DE3032486A1

DE3032486A1 - Elektronenstrahlsystem mit widerstandslinse mit zusammengesetzten linearem spannungsprofil.

Info

Publication number: DE3032486A1
Application number: DE19803032486
Authority: DE
Inventors: David Paul Kendall Park N.J. Bortfeld; Roger Wolfe Trenton N.J. Cohen; Leon Joseph Princeton N.J. Vieland; Norman David Princeton N.J. Winarsky
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1979-08-28
Filing date: 1980-08-28
Publication date: 1981-03-12
Also published as: JPS5928938B2; PL226415A1; IT1132339B; FI802646A; IT8024035A0; DE3032486C2; FR2464554B1; JPS5636851A; GB2057186B; CA1143775A; FR2464554A1; GB2057186A; SU1266477A3; PL130392B1; US4243911A; DD153021A5; BR8005321A

Description

RCA 72,299

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.)

Elektronenstrahlsystem mit Widerstands linse mit zusammengesetzten

linearem Spannungsprofil

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenstrahlsysteme für Fernsehbildröhren und insbesondere für Strahlsysteme, die Linsen vom Widerstandstyp mit ausgedehntem Brennpunkt enthalten.

Unter dem hier verwendeten Ausdruck Widerstandslinse sei eine elektrostatische Fokussierlinse verstanden, bei welcher das Spannungsprofil der Linse mit Hilfe eines Widerstandsspannungsteilers entlang der Linsenlänge ausgebildet wird. Ein Typ einer solchen Linse, der in der US-PS 3 932 786 (Erfinder F. J. Campbell, Ausgabedatum 13. Januar 1976) erläutert ist, umfaßt eine Reihe mit 'Öffnung versehener Metallplatten, die mit im Abstand angeordneten Anzapfungen entlang des Spannungsteilers verbunden sind. Die Platten mit den öffnungen sind in fester Beziehung zueinander gehaltert, indem ihre Kanten entlang einer Glasträgerstange eingebettet sind, die auch als ein Substrat für den Widerstandsspannungsteiler dient, der auf ihr abgelagert ist. 35

Bei einer abgewandelten Ausführungsform dieser Widerstandslinsenart sind die mit öffnung versehenen Platten abwechselnd mit einer Mehrzahl von Isolatorblöcken, beispielsweise aus Keramik, zusammengesteckt, die

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auf mindestens einer Fläche mit Widerstandsmaterial überzogen sind. Das Widerstandsmaterial kann aufgebracht werden, nachdem der Stapel zusammengebaut ist, wie dies in der US-PS 4 091 144 (Erfinder J. Dresner et al, Ausgabedatum 23. Mai 1978) beschrieben ist, oder aber auch durch vorherige Beschichtung, ehe der Stapel zusammengebaut wird. Die Platten und Blocks sind so angeordnet, daß sich eine hohe Widerstandskontinuität entlang den Stapel von Blocks und Platten von einem Ende bis zum anderen ergibt. Wenn über dem Stapel eine Potentialdifferenz angelegt wird, dann entsteht ein Stromfluß, infolgedessen an jeder Elektrodenplatte des Stapels eine andere Spannung auftritt.

Gemäß der US-PS 4 124 810 (vom 7. November 1978, Erfinder D.P. Bortfeld et al) ist es wünschenswert, daß das Potential profil einer Fokuslinse längs des Strahlweges exponentiell verläuft. Dies läßt sich erreichen bei einer Widerstandslinse mit vorbeschichtetem gestapelten Elektroden-Widerstands-Block, indem man einfach die Widerstandswerte aufeinanderfolgender Blocks längs des Linsenstapels abstuft. Jedoch ist ein solches Vorgehen kostspielig und kompliziert, da jeder Widerstandsblock hinsichtlich seines spezifischen Widerstandswertes vorgeprüft und selektiert werden muß, und dann müssen diese Blocks sorgfältig gehandhabt werden, so daß sie in der richtigen Reihenfolge im Widerstandsstapel genau zusammengesetzt werden.

Aus Gründen der Einfachheit sei hier kein Unterschied gemacht zwischen dem axialen Potential profil einer Linse, also dem Potential profil längs der Elektronenstrahlachse durch die Linse, und dem Oberflächenpotentia!profil einer Linse, also dem Potential profi1 entlang der Oberfläche der Elektrodenelemente der Linse in axialer Richtung. In der Praxis unterscheiden sich diese Profile leicht, wobei das Axialprofil gewöhnlich ein glatteres Abbild des Oberflächenprofils ist.

Es hat sich herausgestellt, daß das optimale exponentialförmige Spannungsprofil einer Linse sehr gut approximiert werden kann durch zwei lineare Steigungen (also lineare Spannungsgradienten), ohne daß dadurch die Linsenaberrationen stark ansteigen. Eine Computeranalyse hat gezeigt, daß diese beiden linearen Steigungen ein Optimalverhältnis von 1:2 bis 1:3 haben. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß bei-

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-δ-spielsweise bei einem Drei potential-Linsensystem die Werte dieser beiden linearen Steigungen vorzugsweise mit einem Verhältnis von 1:2 gewählt werden, ohne daß eine nennenswerte Verschlechterung des Verhaltens eintritt, so daß eine Widerstands linse mit einem gestapelten Elektroden-Widerstandsblock sich herstellen läßt mit Widerstandsblöcken nur eines Wertes, wodurch sich der Konstruktionsaufwand solcher Linsen ebenso wie ihre Herstellungskosten stark reduzieren.

Der hier verwendete Ausdruck "Dreipotential" beschreibt ein Linsensystem mit mindestens drei Elektroden, deren erste entlang des Strahlweges mit einem Zwischenpotential betrieben wird, während die zweite mit einem Minimal potential und die dritte mit dem Endanoden- oder Schirmgitterpotential der die Linse enthaltenden Elektronenstrahlröhre betrieben wird. Elektronenstrahlsysteme mit Axial potentialprofilen dieser generellen Art sind in der US-PS 3 995 194 beschrieben (Erfinder A.P. Blacker, Jr. et al, Ausgabedatum 30. November 1976).

Die Ausdrücke "Widerstandslinsenstapel" und "Widerstandslinsenaufbau" werden hier austauschbar gebraucht und bedeuten entweder a) einen Teil eines Gesamtlinsenstapels mit einer Reihe von Elektrodenplatten und einer ausgerichteten Reihe von Widerstandsblocks oder

b) den ganzen Linsenstapel, bestehend aus einer Reihe von Elektrodenplatten und allen Widerstandsblocks, einschließlich solcher Fälle, wo ein Teil des Stapels zwei oder'mehr Widerstandsblocks in jeder Stufe enthält.

Zusammengefaßt läßt sich sagen, daß ein erfindungsgemäßes Elektronen-Strahlsystem eine neue Widerstandshauptlinse vom Typ mit einem gestapelten Elektroden-Widerstands-Block enthält. Die Hauptlinse enthält einen ersten Stapel von Widerstandsblocks, von dem ein Teil einen Strahleintrittsabschnitt der Linse und ein Teil einen Strahlaustrittsabschnitt der Linse umfaßt. Die beiden Abschnitte liegen elektrisch in Reihe miteinander. Der Eingangsabschnitt liegt elektrisch parallel mit einem zweiten Stapel von Widerstandsblocks, so daß man eine zusammengesetzte lineare Steigung für das Spannungsprofil der

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Linsen erhält. Der zweite Stapel kann einen zweiten Stapelwiderstandsblock in derselben Linse oder einen Stapel von Widerstandsblocks in einer anderen Widerstandslinse enthalten.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des neuen Elektronen-

strahlsystems, teilweise im Schnitt dargestellt; Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Strahlsystem gemäß Fig. 1 längs der Schnittlinie 2-2;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 zur Veranschaulichung einer Elektrodenplatte und eines Widerstandsblocks der Linse gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Linse gemäß Fig. 1; Fig. 5 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlsystems; Fig. 6, 7 und 8 in schematischer Darstellung Abwandlungen des Strahlsystems gemäß den Fig. 1 und 2 und

Fig. Kf, 10 und 14 in schematischer Darstellung Abwandlungen des erfindungsgemäßen Strahlsystems gemäß Fig. 5.

Die Erfindung ist dargestellt in Verbindung mit einem Inline-Dreistrahlsystem, wie es ähnlich in der US-PS 3 772 554 (vom 12. November 1973, Erfinder R. H. Hughes) beschrieben ist. Die Erfindung kann aber auch bei anderen Elektronenstrahltypen Anwendung finden.

Gemäß den Fig. 1 und 2 enthält ein Strahlsystem 10 zwei parallele gläserne Tragstäbe 12, an denen die verschiedenen Elemente des Strahlsystems montiert sind. An einem Ende der Tragstäbe 12 sind drei becherförmige Kathoden 14 montiert, die an ihren Endwänden emittierende Oberflächen haben. Im Abstand von den Kathoden 14 sind eine Steuergitterelektrode (G1) 16, eine Schirmgitterelektrode (G2) 18, eine erste Linsenelektrode (G3) 20, eine zweite Linsenelektrode (G4) 22 und eine dritte Linsenelektrode (G5) 23 montiert. Die drei Kathoden 14 richten Elektronenstrahlen entlang dreier koplanarer Strahlwege 24 durch geeignete Öffnungen in den Elektroden.

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Die Elektroden G1 und G2 umfassen im wesentlichen flache Metallteile, die je drei in einer Linie ausgerichtete Öffnungen enthalten, welche entsprechend mit den drei Strahlwegen 24 ausgerichtet sind.

Die Elektroden G3 und G4 umfassen jeweils zwei in etwa rechteckig geformte Becher, die mit ihren offenen Enden zusammengefügt sind. Die beiden geschlossenen Enden der Becher haben je drei in einer Linie ausgerichtete Öffnungen, die entsprechend mit den drei Strahlwegen 24 ausgerichtet sind.

Die Elektrode G5 umfaßt einen in etwa rechtwinkligen Becher, dessen Grundfläche der Elektrode G4 gegenüberliegt und drei in einer Linie ausgerichtete Öffnungen hat, die entsprechend mit den drei Strahlwegen 24 ausgerichtet sind.

An der Elektrode G5 ist ein Abschirmbecher 26 derart befestigt, daß seine Grundfläche das offene Ende der Elektrode G5 überdeckt. Der Abschirmbecher 26 hat drei in einer Linie ausgerichtete Öffnungen in seiner Grundfläche, die jeweils mit einem der drei Strahlwege 24 ausgerichtet sind. Er hat ferner mehrere Abstandshalter 28, die an seinem offenen Ende befestigt sind und von diesen wegragen. Sie stützen das Strahlsystem 10 innerhalb des Halses der nicht dargestellten Kathodenstrahlröhre ab und stellen elektrischen Kontakt zu einer an Hochspannung liegenden Auskleidung des Halses her, um der Elektrode G5 Betriebsspannung zuzuführen.

Für den Betrieb ist das Strahlsystem 10 so ausgelegt, daß zwischen den Elektroden G4 und G5 eine Hauptfokussierlinse und zwischen den Elektroden G3 und G4 eine Sekundärfokuslinse gebildet wird. Zu diesem Zweck sind eine stapeiförmige Hauptwiderstandslinse 30 und eine stapeiförmige Sekundärwiderstandslinse 32 vorgesehen.

Jede der Linsen 30 und 32 enthält mehrere Elektrodenplatten 34. Fig.3 zeigt, daß jede Elektrodenplatte 34 mit drei in einer Linie liegenden Öffnungen 36 ausgebildet ist, deren jede mit einem der Strahlwege 24 ausgerichtet ist. Die Platten 34 sind abwechselnd mit rechteckigen, parallelepipedförmigen Abstandsblöcken 38 gestapelt. Zwischen jeweils

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-8-Τ zwei benachbarten Platten 34 ist ein Paar der Abstandsblöcke 38 angeordnet. Jedes Paar Abstandsblöcke 38 befindet sich beiderseits der mittleren der öffnungen 36 nahe der Außenkante einer Platte 34. Zumindest ein Block jedes Paares von Abstandsblöcken 38 umfaßt einen Widerstandsblock 40, der nachfolgend noch beschrieben werden wird. Der andere Block des Paares Abstandsblöcke 38 kann entweder ein Widerstandsblock 40 oder ein Isolatorblock 42 sein. Wenn nur ein Widerstandsblock 40 zwischen einem Paar Elektrodenplatten 34 benötigt wird, dann ist aus Gründen des mechanischen Aufbaus auch ein Isolatorab-Standsblock 42 enthalten.

Die Widerstandsblocks 40 umfassen vorzugsweise Isolatorblocks 42, die auf mindestens einer ihrer Oberflächen mit einer Schicht geeigneten Materials hohen Widerstands überzogen sind. Ein bevorzugtes Material ist ein Metallkeramik, wie es in der US-PS 4 010 312 (Erfinder H. L. Pinch et al, Ausgabedatum 1. März 1977) beschrieben ist.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist jeder der Widerstandsblocks 40 mit zwei elektrisch getrennten Metallisierungsfilmen 44 auf gegenüberliegenden Oberflächen versehen, die ein Paar Elektrodenplatten 34 berühren. Nachdem die Widerstandsblocks mit ihren Metallisierungsfilmen 44 versehen sind, und ehe die Blocks zu einer gestapelten Linse 30 oder zusammengefügt werden, werden sie mit einer Schicht 46 aus geeignetem Material hohen Widerstandes auf der Oberfläche versehen, welche die beiden einander gegenüberliegenden filmbeschichteten Oberflächen verbindet. Die Widerstandsschicht 34 erstreckt sich um zwei der Ecken des Blockes 40, um einen guten Oberlappungskontakt mit Teilen der Oberflächen der Metallisierungsfilme 44 zu bilden. Die Widerstandsblocks 40 werden dann mit den Elektrodenplatten 34 zusammengefügt und

an ihnen befestigt, vorzugsweise mit einer geeigneten Lötverbindung 48. Zur Verbesserung der Benetzung der Metallisierungsfilme 44 mit dem Lötmaterial wird ein Teil des Filmes 44 zuerst mit Nickel 50 versehen, welches auf den Mittelteil des Metallisierungs^fiIms 44 begrenzt ist und den Lötmaterialfluß begrenzt.

Wenn die stapeiförmigen Widerstandslinsen 30 oder 32 auf diese Weise zu einem einheitlichen Aufbau zusammengefügt sind, dann erhält man

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eine elektrische Kontinuität von einem Ende zum anderen des Stapels, wobei jeder Widerstandsblock 40 einen nennenswerten Widerstand zwischen jeweils zwei benachbarten Elektrodenplatten 34 ergibt. Auf diese Weise wird ein Spannungsteilerwiderstand gebildet, bei welchem durch die Schichten 46 hohen Widerstandes ein Spannungsteilerstrom fließt, wenn geeignete Spannungen an die beiden Linsenelektroden an den Enden des Stapels angelegt werden, und dieser Spannungsteilerstrom läßt einen Spannungsabfall entlang des Linsenstapels entstehen, so daß an jeder seiner Elektrodenplatten 34 ein anderes Potential entsteht. Solche unterschiedlichen Spannungen ergeben einen Spannungsgradienten, welcher die gewünschten Axialpotentialprofile der Linsen hervorrufen.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Technologie wird die Widerstandslinse 30 mit acht Elektrodenplatten 34 und sieben Widerstandsblocks 40 hergestellt. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Widerstandsblocks 40 entlang der Oberseite der Linse 30 miteinander ausgerichtet. Die sieben entlang der unteren Seite der Linse 30 ausgerichteten Blocks sind unbeschichtete Isolatorblocks 42. Die Widerstandsblocks 40 sind mit gepunkteten Oberflächen gezeigt, damit man sie von den unbeschichteten Isolatorblocks 42 unterscheiden kann.

Entsprechend wird die stapeiförmige Linse 32 mit vier Elektrodenplatten 34 und drei Widerstandsblocks 40 hergestellt. Fig.1 zeigt, daß die drei Widerstandsblocks 40 längs der Oberseite der Linse miteinander ausgerichtet sind, während die drei Isolatorblocks 42 längs der Unterseite der Linse miteinander ausgerichtet sind.

An der Elektrode G4 ist ein erster elektrischer Anschlußleiter 52 befestigt, der zum Äußeren der Elektronenröhre verläuft, in welcher das Strahlsystem 10 eingebaut ist. Dieser Anschlußleiter erlaubt die Zuführung einer geeigneten Fokusspannung zur Linsenelektrode G4. Ein zweiter Anschlußleiter 54 ist mit seinem einen Ende an der Elektrode G3 angebracht und mit seinem anderen Ende an einer Zwischenelektrodenplatte 34 der stapeiförmigen Hauptfokuslinse 30. Beim Betrieb des

^OJ Strahlsystems 10 wird eine Endanodenspannung der Elektrode G5 über die als Federkontakte ausgebildeten Abstandshalter 28 des Abschirmbechers 26 zugeführt. Typischerweise werden bei dem Strahl system 10

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3032486 -ιοί den Elektroden G4 bzw. G5 eine Fokusspannung von 5,7 kV bzw. eine Endanodenspannung von 30 kV zugeführt. Die Hauptlinse 30 kann an einer ausgewählten Elektrodenplatte 34 mit Hilfe eines Anschlußleiters 54 angezapft sein, damit der Elektrode G3 eine geeignete Spannung, beispielsweise 13 kV, zugeführt werden kann.

Bei dieser Anordnung liegt die stapeiförmige Linse 32 elektrisch parallel mit einem ersten oder Eingangsabschnitt der Linse 30 (nämlich dem Abschnitt, an welchem der Elektronenstrahl in die Linse 30 ein tritt) zwischen der Elektrode G4 und der Zwischenelektrodenplatte 34, an welcher der Anschlußleiter 54 angebracht ist. Wenn die Anzahl der Widerstandsblocks 40 in der Linse 32 gleich der Anzahl der Widerstandsblocks im Eingangsabschnitt der Linse 30 ist, wie dies Fig. 1 zeigt, dann ist der im Eingangsabschnitt der Linse 30 fließende Strom halb so groß wie der im zweiten oder Ausgangsabschnitt (also wo der Strahl austritt) zwischen der angezapften Zwischenelektrodenplatte 34 und der Elektrode G5 fließende Strom. Demzufolge entsteht längs der stapeiförmigen Linse 30 ein durch den Verbund bedingtes lineares Spannungsprofil, dessen Steigung über dem Eingangsabschnitt halb so groß wie die Steigung des Spannungsprofils über dem Ausgangsabschnitt ist. Durch Auswahl der geeigneten Platte für die Anzapfung, kann dieses lineare Verbundprofil sehr eng dem idealen gewünschten Exponentialprofil angeglichen werden.

Fig. 5 zeigt ein gegenüber dem neuen Strahlsystem 10 abgewandeltes Elektronenstrahlsystem 110, worin sich eine Anzahl ähnlicher Teile entsprechen, die mit denselben Bezugsziffern jedoch mit einer vorgestellten 1 gegenüber dem Strahlsystem 10 in den Fig. 1 und 2 bezeichnet sind.

Bei dem Strahlsystem 110 ist die Widerstands linse zwischen den Elektroden G3 und G4 weggelassen, und es wird nur eine Widerstands linse 130 zwischen den ElektrodenG4 und G5 verwendet. Die Hauptfokussierlinse 130 enthält einen Stapel aus abwechselnden Elektrodenplatten

° 134 und Widerstandsblocks 140. Wie Fig. 5 zeigt, ist an der oberen Seite der Linse 130 eine Reihe von sechs miteinander ausgerichteten Widerstandsblocks 140 vorgesehen. An der unteren Linsenseite befindet sich eine zweite Reihe ausgerichteter Blocks, von denen die

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3032486 -πι ersten beiden Blocks neben der Elektrode G4 Widerstandsblocks 140 und die vier der Elektrode G5 benachbarten Blocks Isolatorblocks 142 sind. Zum Strahlsystem 110 werden elektrische Verbindungen hergestellt durch einen mit der Elektrode G4 verbundenen Fokusspannungsanschlußleiter 142 und eine Verbindungsleitung zwischen der Elektrode G3 und einer Zwischenelektrodenplatte 134 der Linse 130. Die Linse 130 besteht aus einem zweistufigen Eingangsabschnitt und einem vierstufigen Ausgangsabschnitt.

Bei dieser elektrischen Anordnung kann ein Spannungsteilerstrom durch den Leiter 152 und durch die gestapelte Widerstandslinse 130 von der Elektrode G4 zur Elektrode G5 fließen. Da sowohl in der ersten wie auch in der zweiten Stufe der stapeiförmigen Linse 130 zwei Widerstandsblocks 140 angeordnet sind, tritt in jeder dieser Stufen ein halb so großer Spannungsabfall auf wie in jeder der folgenden vier Stufen, von denen jede nur einen einzigen Widerstandsblock 140 umfaßt. Daher hat das entlang der gestapelten Widerstandslinse 130 sich ausbildende Potential profil entlang ihrer ersten beiden Stufen einen Steigungswert, welcher halb so groß wie der Steigungswert entlang den letzten vier Stufen ist. Somit hat die Hauptlinse 130 des Strahlsystems 110 ebenso wie die Hauptlinse 30 des Strahlsystems 10 einen ersten Eingangsabschnitt, dem ein anderer Widerstandslinsenstapel parallel liegt, und einen zweiten oder Ausgangsabschnitt, der in Reihe mit dem Eingangsabschnitt liegt. In dieser Hinsicht können die unteren beiden Widerstandsblocks 140 der ersten beiden Stufen der Linse 130 mit dem Linsenstapel 32 zwischen den Elektroden G3 und G4 des Strahlsystems 10 gemäß den Fig. 1 und 2 verglichen werden.

Das Strahlsystem 110 stellt eine wenig kostspielige Linsenkonstruk-

tion dar wegen der weggelassenen Widerstandsanordnung zwischen den Elektroden G3 und G4, wobei gleichzeitig die gewünschte Parallelschaltung erreicht wird und man das gewünschte Steilheitsverhältnis von 1 oder 2 für das Spannungsprofil längs der Hauptfokussierlinse 130 erhält.

Beim Entwurf der gestapelten Widerstandslinsen der Strahlsysteme 10 und 110 sollten bestimmte Kriterien beachtet werden:

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1. 0er Linsenstapel sollte eine genügende Anzahl vo^ Gesamtstufen, also Widerstandsblocks 40 oder 140, enthatten, damit die elektrische Belastung für jeden Block, also aer Spannungsabfall über jedem Block, unter einem beim Entwurf wählbaren ftaximtM bleibt. Beim gegenwärtigen Stand der Technik der WiderstandsmSteHalien und ihrer Behandlung und der Konstruktion und des Betriebs von Strahlsystemen liegt das anzustrebende Entwurfsmaximum bei etwa 4000 V pro Widerstandsblock, welcher mit einer Dicke von 40 mil (1,02 mm) verwendet wird. Jedoch können auch höhere Beanspruchungen, beispielsweise bis zu 6000 V pro Block, toleriert werden, läßt man die Beanspruchung der Widerstandsblocks jedoch wesentlich größer als 4000 V pro Block werden, dann können elektrische InstabiHtHt und FunkenUberschläge auftreten.

2. Eine übergroße Stufenzahl im Linsenstapel sollte vermieden werden, da dies die Gesamtlänge und die Kosten des Strahlsystems vergrößert. Weiterhin zeigt eine theoretische Untersuchung, daß zusätzliche Stufen über sieben hinaus die Aberration der Linse nur wenig ver ri ngern.

3. Das Längenverhältnis des Parallelschaltungs-Eingangsabschnittes der Linsen und des ohne Parallelschaltung ausgebildeten Ausgangsabschnittes der Linse sollte so gewählt werden,

a) daß die elektrische Beanspruchung der Stufen des Ausgangsab-

Schnittes der Hauptfokussierlinse innerhalb der oben angedeuteten erwünschten Grenzen bleibt,

b) daß im Falle des Elektronenstrahlsystems 10 eine geeignete Spannung vom Widerstandsstapel der Hauptfokussierlinse zur Zuführung zur Elektrode G3 abgegriffen wird,

c) daß der Knick des zusammengesetzten linearen Potentialprofils

der Hauptfokussierlinse an einer solchen Stelle liegt, daß dieses zusammengesetzte Linearprofil das gewünschte exponentialförmige Profil auf der Achse ergibt.

Es hat sich gezeigt, daß das Potential profil der Linse optimal ist, wenn der Knick zwischen den beiden linearen Spannungsgradientensteigungen etwas oberhalb des geometrischen Mittelwertes aus der

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Fokussierspannung art der Elektrode G3 und der Endanodenspannung an der Elektrode G5 fällt. Der größte Anteil der Linsenaberrationseffekte auf den Elektronenstrahl tritt am Ltnseneingang von der Elektrode G4 her auf. Wenn man also den Knick vom geometrischen Mittelpunkt in Richtung auf die Fokusspannung verschiebt, dann erhält man ein schnelleres Anwachsen der Aberrationen als bei einer entsprechenden Verschiebung in der anderen Richtung auf die Endanode hin.

Die Fig. 6, 7 und 8 veranschaulichen schematisch Entwurfsabwandlungen der Widerstands linse des Elektronenstrahl systems 10, welche zu leichten Veränderungen des Potentialprofils des Fokussiersystems führen. Fig. 6 zeigt genau das Strahlsystem 10 gemäß den Fig. 1 und 2, bei welchem die Hauptlinse mit den Elektroden G4-G5 sieben Stufen umfaßt und die Sekundärlinse G3-G4 drei Stufen umfaßt. Der Sekundärlinse liegen die ersten drei Stufen der Hauptlinse parallel, und dadurch liegt der Knick des zusammengesetzten linearen Potentialprofils nur 0,6 kV unterhalb des geometrischen Mittelpunktes der Endspannungen der Linse. Das Strahlsystem gemäß Fig. 6 ist so ausgewählt, daß es mit einem Potential von 30 kV für die Endanode an der Elektrode G5 und mit einem Fokuspotential von 5,5 kV an der Elektrode G4 arbeitet. Bei einer solchen Dimensionierung ergibt sich an der Elektrode G3 eine Spannung von 12,2 kV und eine maximale Belastung des Ausgangsabschnittes der Hauptlinse von 4,5 kV pro Widerstandsblock. Die Steigung der Sekundärlinse zwischen G3 und G4 ist von der gleichen Größe aber der entgegengesetzten fblarität wie die Steigung des Eingangsabschnittes der Hauptfokussierlinse, zu welcher sie parallel liegt. Da diese beiden parallelen Abschnitte die gleiche Anzahl von Widerstandsblocks haben, ist die Steigung des Eingangsabschnittes der Hauptlinse halb so groß wie die Steigung des Ausgangsabschnittes. Die Spannungsgradienten entlang der sechs Abschnitte des Fokussiersystems haben also die folgenden Werte:

1) erste leitende Elektrode G3 0

2) erste Widerstandslinse 32 -s 3) zweite leitende Elektrode G4 0

4) zweite Widerstands linse (Eingangsabschnitt von 30) +s

5) dritte Widerstandslinse (Ausgangsabschnitt von 30) +2s

6) dritte leitende Elektrode G5 0

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-14-wobei s ein positiver Steigungswert ist.

Fig. 7 zeigt schematisch eine Abwandlung des Aufbaus gemäß Fig. 6 mit derselben Stufenzahl in jeder der beiden Linsen, jedoch ist hier die angezapfte Elektrode der Hauptlinse um eine Stufe näher an G5, so daß der Knick des Potential profils etwa 1,6 kV Über dem geometrischen Mittel der Linsenspannungen liegt. Damit haben die beiden parallelgeschalteten Abschnitte eine ungleiche Größe und erzeugen ungleiche Potentialprofilsteigungen in ihren jeweiligen Abschnitten. Wegen die ser ungleichen Verhältnisse der beiden parallel geschalteten Abschnit te beträgt das Verhältnis der Potential profilsteigungen zwischen Eingangs- und Ausgangsabschnitt der Hauptfokussierlinse etwa 1:2,3. Bei dem Linsenaufbau gemäß Fig. 7 beträgt die der Elektrode G3 zugeführte Anzapfungsspannung 14,4 kV, und die maximale Belastung der Haupt fokuslinse beträgt 5,2 kV pro Block. Die Computeranalyse zeigt, daß dieses Strahlsystem eine minimale Aberrationspunktgröße hat, die praktisch identisch mit derjenigen des Strahlsystems gemäß Fig. 6 ist. Weiterhin ist die höhere resultierende Spannung von 14,4 kV an der Elektrode G3 als wünschenswert anzusehen, weniger dagegen die höhere

Belastung von 5,2 kV pro Block.

Fig. 8 zeigt eine weitere Abwandlung des Strahlsystems gemäß Fig. 6 mit einer zusätzlichen Stufe zur Sekundärlinse G3-G4 und einer Stufe weniger in der Hauptlinse G4-G5 und mit einer Anzapfung für die der Elektrode G3 zuzuführenden Spannung zwischen der zweiten und dritten Stufe der Hauptlinse. Dabei erhält man ein Potential profil, dessen Knick etwa 1,2 kV unter dem geometrischen Mittel aus den Linsenspannungen liegt. Die Steigung der Sekundärlinse ist wesentlich kleiner als diejenige des Parallelschaltungseingangsabschnittes der Haupt linse, und das Steigungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangs abschnitten der Hauptlinse beträgt etwa 1:1,5. Die elektrische Belastung der Linse liegt bei 4,6 kV pro Block. Eine Computeranalyse zeigt, daß dieses Strahlsystem eine Aberrationspunktgröße hat, die wesentlich schwächer als diejenige bei den Strahlsystemen gemäß den

3$ Fig. 6 und 7 ist. Dies rührt offensichtlich daher, daß das Steigungsverhältnis von 1:1,5 sehr weit vom optimalen Steigungsverhältnis abweicht. Dieses Strahlsystem hat auch eine unerwünscht niedrige Span-

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nung von 1ϊ«6 kV an der ttektrode 63, während die elektrische Be lastung von 4_t6 kV pro Block im wesentlichen gleich 1st wie bei dem Strahlsystea flemS0 fig. 6.

S ßeim Entwurf der Linsen 3σ und 32 für das Elektronenstrahlsysienr tu wird zunächst die der Elektrode G5 zugeflihrte Endanodenspannung gewählt» beispielsweise nach der gewünschten Lichtausgangsleistung und anderen allgemeinen Schaltungsgesichtspunkten. Die Anzapfungsspannung für die Elektrode G3 richtet sich nach der besonderen Konstruktion des Strahlformungsbereiches des Strahl systems» mit dem sie zusammenwirken soll* Aus diesen gewählten Spannungen kann eine Fokussierspannung abgeschätzt werden, welche die richtige Fokussierung für den in den Fokuslinsenbereich eintretenden Strahl ergibt. Der Linsenentwurf läßt sich nach der folgenden Gleichung bestimmen:

-V-^vi ^2(vi - V

wobei V^ die Endanodenspannung ist,

Vr die Zwischenspannung an der Anzapfung für die Elektrode G3, Vp die der Elektrode G4 zugeführte Fokussierspannung

Sj die Stufenzahl in der Sekundärlinse 32 und in der Eingangsstufe der Hauptlinse 30 und Sp die Stufenzahl im Ausgangsabschnitt der Hauptlinse 30.

Beispielsweise passen für das Strahlsystem gemäß Fig. 6 die folgenden Werte:

V_A = 30 kV

V₁ = etwa 12 kV und
Vp * etwa 5,5 kV.

Hierbei ist das Verhältnis S₂/S,| gleich 18/13 oder näherungsweise
4/3. Das Linsensystem ist für vier Stufen im Ausgangsabschnitt der Hauptfokussierlinse und für drei Stufen jeweils in der Sekundärlinse G3-G4 und im Eingangsabschnitt der Hauptlinse G4-G5 ausgelegt.

Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen schematisch Entwurfsabwandlungen der
Linse 130 des Strahlsystems 110. Der Aufbau gemäß Fig. 9 entspricht

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genau dem Strahlsystem 110 gemäß Fig. 5. Hierbei hat die Linse eine Gesamtanzahl von sechs Stufen. Die beiden ersten Stufen bilden den Eingangsabschnitt der Linse und liegen parallel mit einem separaten zweistufigen Widerstandsstapel, welcher ein Teil desselben Linsenaufbaus ist und Elektrodenplatten 134 benutzt, die zu den Elektrodenplatten des Eingangsabschnittes der Linse gehören. Wählt man eine Endanodenspannung von 25 kV und schätzt von 6 kV ab, dann liegt der Knick des zusammengesetzten linearen Spannungsprofils des Widerstandsstapels bei 9,8 kV, also 2,4 kV unterhalb des geometrischen Spannungsmittels; man erhält eine maximale Belastung pro Widerstandsblock von 3,8 kV. Die Anzapfungsspannung für die Elektrode G3 wird willkürlich zwischen der dritten und der vierten Stufe der Linse gewählt, wo eine Spannung von 13,6 kV auftritt.

I^ Der in Fig. 10 gezeigte Aufbau unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 9 nur dadurch, daß die Anzapfungsspannung für die Elektrode G3 zwischen der zweiten und der dritten Stufe der Hauptfokussierlinse abgenommen wird, was eine Spannung von 9,8 kV für die Elektrode G3 ergibt.

Das Strahlsystem gemäß Fig. 11 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 9 nur dadurch, daß die ersten drei Stufen, anstatt der ersten zwei Stufen, der Hauptfokussierlinse mit einem zweiten Widerstandsstapel parallelliegen. Damit liegt der Knick des zusammengesetzten ^⁵ linearen Spannungsprofils der Hauptlinse etwa nur 0,1 kV oberhalb des geometrischen Spannungsmittels, und man erhält eine maximale elektrische Belastung von 4,2 kV pro Block. Die Anzapfung für die Spannung der Elektrode G3 wird zwischen den Stufen 3 und 4 gewählt, und man

erhält so eine Spannung von 12,3 kV für die Elektrode G3. 30

Bei dor Ausführungsform der Linse 130 des Strahlsystems 110 sind die variablen Parameter etwas verschieden von denjenigen des Strahlsystems 10. Bei der Linse 130 erhält man immer ein Steigungsverhältnis zwi-5i"l!Pii [inquiqs- und Ausgangsabschnitten der Hauptlinse von 1:2, da

'ii(i 1'(.-1(J(Mi r^rallelgeschalteten Widerstandslinsenstapel immer die ihi'h' An." hl von Widerstandsblocks enthalten. Die im Zusammenhang ■■'■Η il"ti F"i-:. (> bis 8 für das Strahlsystem 10 möglichen Steigungsände-

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rungen sind bei dem Strahlsystem 110 nicht möglich. Andererseits ist die Wahl der Anzapfungsspannung für die Speisung der Elektrode G3 völlig unabhängig von der Parallelschaltung und dem Potentialprofil der Linse 130.

Beim Entwurf der Linse 130 werden die Endanodenspannung und die Zwischenanzapfungsspannung vorgewählt, und die Fokussierspannung wird abgeschätzt, ebenso wie bei dem Strahlsystem 10. Dann wird die Gesamtzahl der Stufen der Linse und die Anzahl der Stufen des Parallelschaltungseingangsabschnittes willkürlich festgelegt unter Berücksichtigung der vorerwähnten grundlegenden Entwurfskriterien für Beanspruchung und Angleichung des zusammengesetzten Linearprofils an ein ideales Exponent!alprofil. Hieraus wird das Potentialprofil bestimmt, und die elektrische Belastung pro Widerstandsblock wird nach der folgenden Gleichung berechnet:

V ^VF
Beanspruchung = ^—

⁵T '

Hierbei ist V« die der Elektrode G5 zugeführte Endanodenspannung, Vp die der Elektrode G4 zugeführte Fokussierspannung,

Sy die Gesamtstufenzahl der Hauptlinse und S_E die Stufenzahl für den Eingangsabschnitt der Hauptlinse.

Beispielsweise eignen sich für ein Strahlsystem ge-näß Fig. 9 die folgenden Werte:

V_A = 25 kV

V_f = 6 kV

S-j. - 6 und Sj- = 2.

Für diese Werte errechnet sich eine Belastung von 3,8kV pro Block.

Da der Abgriff der Spannung für die Elektrode G3 an der Widerstandslinse 130 völlig unabhängig von der Ausbildung des Potentialprofilverhältnisses von 1:2 ist, kann die Linse 130 in einem (nicht dargestellten) Strahlsystem ohne die Elektrode G3 eingebaut werden. In der einfachsten Ausführungsform kann die Linse 130 beispielsweise in einem Strahlsystem verwendet werden, welches übliche Doppelpotential fotussier]insen hat. Ganz allgemein -gesa-gt, -kann die Lins-e 130

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in verschiedenen Strahlsystemabwandiungen benutzt werden, bei welchen die elektrostatische Fokussierung durch Ausbildung einer einfachen Potentialdifferenz zwischen zwei Elektroden an einer oder mehreren Stellen des Strahl systems erzeugt wird. Wegen der besseren Strahlpunkteigenschaften von Drei potential-Strahlsystemen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben sind, ist es jedoch vorzuziehen, das neue zusammengesetzte Linearpotentialprofil, welches die neue Widerstandslinse 130 ergibt, in derartigen Strahlsystemen einzusetzen. 10

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Claims

ΠΑΤΕΝΤΑ Ν WA LTC

DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARIA-THERESIA-STRASSE 22

Postfach 86 02 60
D-8OOO MUENCHEN 86

TELEFON 089M7 69 06 47 6a !9

AB SEPT. l980i 4 70 60O6 TELEX 523638 TELEGRAMM SOMBEZ

RCA 72,299

RCA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.) 15

Patentansprüche

l\) Eiektronenstrahlsystem mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Linsenelektrode, die längs des Strahlweges ir.i Abstand voneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Widerstandslinsen (30,32) vorgesehen sind, deren jede einen Stapel abwechselnder Elektrodenplatten (34) und Widerstandsabstandsblocks (40) aufweist, welche so zusamtnenmontiert sind, daß jeder Stapel elektrisch ohne Unterbrechung von einem Ende zum anderen kontinuierlich ausgebildet ist, daß ferner eine erste der Widerstandslinsen (30) räumlich zwischen der zweiten und der dritten Linsenelektrode (22 bzw. 23) angeordnet ist und mit ihrem einen Ende elektrisch an die zweite Linsenelektrode und mit ihrem anderen Ende elektrisch an die dritte Linsenelektrode angeschlossen ist, daß eine zweite der Widerstandslinsen (32) elektrisch parallel zu einem ersten Abschnitt der ersten Widerstandslinse geschaltet ist, und daß EinfUhrungs-Anschlußleiter (52,28) zur zweiten und dritten Linsenelektrode vorgesehen sind und aufgrund der ihnen zugaführten Potentiale Spannungsteilerströme durch die Widerstandslosen fließen lassen, derart, daß der erste Teil der ersten Widerstands linse einen kleineren Spannungsteilerstrom als der übrige Teil der ersten Widerstandslinse führt im Sinne

der Erzeugung eines zusammengesetzten linearen Spannungsprofils längs der ersten Widerstandslinse.
2) Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsabstandsblocks alle von gleicher Größe und vom gleichen Widerstandswert sind.
3) Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandslinse und der erste Abschnitt der ersten Widerstandslinse eine gleiche Anzahl von Stufen aufweisen und daß die Potential profil Steigung im ersten Abschnitt halb so groß wie die Potentialprofilsteigung im restlichen Abschnitt ist.
4) Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandslinse mit ihrem einen Ende an die zweite Linsenelektrode und mit ihrem anderen Ende an eine der Zwischenelektrodenplatten der ersten Widerstandslinse angeschlossen ist.
5) Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Widerstandslinse räumlich zwischen der ersten (20) und der zweiten Linsenelektrode angeordnet ist und ihr eines Ende mit der zweiten Linsenelektrode verbunden ist, während ihr anderes Ende mit der ersten Linsenelektrode verbunden ist, und daß das Elektronenstrahlsystem ferner einen elektrischen Verbindungsleiter (54) zwischen der ersten Linsenelektrode und der Zwischenelektrodenplatte der ersten Widerstandslose enthält.
6) Elektronenstrahlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Widerstands linse sieben Stufen und die zweite Widerstandslinse drei Stufen hat und daß der elektrische Verbindungsleiter zwischen der ersten Linsenelektrode und der zwischen der dritten und der fünften Stufe der ersten Widerstandslinse befindlichen Zwischenelektrodenplatte verläuft.

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