, abhängige axiale Länge L- besitzt, welche
der Beziehung I₁. ™ L^ < Ly zumindest dann genügt, wenn
E_f/E_b£ = 0,33 gilt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen.

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein bisheriges Bipotential-Elektronenrohr,

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung eines bisherigen
Äquipotential-Elektronenrohrs,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Elektronenrohr gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung, welche jedoch die in Fig. 3 schematisch dargestellten Einzelheiten des Elektronenrohrs verdeutlicht,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hauptelektronenlinse zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Erfindung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der sphärischen Aberration und der Linsenparameter der Anordnung gemäß
. Fig. 5 in Abhängigkeit vom Fokussierspannungsverhältnis,

Fig. 7a bis 7g graphische Darstellungen der Beziehung zwischen dem Brechungsvermögen der Anordnung nach Fig. 5 und der Elektronen(umlauf)bahn in dieser,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen

der Länge der Zwischenelektrode gemäß Fig. 5 und dem Fokussierspannungsverhältnis,

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Fig. 9 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung eines Elektronenrohrs mit der Anordnung nach Fig. 5,

Fig. 10 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung eines anderen Elektronenrohrs mit der Anordnung nach Fig. 5,

Fig. 11 einen schematischen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12a bis 12c graphische Darstellungen der Kennlinien der Anordnung gemäß Fig. 11,

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchmesser eines fokussierten Elektronenstrahlflecks und dem Fokussierspannungsverhältnis auf der Grundlage der Daten nach den Fig. 12a bis 12c,

Fig. 14 eine Fig. 11 ähnelnde Darstellung einer Anordnung, die sich für ein nicht unter einer vorbestimmten Grösse liegendes Fokussierspannungsverhältnis eignet, und

Fig. 15 eine Fig. 11 ähnelnde Darstellung einer Anordnung, die sich für ein unter einer vorbestimmten Größe liegendes Fokussierspannungsverhältnis eignet.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1 zeigt ein bisheriges Bipotential-Elektronenrohr für eine Bild(empfangs)röhre. Die dargestellte Anordnung umfaßt eine Kathode K sowie vier Gitter 10, 12, 14 und 16, die in dieser Reihenfolge mit vorbestimmten Abständen auf der Mittelachse S des Elektronenrohrs angeordnet sind. Am vierten Gitter 16 liegt eine Hochspannung an, und es bildet mit dem dritten Gitter 14, an dem eine geringere Spannung entsprechend etwa

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20 % der Hochspannung anliegt, eine Elektronenlinse. Die Anordnung nach Fig. 1 besitzt die vorher geschilderten Mängel.

Figur 2 veranschaulicht ein bisheriges Äquipotential-Elektronenrohr, das anstelle der Gitter 14 und 16 gemäß Fig. 1 ein drittes, ein viertes und ein fünftes Gitter 18, 20 bzw. 22 aufweist. Das dritte und das fünfte Gitter 18 bzw. 22 sind einmal am nächsten und zum anderen am weitesten von der Kathode K angeordnet, wobei sie an jeweils gleich großen Spannungen liegen. Diese beiden Gitter besitzen also einander gleiche Potentiale, während das zwischen drittem und fünftem Gitter 18 bzw. 22 liegende vierte Gitter 20 an einer niedrigen, sich dem Massepotential annähernden Spannung liegt, so daß längs der Mittelachse S des Elektronenrohrs eine sattelförmige Potentialverteilung vorhanden ist. Die Anordnung gemäß Fig. 2 besitzt die eingangs geschilderten Mangel.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektronenrohrs dargestellt. Die dargestellte Ausführungsform umfaßt eine Bipotential-Elektronenlinse vom Beschleunigungstyp, welche der Hauptelektronenlinse vorgeschaltet/ d.h. zwischen letzterer undyElektronenquelle angeordnet ist. Insbesondere umfaßt diese Anordnung eine Kathode K sowie vier Gitter 10, 12, 24 und 26, die in dieser Reihenfolge in vorbestimmten Abständen auf der Mittelachse S des Elektronenrohrs angeordnet sind. An der von der Kathode K abgewandten Seite des vierten Gitters 26 ist die Hauptelektronenlinse angeordnet, die schematisch durch einen strichpunktiert eingezeichneten Block 28 dargestellt ist. Die Hauptelektronenlinse 28 ist koaxial zur Mittelachse S angeordnet, so daß sie einen von der Kathode K emittierten Elektronenstrahl schließlich auf einen Leuchtschirm bzw. eine Bildschirmfläche einer nicht dargestellten Bildröhre zu fokussieren vermag. Alle Gitter gemäß Fig. 3 besitzen jeweils gleichen Außen- und Innendurchmesser.

Die der Hauptelektronenlinse 28 vorgeschalteten dritten und vierten Gitter 24 bzw. 26 bilden eine Bipotential-Elektronenlinse vom BeschleunigunastaHp« Wkei *3*s vierte Gitter 26

außerdem einen Teil der Hauptelektronenlinse 28 darstellt. Erfindungsgemäß besitzt diese Elektronenlinse eine Hauptebene für einen Objektraum (object space) derselben, der sich in einerposition eines virtuellen Objektpunkts des äußersten Elektronenstrahls des Elektronenstrahlenbündels von einem Elektronenrohr befindet, welches aus der Kathode K sowie den vier Gittern 10, 12, 24 und 26 besteht. Der Ausdruck "äußerster Elektronenstrahl" bezieht sich auf den ganz außen liegenden Teil eines auf eine Elektronenlinse auftreffenden Elektronenstrahls, während der Ausdruck "virtueller Objektpunkt" einen Punkt bedeutet, an welchem die Mittelachse eines Elektronenrohrs eine Verlängerung der Umlaufbahn des äußersten Elektronenstrahls schneidet, der entgegengesetzt zur Laufrichtung des Elektronenstrahlenbündels läuft. Durch die beschriebene Anordnung der Bipotential-Elektronenlinse wird folgendes erreicht:

1. Der äußerste Elektronenstrahl nimmt die Position des virtuellen Objektpunkts ein, der zwischen den Zeitpunkten nach und vor dem Durchlauf durch die Bipotential-Elektronenlinse im wesentlichen unverändert bleibt;

2. der äußerste Elektronenstrahl besitzt einen Divergenzwinkel, welcher 1/ yN zu verkleinern vermag, wobei N das Verhältnis zwischen einem Potential am vierten Gitter und demjenigen am dritten Gitter 24 bedeutet; und

3. der äußerste Elektronenstrahl ist nicht der sphärischen Aberration unterworfen, die durch die Bipotentialelektronenlinse vom Beschleunigungstyp eingeführt wird.

Mit anderen Worten: nach dem Durchgang durch die genannte bipotentiale Elektronenlinse bleibt die Position des virtuellen Objektpunkts des Elektronenstrahlenbündels vom Elektronenrohr K-10-12-24 praktisch unverändert, wobei sich nur sein Divergenzwinkel verkleinert, während es aufgrund dieser Verkleinerung des Divergenzwinkels durch die sphärische Aberration der Hauptelektronenlinse kaum beeinflußt wird. Dieses

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Elektronenstrahlenbündel kann somit in einem idealen Zustand auf die zugeordnete Leuchtschirm- bzw. Bildschirmfläche fokussiert werden. Es hat sich nun herausgestellt, daß das fokussierte Strahlenbündel im Vergleich zur bisherigen Anordnung, die nur die Hauptelektronenlinse allein verwendet, einen Fleckdurchmesser besitzt, der sich im Bereich mäßiger bzw. kleiner und hoher Ströme um nicht weniger als 20 % verkleinert.

Die Hauptelektronenlinse 28 unterliegt keinen besonderen Einschränkungen; dabei kann es sich entweder um einen Bipotential- oder einen Äquipotentialtyp handeln.

Fig. 4 veranschaulicht die Anordnung nach Fig. 3, bei welcher die Hauptelektronenlinse vom Äquipotentialtyp ist. Gemäß Fig. 4 umfaßt die Hauptelektronenlinse 28 den vom dritten Gitter 24 abgewandten Endabschnitt des vierten Gitters 26, ein fünftes Gitter 30 sowie ein sechstes Gitter 32, die in vorbestimmten Abständen auf der Mittelachse S des Elektronenrohrs angeordnet sind. Außerdem liegen dabei das dritte Gitter 24 und das fünfte Gitter 30 an einer mäßigen Spannung von 7 kV bzw. einer hohen Spannung von 30 kV während das vierte Gitter 26 über eine innere Leitung elektrisch mit dem sechsten Gitter 32 verbunden ist. Weiterhin besitzen drittes, viertes, fünftes und sechstes Gitter jeweils gleichen Außendurchmesser und Innenradius. Wie in Verbindung mit Fig. 3 erwähnt, bildet das dritte Gitter 24 eine Bipotentialelektronenlinse vom Beschleunigungstyp mit dem vierten Gitter 28, das auch als Elektrode zur Verbindung dieser Bipotentialelektronenlinse mit der Hauptelektronenlinse 28 dient.

Die Länge L (Fig. 4) des dritten Gitters 24 ist so festgelegt, daß der äußerste Strahl des von der Kathode K emittierten Elektronenstrahlenbündels mit seinem virtuellen Objektpunkt in der Hauptebene für den Objektraum der Bipotential-

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Elektronenlinse liegt. Zur weitgehenden Verkleinerung des Verhältnisses von Strahlenbündeldurchmesser in der Hauptebene zu Linsenöffnung oder Gitterradius R₁ (Fig. 4) der Linse ist es außerdem erforderlich, den Gitterradius R₁ möglichst groß auszulegen. In der Hauptelektronenlinse 28 muß das fünfte Gitter 30 eine größere Länge als zumindest das Zweifache des Gitterradius R2 (Fig. 4) besitzen, um die resultierende sphärische Aberration zu verringern. Dabei ist es auch wünschenswert, den Radius R₂ so weit zu vergrössern wie dies die Umstände zulassen.

Wie erwähnt, liegen die miteinander verbundenen vierten und sechsten Gitter 26 bzw. 32 an einer Hochspannung von 30 kV, während am fünften Gitter 30 eine variable, mäßige bzw. mittlere Spannung in der Größenordnung von 10 kV liegt. Am dritten Gitter 24 liegt außerdem eine vergleichsweise niedrige Spannung von 7 kV. Infolgedessen sind die Hochspannungen auf beiden Seiten des fünften Gitters 30 vorhanden, doch hat diese Spannungsverteilung keine Verschlechterung der (dielektrischen) Durchschlagfestigkeitseigenschaften zwischen den Elektroden zur Folge.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 unterscheidet sich der Gitterradius R₁ der Bipotentialelektronenlinse vom Beschleunigungstyp vom Gitterradius R₂ der Hauptelektronenlinse, doch ist zu beachten, daß sich das Elektronenrohr leicht montieren und herstellen läßt, wenn die beiden Radien jeweils gleich groß gewählt werden.

Es hat sich gezeigt, daß mit der Anordnung gemäß Fig. 4 die Fokussiereigenschaften der Elektronenstrahlen über den gesamten Strombereich hinweg verbessert werden können, so daß auf einer hellen Bildschirmfläche scharfe Bilder wiedergegeben werden können.

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Die Erfindung eignet sich gleichermaßen auch für eine Hauptelektronenlinse 28 vom Äquipotentialtyp.

Elektronenlinsen besitzen im allgemeinen eine sphärische Aherr;

Aberration C , die sich durch folgende Gleichung ausdrücken

3<{>rd

(D

darin bedeuten:

Oq = ein Potential im Objektraum der Elektronenlinse, φ = Potentialverteilung auf ihrer Längsachse, φ' = eine Ableitung des Potentials φ erster Ordnung, φ" = eine entsprechende Ableitung zweiter Ordnung, Z₀ = einen Eintrittspunkt in den Objektraum, Z. = einen Austrittspunkt für den Bildraum der Elektronenlinse und

rd = eine Bezugsumlaufsbahn der Elektronen, welche folgende Anfangs- bzw. Ausgangsbedingung erfüllt:

rd(Z_Q) = 0 und rd¹(Z_Q) = 1
Außerdem bedeutet rd¹ eine Ableitung von rd erster Ordnung.

Eine Untersuchung der Größe der auf den Leuchtschirm einer Bildröhre fokussierten Elektronenstrahlflecke hat andererseits ergeben, daß der Elektronenstrahlenfleck einen echten Fleckabschnitt großer Helligkeit und einen Lichthofabschnitt geringer Helligkeit aufweist, der im Hochstrombereich um den Fleckabschnitt herum auftritt.

Im folgenden sei angenommen, daß der resultierende Elektronenstrahlfleck bei einer vorgegebenen Größe des Strahlenstroms eine Mindestgröße ohne einen dabei auftretenden Lichthof be-

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- ι & - 2 υ ο J 1 ό ^

sitzt. Unter den angenommenen Bedingungen koinridiert der echtο Fleckabschnitt bezüglich seiner Größe πit dem Lichthof abschnitt, wobei sich seine Größe ds wie folgt bestimmt;

(f + 1) (-f) (G a)^J

- Cl _J III

ds = \ §— (2)

1 + 0.75(—|) (Oa)²

worin bedeuten:

α = Abstand zwischen einem Objektpunkt und der Hauptebene für den Objektraum der Elektronenlinse,

b = Abstand zwischen dex Hauptebene eines Bildraums der Elektronenlinse und der Bildfläche einer verwendeten Bildröhre,

θ = Divergenzwinkel des äußersten einfallenden Elektronenstrahls bei einer vorgegebenen Größe des Strahlstroms und

f = Brennweite der Elektronenlinse.

Aus Gleichung (2) geht hervor, daß, sofern die sphärische Aberration C nicht Null beträgt, auch eine Punktquelle dor Elektronenstrahlen die Größe eines fokussierten Elektronenstrahlenflecks nicht zu Null werden lassen kann, und daß die resultierende Fleckgröße um so kleiner ist, je kleiner die Größe von C /f ist.

Figur 5 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf die A'quipotential-Hauptelektronenlinse 28 (Fig. 3). Die dargestellte Anordnung umfaßt ein Endgitter 34, ein Zwischengitter 36 und ein anderes Endgitter 38, die in vorbestimmten gegenseitigen Abständen auf der Mittelachse S eines nicht dargestellten zugeordneten Elektronenrohrs ange-

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ordnet sind und die jeweils gleiche Durchmesser besitzen. An die beiden.-Ehdg.-itt.er 34 und 38 wird ein gemeinsames Potential E, angelegt, während an das Zwischengitter 36 ein Fokussierpotential E_f angelegt wird. Der Ausdruck "Xquipotential-Elektronehlinse" bezog sich bisher auf eine Anordnung mit einem mittleren bzw. Zwischengitter, an dem ein Null betragendes oder niedriges Potential anliegt. Mit der Erfindung wird dagegen eine A'quipotential-Hauptelektronenlinse mit optimaler Konfiguration der verwendeten Gitter geschaffen, ohne daß dabei das Potential Ev speziell festgelegt wäre. ■-.-""■-..■

Fig. 6 veranschaulicht die Änderungen des Quotienten einer sphärischen Aberration C , dividiert durch die dritte Potenz

^s 3
der Brennweite f bzw. C /f , normalisiert mit einem Gitterradius R der Linse (vergl. Fig. 5), in Abhängigkeit vom Fokussierspannurigsverhältnis E^/E , wobei der Parameter durch die Länge L^ (Fig. 5) des Zwischengitters, normalisiert mit dem bzw. auf den Gitterdurchmesser 2R der Linse, ausgedrückt ist.

In den in Fig. 6 in ausgezogenen Linien dargestellten Bereichen besitzt die Elektronenlinse ein solches Brechungsvermögen, daß eine zugeordnete oder entsprechende Elektronen— strahlbahn den Verlauf gemäß Fig. 7a oder 7b besitzt. Die Elektronenbahn gemäß Fig. 7a ändert sich mit zunehmender Leistung der Elektronenlinse auf die Elektronenbahn gornäß Fig. 7b. · ;

In den in Fig. 6 in gestrichelten Linien eingezeichneten Bereichen besitzt jedoch die Elektronenlinse ein derart hohes Breehungsvermögen, daß Gleichung (1) keine gültige sphärische Aberration angibt. Unter diesen Bedingungen verläuft die Elektronenbahn praktisch auf die in den Fig. 7c bis 7g angedeutete Weise. Wenn sich das Breehungsvermögen der

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Elektronenlinse erhöht, ändert sich die entsprechende Elektronenbahn fortlaufend in der Reihenfolge der Fig. 7c, 7d, 7e, 7f und 7g. Im Falle der Elektronenbahnen gemäß einer dieser Figuren besitzt die Elektronenlinse tatsächlich einen sehr großen Wert der sphärischen Aberration, auch wenn diese sich nur zu einem kleinen Wert berechnen läßt. Dies führt zu einer erheblichen Größe des resultierenden Elektronenstrahlenflecks. Aus diesem Grunde ist es nicht ratsam, die Elektronenlinse in diesem Bereich zu betreiben.

Aus Fig. 6 geht folgendes hervor:

1. Je langer das Zwischengiter 36 ist, um so kleiner ist die sphärische Aberration der Elektronenlinse, doch besitzt letztere einen unteren Grenzwert aufgrund ihrer Sättigung entsprechend L-/2R > 1,5, und

2. eine Vergrößerung der Länge des Zwischengitters ermöglicht eine Verringerung der sphärischen Aberration der Elektronenlinse in Verbindung mit einer Erhöhung des verfügbaren Fokussierpotentials E-.

In Fig. 8, in welcher das Fokussierspannungsverhältnis E^/ [·: auf der Abszisse in Abhängigkeit von der Länge des Zwischonqitters, normalisiert mit dem Gitterdurchmesser der Hlekt rottenI iuse bzw. Lp/2R, auf der Ordinate aufgetragen ist, ist ein Hereich veranschaulicht, in welchem die Länge L-tlt-ii Zwiiichenqi t ters 36 und die an dieses Gitter angelegte

iip.uiiunui Κ.- qewählt werden können. Die Kurve gemäß Fig. 8 t

liillt «sich ungefähr wie folgt ausdrücken:

—■ < ~5- hr)² + 0.85 für A= 0.18 5 ^^R " Λ ^hb

und

Dor Hero ich, in welchem die Länge Lr dieVSpannung E- gewählt werden, können, liegt auf und über dieser Kurve.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht ohne weiteres hervor,

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daß die Länge L^ des Zwischengitters 36 vorzugsweise folgender Gleichung bzw. Formel entspricht:

L- (^)² + 085 f«r A - 0 185

5 < idi < L- (^)² + 0.85

Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen jeweils Elektronenröhre mit der Anordnung gemäß Fig. 5. Gemäß Fig. 9 ist die Anordnung nach Fig. 3 so abgewandelt, daß die gemäß Fig. 5 aus drei Elektroden 34, 36 und 38 bestehende Ilauptelektronenlinse mit Abstand zu der von der Kathode K abgewandten Seite des zweiten Gitters 12 hin versetzt ist, wobei die Elektrode 34 eine ähnliche Form besitzt wie das dritte Gitter 24.

Die Anordnung gemäß Fig. 10 ähnelt derjenigen gemäß Fig. 4, wobei jedoch die Fokussierspannung E,. sowohl an das dritte Gitter 24 als auch an die Zwischenelektrode 36 angelegt wird, und die Elektrode 34 über eine innere Leitung elektrisch mit der Elektrode 38 verbunden ist und mit der Hochspannung E. gespeist wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung isL ersichtlich, daß erfindungsgemäß eine Elektrononlinse mit kleiner sphärischer Aberration konstruiert werden kann und sich das Elektronenrohr bezüglich seiner El oktrononst rahl -Fokuss ierleistung verbessern läßt.

Die Anordnung nach Fig. 11 ent iipri c-ht weitgehend derjenigen gemäß FLg. 4, mit dom Unt.orseh.iod, daß eine Fokussierspannung E_ an drLttes ^^nd fünf tos (lit tor 24 bzw. 30 angelegt wird, und die Gitter jeweils .speziell festgelegte Längen besitzen, um Auflösung und Schärfe dos Kitipl <ui<ii;b i 1 ds weiter zu ver-

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bessern. Die Länge L₃ des dritten Gitters 24 ist so festgelegt, daß die Hauptebene eines Objektraums einer aus drittem und viertem Gitter 24 bzw. 26 bestehenden Elektronenlinse nahe einer Position eines virtuellen Objektpunkts des äußersten Elektronenstrahls des Elektronenstrahlenbündels liegt, das von dem aus der Kathode K sowie erstem, zweitem und drittem Gitter 10, 12 bzw. 24 bestehenden Elektronenrohr emittiert wird. Die Länge L₃ ist eine Funktion des Verhältnisses der Spannungen zwischen drittem und viertem Gitter 24 bzw. 26, wobei die Länge L₃ mit dem Innendurchmesser 2R der Elektronenlinse normalisiert ist und normalerweise im Bereich von 0,6 bis 1,3 liegt. Dies bedeutet, es gilt L₃/2R = 0,6 ns 1 ,3.

Das fünfte Gitter 30 besitzt eine Länge Lc entsprechend

^L5 1 ^Ef 2
¹Z = 2R * _A2 ^lE_b ^}

worin A eine Größe von 0,185 besitzt. Infolgedessen gilt L₃ < L₅. Wenn die Länge Lg des fünften Gitters 30 auf beschriebene Weise festgelegt wird, kann die sphärische Aberration einer aus viertem, fünftem und sechstem Gitter 26, 30 bzw. 32 bestehenden Äquipotential-Hauptelektronenlinse verringert und dabei gleichzeitig die Fokussierspannung E_f weitgehend erniedrigt, werden. Wahlweise können viertes, fünftes und sechstes Gitter eine Verbund-Elektronenlinse bilden, die einen Beschleunigungs- und einen Verzögerungs-Bipotentialelektronenlinsenteil aufweist.

Das sechste Gitter 32 besitzt eine Länge L_g, die vergleichsweise frei bestimmt werden kann. Um jedoch zu verhindern, daß die gemäß Fig. 11 rechte Seite des sechsten Gitters 32 bzw. die Seite eines Leuchtschirms einer nicht dargestellten,

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zugeordneten Bildröhre das im Bereich der Hauptelektronenlinse erzeugte elektrische Feld beeinflußt _r wird die Länge Lg des sechsten Gitters im allgemeinen so festgelegt, daß L₆/2R > 1 gilt.

Die Länge L. des vierten Gitters 26 ist schließlich- so festgelegt, daß der Durchmesser eines auf de.n nicht dargestellten Leuchtschirm fokussierten Strahlenflecks bei der erforderlichen Fokussierspannung E^ weitgehend verkleinert wird. Wie bei den vorher beschriebenen Anordnungen bildet das vierte Gitter 26 eine Elektronenlinse mit dem dritten Gitter 14, wobei es auch als Elektrode zur Verbindung dieser Elektronenlinse mit der Hauptelektronenlinse aus viertem, fünftem und sechstem Gitter 24, 30 bzw. 32 dient.

Bei Bildröhren mit der Anordnung gemäß Fig. 11 wurden das Fokussierspannungsverhältnis E_f/E, sowie der Durchmesser des auf den Leuchtschirm fokussierten Strahlenflecks bei Änderung der Länge des dritten, vierten und fünften Gitters gemessen, während die Längen der beiden anderen Gitter unverändert blieben. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in den Fig. 12a bis 12c dargestellt, in denen auf der Ordinate sowohl das Fokussierspannungsverhältnis E^/E. als auch der Durchmesser (in cm) des fokussierten Strahlenflecks aufgetragen sind, während die Abszisse, den Unterschied zwischen der veränderten und einer konstanten Länge des betreffenden Gitters, normalisiert mit dem Innendurchmesser der Hauptelektronenlinse, angibt. Die ausgezogene Linie bezieht sich dabei auf das Fokussierspannungsverhältnis, während die gestrichelte Kurve den Durchmesser des fokussierten Strahlenflecks angibt. Gemäß Fig. 12a wurde die Länge L^ des vierten Gitters 26 in positiver und negativer Richtung von einer konstanten Länge L.„aus geändert, während die Längen von drittem und fünftem Gitter 24 bzw. 30 unverändert blieben. Gemäß Fig. 12b wurde die Länge L₃ des dritten Gitters 24 von einer konstanten Länge

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LgQ aus in positiver und negativer Richtung geändert, während die Längen von viertem und fünftem Gitter 26 bzw. 30 unverändert blieben. Gemäß Fig. 12c wurde die Länge L₁- des fünften Gitters 30 auf ähnliche Weise von einer konstanten Länge L₅₀ aus geändert, während die Längen von drittem und viertem Gitter 24 bzw. 26 unverändert blieben.

Die Daten gemäß den Fig. 12a, 12b und 12c lassen sich zur Beziehung zwischen dem Fokussierspannungsverhältnis E^/E, und der Durchmesseränderung des fokussierten Strahlenflecks infolge einer Änderung der Länge von drittem, viertem und fünftem Gitter gemäß Fig. 13 vereinheitlichen, in welcher auf der Abszisse das Fokussierspannungsverhältnis E^/E, und auf der Ordinate die Durchmesseränderung (in mm) des fokussierten Strahlenflecks aufgetragen sind.

Aus Fig. 13 geht folgendes hervor:

1) Die Fokussierspannung kann durch Verkleinerung der Länge der Gitter verringert werden, doch ist eine Verkleinerung der Länge L₄ des vierten Gitters 26 zur weitmöglichsten Verkleinerung des Durchmessers des fokussierten Strahlenflecks am wirksamsten, worauf bezüglich dieser Wirksamkeit das dritte Gitter 24 und sodann das fünfte Gitter 30 folgen, und

2) die Fokussierspannung kann durch Vergrößerung der Länge der Gitter bzw. der Elektroden erhöht werden, wofür eine Längenvergrößerung des dritten oder vierten Gitters 24 bzw. 26 wirksam ist, weil das fünfte Gitter 30 nur eine kleine Änderung der Fokussierspannung bewirkt.

Diese Längenvergrößerung der Gitter 24 oder 26 hat einen geringen Einfluß auf den Durchmesser des fokussierten Strahlenflecks .

Die Längen der betreffenden Gitter werden daher so festgelegt, daß sie L₄^ L₃ < L₅ für die relative Fokussierspannung

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— ~ 0,33 entsprechen und allgemein L-, £■ L. < L₁- für die

Jd E_f ^

relative Fokussierspannung =— ei 0,33 gilt. Gemäß Fig. 13

E_f ^b

entspricht -— » 0,33 einer Null betragenden Änderung im

Durchmesser des fokussierten Strahlenflecks.

^Ef *

Die Anordnung gemäß Fig. 11 kann jeweils für =— ^- 0,33

iv. * b

zur Anordnung gemäß Fig. 14 oder derjenigen gemäß Fig. 15 abgewandelt werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß mit der Erfindung ein Elektronenrohr mit einer fokussierenden Elektronenlinse geschaffen wird, die nur eine kleine Aberration besitzt. Das erzeugte Bild besitzt daher sowohl eine hohe Auflösung als auch eine große Schärfe.

Obgleich vorstehend nur einige, derzeit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem Fachmann selbstverständlich verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise umfaßt die Ausführungsform gemäß Fig. 11 das dritte und das fünfte Gitter, die elektrisch miteinander verbunden sind, doch kann dabei eine mäßige bzw. mittlere Spannung einer festen Größe an das dritte Gitter angelegt werden. Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit Elektroden oder Gittern mit jeweils gleichem Innendurchmesser beschrieben ist, ist sie auch auf Gitter oder Elektroden anwendbar, deren innendurchmesser mehr oder weniger voneinander abweichen.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also ein Elektronenrohr geschaffen, das eine Hauptfokussierelektronenlinse aus drei miteinander fluchtenden Gittern und eine der Hauptelektronenlinse vorgeschaltete Beschleunigungselektronenlinse aus den ersten beiden dieser Gitter oder aus einem ersten dieser Gitter und einem anderen, vorgeschalteten Gitter auf-

* für ^f

ε- >o,33 zu 909824/0841

weist. Die Beschleunigungslinse ist dabei in einer solchen Stellung angeordnet, daß die Hauptebene für einen Objektraum der Linse neben oder an einem virtuellen Objektpunkt des äußersten Elektronenstrahls eines in die Linse einfallenden Elektronenstrahlenbündels liegt. Die Längen der Gitter, welche beide Linsen bilden, besitzen dabei festgelegte Größen.

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Leerseite

Claims (5)

1. Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

   :-."■". Registered Representatives

   - before the European Patent Office

   Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha,

   Möhlstraße37 Tokio, Japan D-8000München 80

   Tel: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid

   FAM-43 70

   Elektronenrohr

   ' Patentansprüche

   /1. Elektronenrohr, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Hauptelektronenlinse und eine dieser vorgeschaltete Elektronenlinse mit mindestens einem Beschleunigungs-Elektronenlinsenteil aufweist, dessen Hauptebene für seinen Objektraum an oder neben einer Position eines virtuellen Objektpunkts des äußersten Elektronenstrahls eines in diesen Beschleunigungs-Elektronenlinsenteil einfallenden Elektronenstrahlenbündels liegt.
2. 2. Elektronenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektronenlinse aus zwei auf Abstand stehenden Endgittern und einem zwischengefügten Zwischengitter aufgebaut ist, daß alle Gitter jeweils gleichen oder nahezu gleichen Durchmesser besitzen und koaxial zueinander angeordnet sind, daß an den Endgittern gleiche Potentiale anliegen, daß am Zwischengitter ein von diesen gleichen Potentialen verschiedenes Potential anliegt und daß das Verhältnis der angelegten Spannung zur Länge des Zwischengitters so festgelegt ist, daß die Linsenparameter der Bez iehung

   9098 24/084»

   ORIGINAL INSPECTED

   C /R

   ^s -ί0,4^0.7

   (f/R)

   genügen, worin

   C = sphärische Aberration der Hauptelektronenlinse, R = ihren Gitterradius und
   f = ihre Brennweite
   bedeuten.
3. 3. Elektronenrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Zwischengitter angelegte Spannung E,., seine axiale Länge L^, der Gitterradius R der Hauptelektronenlinse und die an die jeweiligen Endelektroden bzw. -gitter angelegten Spannungen E, die Bedingung

   erfüllen, in welcher A eine Größe von 0,185 besitzt.
4. 4. Elektronenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungs-Elektronenlinsenteil ein drittes und ein koaxial dazu.angeordnetes viertes Gitter aufweist, daß die Hauptelektronenlinse das vierte, ein fünftes und ein sechstes Gitter umfaßt, die koaxial zueinander liegen, daß das dritte und das fünfte Gitter elektrisch miteinander verbunden sind und an einer Fokussierspannung E,- liegen, daß viertes und sechstes Gitter elektrisch miteinander verbunden sind und an einer Hochspannung E, liegen, daß die axiale Länge L^ des dritten Gitters so festgelegt ist, daß die Hauptebene für einen Objektraum des Beschleunigungs-Elektronenlinsenteils an oder neben einer Position eines virtuellen Objektpunkts des äußeren Elektronenstrahls eines von einer Kathode des Elektronenrohrs emittierten Elektronenstrahlenbündels liegt, daß das fünfte Gitter eine axiale

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   ORIGINAL INSPECTED

   Länge L₅ besitzt, welche der Beziehung

   genügt, worin 2R den Gitter-Innendurchmesser der Hauptelektronenlinse bedeutet und A eine Größe von 0,185 besitzt, und daß das vierte Gitter eine von einem Fokussierspannungsverhältnis E_f/E, abhängige axiale Länge L. besitzt, welche der Beziehung L₄ Ik» L, <L,- zumindest dann genügt, wenn E_f/E, £ 0,33 gilt.
5. 5. Elektronenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungs-Elektronenlinsenteil ein drittes und ein koaxial dazu angeordnetes viertes Gitter aufweist, daß die Hauptelektronenlinse das vierte , ein fünftes und ein sechstes Gitter umfaßt, die koaxial zueinander liegen, daß am dritten Gitter eine mäßige bzw. mittlere Spannung konstanter Größe und am fünften Gitter eine Fokussierspannung EJanliegen, daß die axiale Länge L₃ des dritten Gitters so festgelegt ist, daß die Hauptebene für einen Objektraum des Beschleunigungs-Elektronenlinsenteils an .oder neben einer Position eines virtuellen Objektpunkts des äußersten Elektronenstrahls eines von einer Kathode des Elektronenrohrs emittierten Elektronenstrahlenbündels liegt, daß das fünfte Gitter eine axiale Länge L₅ besitzt, welche der Beziehung

   i al s

   genügt, worin 2R den Gitter-Innendurchmesser der Hauptelektronenlinse bedeutet und A eine Größe von 0,185 besitzt, und daß das vierte Gitter eine von einem Fokussier-

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   Spannungsverhältnis E^/E, abhängige axiale Länge L» besitzt, welche der Beziehung L,4> L^ < L₅ zumindest dann genügt, wenn E^/E, ^ 0,33 gilt.

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