DE2853132C2 - Elektronenstrahlerzeuger - Google Patents

Description

,,_ . 0,4 bis 0,7

genügen, wobei

C_s den sphärischen Aberrationskoeffizienten der Hauptelektronenlinse (28), R deren Gitterradius und

f deren Brennweite bedeuten, und

b) für die Länge L₃ des ersten Gitters (24) der vorgeschalteten Bipotential-Elektronenlinse gilt: LzIlR w 0,6 bis 1,3.

2. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

c) die an das Zwischengitter (30) der Hauptelektronenlinse (28) angelegte Spannung E₁, seine axiale Länge Ls, der Gitterradius R der Hauptelektronenlinse (28) und das an die Endgitter (26,32) angelegte Potential Eb die Beziehung

_u5 < U <

erfüllen, in welcher A eine Größe von 0,185 besitzt.
3. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Hauptelektronenlinse (28) das zweite Gitter (26) der vorgeschalteten Bipotential-Elektronenlinse

als eines der Endgitter umfaßt, wobei das erste Gitter (24) der Bipotential-Elektronenlinse und das Zwischengitter (30) der Hauptelektronenlinse (28) elektrisch miteinander verbunden sind und an einer Fokussierspannung £> liegen und wobei das zweite Gitter (26) und das andere Endgitter (32) elektrisch miteinander verbunden sind und an einer Hochspannung Eb liegen, und

e) das zweite Gitter (26) eine axiale Länge L₄ besitzt, welche der Beziehung Ui₁L₃KL^ dann genügt,

wenn E_f/E_b 5 0,33 gilt.

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektronenstrahlerzeuger gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Elektronenstrahlerzeuger ist bereits aufgrund der DE-OS 22 64 113 bekannt. Bei diesem bekannten Elektronenstrahlerzeuger sind zwei hintereinander angeordnete Elektronenstrahllinsen vorgesehen, welche derart ausgelegt sind, daß die Elektronenstrahlen zwischen diesen beiden Linsen parallel zueinander ausgerichtet sind, um auf diese Weise eine Hauptlinse mit großer Apertur nachzubilden. Aufgrund der vorgesehenen parallelen Ausrichtung der Elektronenstrahlen besitzt diese Anordnung hinter der ersten Elektronenstrahllinse einen im Unendlichen liegenden imaginären Objektpunkt.

Es zeigt sich jedoch, daß bei Verwendung eines derartigen Elektronenstrahlerzeugers ein relativ großer Abstand zwischen dem virtuellen Objektpunkt und der ersten Elektronenstrahllinse vorgesehen sein muß, um die erforderliche relativ starke Ablenkung der einzelnen Elektronenstrahlen im Bereich der ersten Elektronenstrahllinse zu erreichen. Dies führt jedoch zwangsläufig zu einer Vergrößerung des fokussierten Elektronenstrahldurchmessers, indem die optischen Eigenschaften des Gesamtsystems relativ stark von der sphärischen Aberration der ersten Elektronenstrahllinse beeinflußt werden.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den bekannten Elektronenstrahlerzeuger dahinge-

hend weiterzubilden, daß durch Verringerung der sphärischen Aberration des Gesamtsystems eine stärkere

Fokussierung des aus Teilstrahlen bestehenden Oesamtelektronenstrahls 7.ustande.kommt. um auf diese Weise bei Verwendung in Verbindung mit einem Bildschirm einen kleineren Leuchtfleck und damit ein höheres Auflösungsvermögen des auf dem Bildschirm wiedergegebenen Bildes zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird dies durch das Vorsehen der irn kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten b5 Merkmale erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche 2 und 3. Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Elektronenstrahlerzeugers als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Rg. 2 eine graphische Darstellung der sphärischen Aberration in Abhängigkeit des Fokussierspannungsverhältnisses und bestimmter Linsenparameter bei einem Elektronenstrahlerzeuger gemäß Fig. 1,

Fig. 3a bis 3g Elektronenstrahlbahnen des Elektronenstrahlerzeugers von Fig. 1 bei verschiedenem Brechungsvermögen der Linse,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge der Zwischenelektrode des Elektronenstrahlerzeugers von Fig. 1 und dem Fokussierspannungsverhältnis,

Fig. 5 bis 7 graphische Darstellungen von Kennlinien des Elektronenstrahlerzeugers von Fig. 1 und

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Durchmesser des fokussierten Elektronenstrahls und dem Fokussierspannungsverhältnis auf der Grundlage der Daten der Fig. 5—7.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugers, welcher im wesentlichen aus einer Kathode K sowie zwei unmittelbar daran anschließenden Gittern 10 und 12 besteht, welchen eine aus zwei Gittern 24 und 26 bestehende Bipotential-Elektronenlinse 25 vom Beschleunigungstyp nachgeschaltet ist Die Kathode K sowie die daran anschließenden Gitter 10, 12, 24 und 26 sind in der angegebenen Reihenfolge in vorbestimmten Abständen entlang der Mittelachse Sdes Elektronenstrahlerzeugers angeordnet.

An der von der Kathode K abgewandten Seite des vierten Gitters 26 ist eine Hauptelektronenlinse 28 vorgesehen, welche aus dem Endabschnitt des vierten Gitters 26 sowie einem fünften und sechsten Gitter 30 und 32 besteht, wobei diese Gitter ebenfalls in vorbestimmten Abständen entlang der Mittelachse 5 des Elektronenstrahlerzeugers angeordnet sind. Das dritte, vierte, fünfte und sechste Gitter 24, 26,30 und 32 besitzen jeweils gleiche Außendurchmesser und gleiche Innenradien R.

Durch Anlegen einer relativ hohen Spannung £4 von etwa 30 kV an das vierte Gitter 26 und das sechste Gitter 32 und das Anlegen einer relativ niedrigen Spannung Et von etwa 7 kV an das dritte Gitter 24 und das fünfte Gitter 30 läßt sich erreichen, daß der von der Kathode K emittierte Elektronenstrahl auf dem Bildschirm einer nicht dargestellten Bildröhre fokussiert werden kann.

Der Elektronenstrahlerzeuger ist derart ausgebildet, daß die einzelnen Elektronenstrahlen durch die Bipotential-EIektronenlinse 25 relativ schwach abgelenkt werden, wodurch folgendes erreicht werden kann:

1. Der von den äußeren Elektronenstrahlen gebildete virtuelle Objektpunkt wird bei dem Durchlauf durch die Bipotential-Elektronenlinse 25 nur relativ geringfügig verschoben.

2. Der Divergenzwinkel der im äußeren Bereich verlaufenden Elektronenstrahlen wird um einen Faktor 1/ ifN verringert, wobei N das Potentialverhältnis der am vierten Gitter 26 und am dritten Gitter 24 anliegenden Potentiale £iund £>ist.

3. Die im äußeren Bereich verlaufenden Elektronenstrahlen werden durch das Vorhandensein der Bipotential-Elektronenlinse 25 keiner sphärischen Aberration unterworfen.

Zusammenfassend ergibt sich somit, daß die Position des virtuellen Objektpunktes des Elektronenstrahlbündels nur geringfügig durch die aus den Elementen K, 10, 12 und 24 bestehende Anordnung verschoben wird, wobei mit Hilfe der Bipotential-Elektronenlinse 25 erreicht wird, daß der Divergenzwinkel des Elektronenstrahls sich nur etwas verkleinert, so daß auf diese Weise die durch die Hauptelektronenlinse 28 hervorgerufene sphärische Aberration nur unwesentlich beeinflußt wird. Das erzeugte Elektronenstrahlbündel kann somit mit Hilfe der Hauptelektronenlinse 28 sehr gut auf dem Bildschirm der nicht dargestellten Bildröhre fokussiert werden.

Die Länge L₃ des dritten Gitters 24 ist derart festgelegt, daß der virtuelle Objektpunkt der äußeren Strahlen des von der Kathode K emittierten Elektronenstrahlbündels in der einen Hauptebene der Bipotential-Elektronenlinse 25 liegt. Im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst guten Strahlenbündelung sollte fernerhin der Radius der Gitter 24, 26 der Bipotential-Elektronenlinse 25 möglichst groß gewählt werden. Dies gilt ebenfalls für den Radius der Gitter 26,28 und 32 der Hauptelektronenlinse 28, während die Länge L·, des fünften Gitters 30 im Hinblick auf eine Verringerung der sich ergebenden sphärischen Aberration mindestens zweimal so groß wie der Gitterradius R gemacht werden sollte.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei dabei noch folgendes vorgetragen: Die bei Elektronenlinsen auftretende sphärische Aberration C₁ läßt sich durch fplgende Gleichung ausdrücken:

C₁ - ' f-L- (**L + -A^l₊ "*"" - ³*"^Vrf'² W (υ

16-/Φ7 -¹^² V 4 24Φ² 3<Prd 2rd J

Φο = das Potential auf der Objektseite der Elektronenlinse,

Φ = die Potentialverteilung entlang der Längsachse,

Ψ = die erste Ableitung des Potentials Φ,

Φ" -*■ die zweite Ableitung dieses Potentials Φ,

Zo = den Eintrittspunkt des Strahls auf der Objektseite,

Z, = den Austrittspunkt des jeweiligen Strahls auf der Bildseite und

rd = die Bezugsbahn der Elektronen

bedeuten, wobei letztere den folgenden Randbedingungen genügt:

rd(Zo) = 0 und rd'(Z₀) = !

rd'bedeutet dabei die erste Ableitung der Größe rd.

Eine Untersuchung der Abmessungen des auf dem Schirm einer Bildröhre fokussierten Elektronenstrahlflecks hat dabei ergeben, daß derselbe aus einem eigentlichen Fleckkern größerer Helligkeit und einem denselben umgebenden Lichthofring geringerer Helligkeit aufgebaut ist.

Unter der Annahme, daß bei einer vorgegebenen Größe des Elektronenstrahls der sich ergebende Elektronenstrahlfleck eine bestimmte Mindestgröße unter Vernachlässigung des auftretenden Lichthofringes besitzt, kann der eigentliche Fleckkern bezüglich seiner Größe durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

1+0,75 (-^f) (Θ,,,αΫ
wobei

a = der Abstand zwischen dem Objektpunkt und der Hauptebene auf der Objektseite der Elektronenlinse, b = der Abstand zwischen der Hauptebene auf der Bildseite der Elektronenlinse und der Bildfläche der verwendeten Bildröhre,

6_m = der Divergenzwinkel der äußeren Elektronenstrahlen bei vorgegebener Größe des Elektronenstrahlstromes und

/ = die Brennweite der Elektronenlinse sind.

Anhand von Gleichung (2) geht hervor, daß, solange die sphärische Aberration C_s nicht Null ist, auch bei Vorhandensein einer punktförmigen Elektronenstrahlquelle die Größe des fokussierten Elektronenstrahlflecks nicht zu Null gemacht werden kann, wobei die sich ergebende Fleckgröße um so kleiner ist, je kleiner der Ausdruck CjP ist.

In dem folgenden sei nunmehr erläutert, daß die Hauptelektronenlinse 28 mit einer optimalen Konfiguration der verwendeten Gitter 26,30 und 32 geschaffen werden kann, wobei das an dem Zwischengitter 30 anliegende Potential ff nicht genau festgelegt werden muß.

Fig. 2 zeigt die auftretenden Änderungen des Quotienten der sphärischen Aberration C₅, dividiert durch die dritte Potenz der Brennweite f, d. h.: CjP normalisiert jeweils bezüglich dem Gitterradius R in Abhängigkeit des Fokussierspannungsverhältnisses E₁IEb, wobei als Parameter die Länge L₅ des Zwischengitters 30 verwendet ist. welche auf den Gitterdurchmesser 2/? der Elektronenlinse normalisiert ist.

Gemäß dieser Figur besitzt die Elektronenlinse in dem durch die ausgezogenen Linien festgelegten Bereich eine Brechungskraft, welche zu den in den Fig. 3a und 3b dargestellten Elektronenstrahlbahnen führt. Mit zunehmender Stärke der Elektronenlinse ändert sich dabei die in Flg. 3a dargestellte Elektronenbahn in Richtung der in Fig. 3b dargestellten Elektronenbahn.

In den mit gestrichelten Linien gekennzeichneten Bereichen der Fig. 2 besitzt die Elektronenlinse hingegen ein derart starkes Brechungsvermögen, daß gemäß Gleichung (1) keine zufriedenstellende sphärische Aberration erzielbar ist. Unter diesen Bedingungen ergeben sich Elektronenbahnen, so wie sie in den Fig. 3c—3g dargestellt sind. Mu dsr Erhöhung des Brcchungsvermögcns ändern sieh die Eiektroricnbahnen dabei fortlaufend in Richtung der Fig. 3c—3g. Dabei ergeben sich relativ hohe Werte der sphärischen Aberration der Elektronenlinse, und zwar selbst dann, wenn der theoretisch berechnete Wert relativ klein sein sollte. Dies wiederum führt zu einer entsprechenden Vergrößerung des sich ergebenden Elektronenstrahlflecks. Es erscheint nicht ratsam, die Elcktronenünsc in derartigen Bereichen zu betreiben.
Anhand von Fig. 2 ist dabei folgendes erkennbar:

1. Je größer die Länge L₅ des Zwischengitters 30 ist, um so kleiner ist die sich ergebende sphärische Aberration der Elektronenlinse. Soweit erkennbar, kann jedoch letztere nicht kleiner als einen bestimmten Wert gemacht werden, sobald die Größe L5/2R den Wert 1,5 erreicht

2. Gleichzeitig mit einer Vergrößerung der Länge L₅ des Zwischengitters 30 ergibt eine Erhöhung des verfügbaren Fokussierpotentials Ef ebenfalls eine Verringerung der sphärischen Aberration der Elektronenlinse.

Anhand von Fig. 4, in welcher entlang der Abszisse das Fokussierspannungsverhältnis EfIEb und entlang der

Ordinate die Länge L5 des Zwischengitters 30 normalisiert auf den Gitterdurchmesser 2R der Elektronenlinse,

d. h. L5I2R, aufgetragen ist, ist jener Bereich erkennbar, in welchem die Länge L5 des Zwischengitters 30 und die an diesem Zwischengitter 30 angelegte Spannung Er gewählt werden können. Die herrschenden Bedingungen lassen sich dabei ungefähr wie folgt ausdrücken:

1,5S-^S-V -2- +0,85 (3)

- 2R - A- \E_hJ

wobei A = 0,185 ist

Der Bereich, in welchem die Länge L5 und die Spannung E; gewählt werden können, liegt dabei auf bzw. oberhalb der angegebenen Kurve.

Bezüglich der Länge L3 des Zwischengitters 24 ist in diesem Zusammenhang noch festzustellen, daß die Hauptebene der Elektronenlinse 25 auf der Objektseite in der Nähe der Position des virtuellen Objektpunktes der äußeren Elektronenstrahlen des Elektronenstrahlbündels gelegt werden sollte. Die Größe der Länge Lj ist dabei eine Funktion des Spannungsverhältnisses ErIEb zwischen den beiden Gittern 24 und 26. Diese Länge Lj

des dritten Gitters, welche auf den Innendurchmesser 2R der Elektronenlinse normalisiert ist, sollte dabei im Bereich zwischen 0,6 und 1,3 liegen. Es gilt somit die folgende Beziehung:

L₃/2/?«0,6bisl,3 (4)

Unter Berücksichtigung der Bedingung (3) sollte somit die Länge Lf, des fünften Gitters 30 größer als die Länge L₃ des dritten Gitters 24 gewählt werden. Falls die Länge Ls des fünften Gitters 30 in dieser Weise festgelegt wird, kann eine zufriedenstellende Verringerung der sphärischen Aberration der Hauptelektronenlinse 28 erreicht werden, wobei gleichzeitig die Fokussierspannung Er in gewünschter Weise erniedrigt werden kann.

Das sechste Gitter 32 besitzt eine Länge Le, welche vergleichsweise relativ frei bestimmt werden kann. Um jedoch zu verhindern, daß der dem Bildschirm zugewandte Bereich des sechsten Gitters 32 das von der Hauptelektronenlinse 28 erzeugte elektrische Feld nachteilig beeinflußt, sollte die Länge L₆ des sechsten Gitters 32 derart festgelegt werden, daß sie der folgenden Bedingung genügt:

/V2K > 1 (5)

Die Länge des vierten Gitters 26 ist schließlich derart festgelegt, daß der Durchmesser des auf dem Bildschirm fokussierten Strahlenflecks bei der jeweiligen Fokussierspannung £>so klein wie möglich gehalten wird.

Bei einem gemäß Fig. 1 ausgebildeten Elektronenstrahlerzeuger wurde das Fokussierspannungsverhältnis EiIEb sowie der Durchmesser c/des auf dem Bildschirm erscheinenden Strahlenflecks bei Änderung der Längen Lj bis L₅ der drei Gitter 26,30 und 32 gemessen, während die Längen der anderen Gitter unverändert gehalten worden sind. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in den Fig. 5 bis 7 dargestellt, in denen entlang der Ordinate sowohl das Fokussierspannungsverhältnis EdEb als auch der Durchmesser d des fokussierten Strahlenflecks aufgetragen sind, während entlang der Abszisse der Unterschied zwischen dem veränderten und einem konstanten Wert der Länge der jeweiligen Gitter, jeweils normalisiert gegenüber dem Innendurchmesser 2R, aufgetragen sind. Die ausgezogene Linie bezieht sich dabei auf das Fokussierspannungsverhältnis E/1 Eb, während die gestrichelte Linie den Durchmesser c/des fokussierten Strahlenflecks angibt.

Entsprechend Fig. 5 wurde die Länge La des vierten Gitters 26 in positiver und negativer Richtung von einem konstanten Wert £40 aus geändert, während die Längen der anderen beiden Gitter 24 und 30 unverändert gehalten wurden. Entsprechend Fig. 6 wurde hingegen die Länge L₃ des dritten Gitters 24 von einem konstanten Wert L30 aus sowohl in positiver wie auch negativer Richtung geändert, während die Längen der anderen beiden Gitter 26 und 30 unverändert gehalten worden sind. Schließlich wurde gemäß Fig. 7 die Länge L₅ des fünften Gitters 30 von einem konstanten Längenwert L₅₀ aus geändert, während die Längen der anderen beiden Gitter 24 und 26 unverändert gehalten wurden.

Entsprechend Fig. 8 lassen sich die in den Fig. 5—7 dargestellten Abhängigkeiten bezüglich der Beziehung zwischen dem Fokussierspannungsverhältnis EfIEb und der Änderung des Durchmessers d des fokussierten Strahlenflecks infolge einer Änderung der Länge der Gitter 26,30,32 vereinheitlichen, in welchem Fall entlang der Abszisse das Fokussierspannungsverhältnis EfIEb und entlang der Ordinate die Änderung des Durchmessers c/des fokussierten Strahlenflecks aufgetragen sind.

Anhand von Fig. S läßi sich dabei folgendes feststellen:

1. Durch Verkleinerung der Länge der Gitter kann eine entsprechende Reduzierung der Fokussierspannung erreicht werden. Um eine möglichst weitgehende Verringerung des Durchmessers c/des fokussierten Strahlenflecks zu erreichen, erweist sich jedoch eine Verringerung der Länge L₄ des vierten Gitters 26 am wirksamsten, worauf bezüglich ihrer Wirksamkeit das dritte Gitter 24 und das fünfte Gitter 30 folgen.

2. Durch Vergrößerung der Länge der jeweiligen Gitter 26,30,32 kann eine Erhöhung der Fokussierspannung erreicht werden, wobei diese Maßnahme insbesondere bei dem dritten und vierten Gitter 24 bzw. 26 wirksam ist, während bei dem fünften Gitter 30 auf diese Weise nur eine geringfügige Änderung der Fokussierspannung erzielbar ist.

Für den Fall, daß das Fokussierspannungsverhältnis E/IEb kleiner oder gleich einem Wert von 0,33 ist, kann dabei folgende Beziehung aufgestellt werden:

La £L₃ < L₅ " (6)

Für den Fall hingegen, daß das Fokussierspannungsverhältnis Ef/Eb größer als 0,33 ist, gilt hingegen die folgende Beziehung:

LzZLaKL₅ (7)

Nach Fig. 8 entspricht dabei der Wert von 033 einer den Wert Null betragenden Änderung des Durchmessers d des fokussierten Strahlenflecks. Dabei sei erwähnt, daß der in Fig. 1 gezeigte Elektronenstrahlerzeuger mit Fokussierspannungsverhältnissen EfIEb betrieben werden kann, welche entweder größer oder kleiner als der Wert 033 sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche

1. Elektronenstrahlerzeuger, mit einer Hauptelektronenlinse (28) und einer dieser vorgeschalteten, ein

erstes Gitter (24) und ein Beschleunigungsgitter als zweites Gitter (26) enthaltenden Bipotential-Elektro-

nenlinse (25), deren auf der Objektseite liegende Hauptebene mit dem virtuellen Objektpunkt des äußersten

Elektronenstrahls eines einfallenden Elektronenstrahlenbündels zusammenfällt, wobei die Hauptelektrc-

nenlinse (28) aus zwei Endgittern (26,32) und einem dazwischengefügten Zwischengitter (30) aufgebaut ist,

die alle gleichen Durchmesser besitzen und koaxial zueinander angeordnet sind, wobei an den Endgittern

(26,32) das gleiche Potential (E_b) anliegt und am Zwischengitter (30) ein von diesem verschiedenes Potential

ίο (Ef) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Potential (F/) und die Länge (L₅) des Zwischengitters (30) so festgelegt ist, daß die Linsenparameter der Beziehung