DE4313577C2

DE4313577C2 - Elektronenstrahlerzeugersystem mit einer Hochstromkathode

Info

Publication number: DE4313577C2
Application number: DE4313577A
Authority: DE
Inventors: Manfred Marggraf; Kurt-Manfred Tischer
Original assignee: Nokia Deutschland GmbH
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2013-04-27
Also published as: ITTO940309A0; NL9400657A; IT1274266B; NL194952C; DE4313577A1; NL194952B; ITTO940309A1; JPH0773820A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung von Elektronenstrahlerzeugersystemen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die über Kathodenanordnung verfügen, deren Stromdichten bis 10 A/cm² betragen.

Stand der Technik

Gemäß dem Stand der Technik sind Kathodenanordnungen mit einer Strahlstromdichte bis 10 A/cm² seit langem bekannt und sind zur Erzeugung von Mikrowellen sehr weit verbreitet. Wesentlich an solchen Kathodenanordnungen, die für diese Anmeldung als Hochstrom- bzw. Vorratskathoden bezeichnet werden, ist eine poröse Metall-Sinterscheibe, in die eine Barium-Strontium-Mischung eingebettet ist. Hervorgerufen durch den Dampfdruck der Erdalkalimetalle bildet sich auf der Oberfläche des Sinterkörpers eine Monoschicht aus, welche unter Temperatureinwirkung die Austrittsarbeit herabsetzt und eine entsprechend hohe Elektronenemission bewirkt. Um jedoch die schon hohe Elektronenstrahldichte von bis zu 10 A/cm² zu erreichen, sind Betriebstemperaturen erforderlich, die bei etwa 1100°C liegen. Auf die Lebensdauer solcher Hochstromkathoden haben die hohen Betriebstemperaturen und die hohe Emissionsdichte keinen Einfluß, da - wie die Praxis gezeigt hat - mit solchen Hochstromkathoden Betriebszeiten von bis zu 100.000 Stunden leicht erreicht werden können.

Neben der eben beschriebenen Art der Hochstromkathoden sind weiterhin Kathodenanordnungen bekannt, die eine Stromdichteleistung bis zu etwa 0,5 A/cm² bei Betriebstemperaturen von etwa 900°C erbringen. Solche Kathodenanordnungen werden im wesentlichen von einem Nickelröhrchen gebildet, auf dessen der Anode zugewandten Stirnseite eine besonders leicht elektronenemittierende Oxydschicht, wie zum Beispiel eine Bariumoxydschicht, aufgebracht ist. Das Einsatzgebiet solcher Kathodenanordnungen ist die Bildröhrentechnik, sowohl auf der Aufnahme als auch auf der Wiedergabeseite. Damit die aus der Emissionsschicht im Vakuum bei der jeweiligen Betriebstemperatur herausdampfbaren Elektronen nicht die Kathode als Wolke umgeben, ist beabstandet zur Kathodenfläche eine Anode ausgebildet, welche bewirkt, daß die austretenden Elektronen in Richtung der Anode beschleunigt werden. Zur Steuerung der Menge der in Richtung der Anode beschleunigten Elektronen ist der Emissionsfläche der Kathode in Richtung zur Anode eine Lochblende mit Abstand vorgeordnet, welche im Bezug auf die Kathode negativ vorgespannt ist. Je höher dabei die Negativität der Steuerspannung zwischen der Kathode und der Lochblende bzw. dem Wehnelt-Zylinder wird, desto weniger Elektronen sind in der Lage, aus der Öffnung der Lochblende auszutreten. Nur der Vollständigkeit wegen sei darauf hingewiesen, daß beispielsweise bei Fernsehbildröhren in Richtung zur Anode weitere Elektroden zur Formung des Elektronenstrahls angeordnet sind und daß die Gesamtheit von Kathodenanordnung, Lochblende und Elektroden in der Bildaufnahme- und Bildwiedergabetechnik als Elektronenstrahlerzeugungssystem bezeichnet wird. Wenngleich in konventionellen Fernsehbildröhren mittels der zuvor erörterten Elektronenstrahlerzeugersysteme eine gute Schärfe erreicht werden kann, ist doch in Hinblick auf die Textdarstellung und den HDTV-Betrieb notwendig, die Schärfe zu verbessern. Letzteres ist inbesondere im Hinblick auf großformatige Röhren unter Einschluß des Formats 16 × 9 notwendig.

Wie in diesem Zusammenhang ausgeführte Musterrechnungen gezeigt haben, könnte - wie leicht einzusehen ist - der Schärfegewinn allein dadurch bewirkt werden, daß die konventionelle Kathodenanordnung durch eine Hochstromkathodenanordnung ersetzt wird. Eine solche Anordnung ist der US-PS 49 54 745 entnehmbar, wobei die der Hochstromkathode nächste Gitterelektrode einen die Elektronen durchlassenden Bereich aufweist, der im wesentlichen vollständig parallel zur Emissionsfläche verläuft. Dieser Schrift ist auch der Oberbegriff von Anspruch 1 entnommen. Wird eine Hochstromkathode zur Strahlerzeugung eingesetzt, hat dies Veränderungen im Aufbau des Systems zur Folge, wenn die Gitter 2-Spannung in einem vertretbaren Bereich von 800 bis 1000 Volt gehalten werden soll. Diese Veränderungen bestehen darin, daß gegenüber konventionellen Kathodenanordnungen der Abstand zwischen der Kathode und Gitter 1 (Lochblende) auf 40 bis 60 µm reduziert werden muß. Weiterhin ist es erforderlich, die Dicke des Gitters 1 im Durchtrittsbereich der Elektronen auf 30 bis 70 µm zu verkleinern. Während der Abstand des Gitters 1 von der Kathode noch relativ einfach eingestellt werden kann, hat sich die Ausbildung eines Durchtrittsbereichs in Gitter 1 mit einer Dicke von 30 bis 70 µm als außerordentlich problematisch erwiesen. Hierbei ist nicht die Herstellung eines so dünnen Gitters 1 selbst das Problem, sondern die Gewährleistung der thermischen Stabilität eines so dünnen Gitters unter Wirkung der Betriebstemperatur. Letztes ist bei Hochstromkathoden mit Betriebstemperaturen von bis zu 1100°C besonders kritisch.

Insbesondere die Temperatureinwirkung während der Aufheizphase bewirkt, daß sich - wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben - mechanische Spannungen lösen und einen Verzug des dünnen Durchtrittsbereichs bewirken, wenn der Durchtrittsbereich von einer mit einem Aufnahmeteil verbundenen Folie gebildet wird. Selbst das bekannte physikalische Prinzip einer gespannten Trommel, deren Spannung durch Aufheizen des dünnen Durchtrittsbereichs kurz vor dem Verschweißprozess eingeprägt wurde, scheiterte, weil wegen der guten Wärmeableitung an den Anlageflächen des dünnen Durchtrittsbereichs an dem Aufnahmeteil kein gleichmäßiges Temperaturniveau in dem dünnen Durchtrittsbereich erzielt werden konnte. Die Folge war auch hier eine unsystematische Ausbeulung des dünnen Durchtrittsbereichs. Auch waren Versuche nicht erfolgreich, den Durchtrittsbereich mit einer gewünschten Dicke von 30-70 µm durch Stanz- oder Prägevorgänge auszubilden, weil damit keine für die Hochstromkathoden erforderliche gleichmäßige Tiefe des Durchtrittsbereichs erstellbar war.

Somit besteht nach wie vor das Bedürfnis ein Elektronenstrahlerzeugersystem mit Hochstromkathode anzugeben, dessen der Emissionfläche der Hochstromkathode nächste Gitterelektrode auch unter Temperatureinfluß seine vorgegebene Form beibehält.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind den Ansprüchen 2 bis 6 entnehmbar.

Durch die in in Anspruch 1 angegebene hutförmige Ausbildung des Durchtrittsbereichs in Gitter 1 ist es überraschenderweise gelungen, eine thermisch stabile Anordnung von Hochstromkathode und Gitter 1 herzustellen.

Ist dabei gemäß Anspruch 2 der Teil der Gitterelektrode, welcher von dem Bereich, der Mantelfläche und dem Randstück gebildet wird, als Einsatz ausgebildet und in eine Öffnung der Gitterelektrode eingesetzt und mit dieser verbunden, so hat dies den Vorteil, daß wegen der getrennten Herstellung von Einsatz und Gitteraufnahme eine sehr kostengünstige Lösung geschaffen ist.

Letzteres gilt insbesondere auch dann, wenn zumindest der Teil der Gitterelektrode, welcher den Bereich, die Mantelfläche und das Randstück bildet, tiefgezogen ist. Dies vor allem dann, wenn der Durchtrittsbereich als Einsatz aus einer Metallfolie gebildet wird.

Sehr vorteilhaft auf die thermische Stabilität des Durchtrittsbereichs des Gitter 1 wirkt sich aus, wenn gemäß Anspruch 5 zumindest die Teile der Gitterelektrode, welche den Bereich, die Mantelfläche und das Randstück umfassen von einem Werkstoff gebildet werden, der im Temperaturbereich bis etwa 400°C einen nur sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Ein solcher, in Anspruch 6 angegebener Werkstoff ist ein hochlegierter Nickelstahl mit einem Nickelanteil von 20 bis 55%.

Kurze Darstellung der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Elektronenstrahlerzeugersystem, schematisch;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Gitter 1 eines Elektronenstrahlerzeugersystems, schematisch;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein weiteres Elektronenstrahlerzeugersystem, schematisch;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Einsatz, schematisch und

Fig. 5 einen Schnitt durch einen weiteren Einsatz, schematisch.

Wege zum Ausführen der Erfindung

Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein Elektronenstrahlerzeugersystem 10, welches von einer Kathodenanordnung 11 und einer ersten Elektrode 12 gebildet wird. Die Kathodenanordnung 11, welche die eigentliche Vorratskathode 13, das Kathodenrohr 14, die rohrförmige Halterung 15 und die Halteelemente 16 umfaßt, ist eine handelsübliche Hochstromkathode.

Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die Hochstromkathode 11 eine Stahlstromdichte von 5 A/cm² und erfordert eine Betriebstemperatur von 1100°C. Diese Hochstromkathode 11 ist in ein Halterohr 17 eingesetzt und befestigt. Mit Abstand von 40 µm zu dem von dem Kathodenrohr 14 abgewandten Oberfläche (Emissionsfläche) der eigentlichen Vorratskathode 13 ist der Durchtrittsbereich für die von der Kathode 13 emittierten Elektronen angeordnet. Dieser Durchtrittsbereich ist als Einsatz 18 ausgebildet und mit dem Aufnahmeteil 19 des Elektrodengitters 12 verbunden. Das Aufnahmeteil 19, welches im hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus Gründen der Fertigungsstabilität eine gegenüber dem Einsatz dickere Wandstärke aufweist, ist mittels einer Keramikscheibe 20 mit dem Halterohr 17 verbunden. Der Einsatz 18 ist aus einer Folie aus hochnickelhaltigem Eisen mit einem Nickelanteil 36% tiefgezogen worden und weist eine Wandstärke von etwa 45 µm auf. Dieser Einsatz 18 wird von einem parallel zur Emissionsfläche 21 verlaufenden und mit der Elektronendurchtrittsöffnung 22 versehenen Bereich 23 einer an den Bereich 23 anschließenden Mantelfläche 24, die zur Innenseite 25 des Bereichs 23 einen Winkel α von 135° einschließt, und einem Randstück 26, das an das freie Ende der Mantelfläche 24 anschließt, sich in Richtung des Bereichs 23 erstreckt und im Bezug zu dem Bereich 23 einen Winkel von 90° einnimmt, gebildet. Am freien Ende des Randstücks 26 ist ein Flansch 27 ausgebildet, mit welchem der Einsatz 18 mit dem Aufnahmeteil 19 durch Laserschweißung verbunden ist.

Ein derartiges Elektronenstrahlerzeugersystem ist in der Lage bei hohen Strahlstromleistungen (bis 10 A/cm²) als Kathoden/Gitter 1-Anordnung in Fernsehbildröhren eingesetzt zu werden, ohne daß befürchtet werden muß, daß die erforderliche Betriebstemperatur von bis zu 1100°C auf die sehr dünne Ausbildung des Gitters 1 im Elektronendurchtrittsbereich 22 Einfluß nimmt.

Die Emissionsfläche 21 der Vorratskathode 13 hat im hier beschiebenen Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 0,75 mm um zu gewährleisten, daß verdampfendes Kathodenmaterial keine Schlüsse in den Öffnungen des Gitters 12 oder einem der nachfolgenden Gitter (nicht dargestellt) bewirkt.

Der Vollständigkeit halber sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß zur Fernsehbilddarstellung auch mehrere der in Fig. 1 gezeigten und beispielsweise in gleicher Ebene angeordenten Kathoden/Gitter 1-Anordnungen Anwendung finden können.

In Fig. 2 ist lediglich eine weitere Ausbildung des schon aus Fig. 1 bekannten ersten Elektrodengitters 12 gezeigt. Hierbei ist der Einsatz 18 nicht - wie der Vergleich mit Fig. 1 zeigt - einteilig, sondern zweiteilig ausgebildet, indem der Bereich 23 und die Mantelfläche 24 ein und das Randstück 26 und der Flansch 27 den weiteren Teil des Einsatzes 18 bilden. Im Übergang von der Mantelfläche 24 zum Randstück 26 sind beide Einzelteile miteinander zu enem Einsatz 18 verschweißt. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α zwischen der Mantelfläche 24 und dem Bereich 23 153°.

Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung gemäß Fig. 1. Neben einer anderen Art der Befestigung der Hochstromkathode 11 unterscheidet sich diese Ausbildung vor allem von der Ausbildung gemäß Fig. 1 dadurch, daß das Aufnahmeteil 19 nicht mit der Hochstromkathode selbst verbunden ist. Dies erlaubt es, die Kathode in sehr einfacher Weise im Bezug zu dem Elektrodengitter 12 bzw. zu den anderen Gittern (nicht gezeigt) zu justieren. Auch in Fig. 3 ist der Einsatz 18 zweiteilig ausgebildet.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen aus Bereich 23 und Mantelfläche 24 gebildeten Teil eines Einsatzes 13 wie er bei zweiteiligen Einsätzen gemäß Fig. 2 und 3 verwendet wird. Der Winkel α zwischen dem Bereich 23 und der Mantelfläche 24 beträgt 125°.

Fig. 5 zeigt den aus Folie tiefgezogenen Einsatz 18, wie er als einteiliger Einsatz gemäß Fig. 1 verwendet wird. Dieser Einsatz 18, welcher aus einem hochnickelhaltigen Eisen mit 20% Nickel tiefgezogen ist, hat eine durchgängige Wanddicke von 50 µm.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß der Winkel weitgehend von dem verwendeten Werkstoff für den Durchtrittsbereich im Elektrodengitter 12 und der vorherrschenden Betriebstemperatur abhängig ist. So kann beispielsweise der Winkel α bei niedrigeren Temperaturen als 1100°C flacher gestaltet werden.

Ein bevorzugter Einsatzbereich von Hochstromkathodenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist - wie schon angedeutet - die Bildaufnahme- und Bildwiedergabetechnik, weil dort aus Gründen der mit dem Elektronenstrahl erzeugten Abbildungsleistung hohe Anforderungen an die thermische Stabilität der Elektrodenanordnung 12 gesetzt sind. Gleichwohl ist die vorliegende Erfindung nicht auf Bildwiedergabe- bzw. Bildaufnahmeanordnungen beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo es gilt dünne Lochblenden vor einer Kathodenanordnung im Hochtemperaturbereich thermisch stabil anzuordnen.

Claims

1. Elektronenstrahlerzeugersystem mit wenigstens einer Kathodenanordnung, wobei die jeweilige Kathodenanordnung als Hochstromkathode (11) ausgebildet ist, und mit wenigstens einer Gitterelektrode (12), welche einen sich parallel zur Emissionsfläche (21) der jeweiligen Hochstromkathode (11) erstreckenden und eine Elektronendurchtrittsöffnung (22) aufweisenden Bereich (23) hat, dadurch gekennzeichnet, daß an den Bereich (23) der Gitterelektrode (12), welcher direkt beabstandet zur Emissionsfläche (21) der Kathodenanordnung (11) angeordnet ist, eine Mantelfläche (24) anschließt, die mit der Seite des Bereichs (23), welche der Emissionsfläche (21) zugewandt ist, einen Winkel α von größer 95° und kleiner 175° einschließt und daß ein Randstück (26) verhanden ist, welches an dem freien Ende der Mantelfläche (24) anschließt und sich in Richtung des Bereiches (23) erstreckt, wobei das Randstück (26) zum Bereich (23) einen Winkel von 90° plus/minus 10° einnimmt.

2. Elektronenstrahlerzeugersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Gitterelektrode (12), welcher von dem Bereich (23), der Mantelfläche (24) und dem Randstück (26) gebildet ist, als Einsatz (18) ausgebildet ist und in eine Öffnung der Gitterelektrode (12) eingesetzt und mit dieser verbunden ist.

3. Elektronenstrahlerzeugersystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche (21) der Hochstromkathode (11) einen Durchmesser zwischen 0,5 und 1,5 mm hat.

4. Elektronenstrahlerzeugersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Teil der Gitterelektrode (12), welcher von dem Bereich (23), der Mantelfläche (24) und dem Randstück (26) gebildet ist, tiefgezogen ist.

5. Elektronenstrahlerzeugersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Teile der Gitterelektrode (12), welche den Bereich (23), die Mantelfläche (24) und das Randstück (26) umfassen, von einem Werkstoff gebildet werden, der im Bereich bis etwa 400°C einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.

6. Elektronenstrahlerzeugersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff ein hochlegierter Nickelstahl mit einem Nickelanteil von 20 bis 55% ist.