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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Elektronenkanone, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben
ist, zur Verwendung in einer Kathodenstrahlröhre, und
insbesondere auf eine Elektronenkanone mit Mehrschrittfokussierung, bei
welcher die Hauptlinsenmittel aus zwei unipotentialen
Hilfslinsen und einer bipotentialen Hauptlinse besteht. Eine solche
Elektronenkanone ist aus KR-A-87 281 bekannt, die später
diskutiert werden wird.
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Die Bildqualität einer Kathodenstrahlröhre hängt stark von
der Leistung der Elektronenkanone ab, wobei speziell die
Fokussierungscharakteristik von Elektronenstrahlen, die mittels einer
Elektronenkanone erzeugt werden, ein wichtiger Faktor ist, der
die Bildqualität direkt beeinflußt. D. h., eine gute
Elektronenkanone wird soweit wie möglich die kleinsten Strahlpunkte mit
niedriger sphärischer Aberration ausbilden, und eine solche
Elektronenkanone, die den oben erwähnten Zweck hat, wurde in
verschiedenen Arten entwickelt. Unter diesen gibt es eine, bei
welcher zur Verminderung der sphärischen Aberration die
Strahldurchtrittsöffnungen der Hauptlinse im Überlapp so angeordnet
sind, daß drei Strahldurchtrittslöcher zusammenhängend
ausgebildet werden. Bei diesem Typ kann es jedoch zu einer Zunahme des
sphärischen Aberration kommen, wenn die Strahlstromstärke erhöht
wird. Um diese Befürchtung zu erledigen, muß die Länge der
Elektrode G3 ausreichend erhöht werden, damit die Vergrößerung der
Hauptlinse vermindert wird; in diesem Fall gibt es jedoch ein
Problem der Praktikabilität.
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In Berücksichtigung dieser Umstände beschreibt KR-A-87-281
eine verbesserte Elektronenkanone, die auf einem neuen Konzept
beruht, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß die sphärische
Aberration großteils durch Vorsehen von zwei
Unipotential-Hilfslinsen an einer Stelle in Strahlrichtung vor der Bipotential-Haupt-
Hauptlinse vermindert werden kann. D. h. der Elektronenstrahl,
der mittels einer einzelnen Hauptlinse nach der bisherigen
Technologie fokussiert worden ist, wird nun durch zwei Hilfslinsen
und eine Hauptlinse fokussiert. Eine solche Verteilung der
Fokussierungsschritte auf drei Linsen dient der Verminderung der
sphärischen Aberration mittels Linsen mit geringer Vergrößerung.
D. h., während der Strahl durch den Mehrschrittmechanismus
fokussiert wird, wird der Abstand des virtuellen Gegenstandspunkts
(des Ausgangspunkts des Stahls) Schritt um Schritt weiter vom
Bildschirm getrennt, so daß die Einfallswinkel des
Elektronenstrahls bezüglich der jeweiligen Linsen Schritt um Schritt
reduziert werden.
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Die auf dem oben beschriebenen Prinzip beruhende
Elektronenkanone hatte in gewissem Maße eine zufriedenstellende
Leistung, um aber maximale Leistung zu haben, sollten die
Dimensionen der Komponenten und an sie angelegten Spannungen gründlicher
überlegt werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Elektronenkanone mit Mehrschrittfokussierung für eine
Kathodenstrahlröhre zu schaffen, bei welcher die sphärische Aberration
und die Fokussierungseigenschaften stark verbessert sind.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Schaffung einer Elektronenkanone mit Mehrschrittfokussierung für
eine Kathodenstrahlröhre, bei welcher die Größe des
Strahlpunktes leicht eingestellt werden kann, wodurch es möglich wird, sie
als Mehrzweck-Elektronenkanone zu konzipieren.
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Zur Lösung der Aufgaben schafft die vorliegende Erfindung
eine Elektronenkanone mit Mehrschrittfokussierung, wie sie in
Patentanspruch 1 definiert ist.
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Die obigen Aufgaben und weitere Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch das Beschreiben der bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im einzelnen unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher werden. Auf
diesen ist:
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Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der ersten
Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche die
Charakteristik der ersten Unipotentiallinse des Hauptlinsensystems der
Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei
die Werte durch ein numerisches Steuerungsverfahren gewonnen
sind,
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Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die
Charakteristik der zweiten Unipotentiallinse des Hauptlinsensystems der
Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei
die Werte durch ein numerisches Steuerungsverfahren gewonnen
sind,
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Fig. 4 eine graphische Darstellung, welche im Vergleich
Strahlpunktgröße - Kathodenströme für die Elektronenkanone der
vorliegenden Erfindung und diejenige der herkömmlichen
Technologie zeigt,
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Fig. 5 eine graphische Darstellung, die im Vergleich die
Änderungen der Strahlpunkte in Entsprechung zu den Änderungen
der Fokussierungsspannungen für die Elektronenkanone der
vorliegenden Erfindung und diejenige der herkömmlichen Technologie
zeigt,
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Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung der Strahlpunkte, die
im Vergleich die Charakteristiken der Strahlpunkte, die in den
Randzonen des Bildschirms erscheinen, für die Elektronenkanone
der vorliegenden Erfindung und diejenige der herkömmlichen
Technologie zeigt,
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Fig. 8 eine schematische Schnittansicht der zweiten
Ausführungsform der Elektronenkanone gemäß der Erfindung, und
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Fig. 9 eine schematische Schnittansicht der dritten
Ausführungsform der Elektronenkanone gemäß der Erfindung.
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Bezugnehmend auf Fig. 1, in welcher die erste
Ausführungsform der Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht ist, zeigt diese Zeichnung eine
Strahlerzeugungskathode K, ein Steuergitter G1, ein Schirmgitter G2 und
Elektroden
G3, G4, G5, G6, G7 und G8 zur Beschleunigung und
Fokussierung des Elektronenstrahls aus der Kathode, Steuergitter G1
und Schirmgitter G2, die alle in geeigneten Abständen angeordnet
sind.
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Die allgemeinen Abmessungen der genannten Elektroden werden
hierbei durch die Beziehung zwischen den Durchmessern der
Strahldurchtrittslöcher der einzelnen Elektroden und den Längen
ihrer Körper, wie in untenstehender Tabelle 1 gezeigt, bestimmt.
Der Erfinder erhielt die Werte der Tabelle 1 über wiederholte
Experimente numerischer Analyse.
TABELLE 1
LÄNGE VON ELEKTRODEN/DURCHMESSER VON LÖCHERN BEREICHE
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In obiger Tabelle geben L4, L5, L6 und L7 die Längen der
Elektroden G4, G5, G6 und G7 an, während D4, D5, D6 und D7 die
Durchmesser der Strahldurchtrittslöcher der betreffenden
Elektroden angeben.
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Von den genannten Elektroden können die Längen der in den
Hauptlinsenmitteln angeordneten Elektroden innerhalb der
zulässigen Bereiche, wie in untenstehender Tabelle 2 wiedergegeben,
variabel sein, abhängig von der Anwendung und anderen
Bedingungen der Elektronenkanone, wobei aber angenommen wird, daß alle
Strahldurchtrittslöcher einen gleichförmigen Durchmesser von 5,5 mm
haben.
TABELLE 2
LÄNGE
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In den Hauptlinsenmitteln sollten die eine Hilfslinse bildenden
Elektroden G4, G5, G6 und G7 vorzugsweise enge Abstände zwischen
den benachbarten, vorzugsweise 0,6 mm, haben, während der
Abstand zwischen den Elektroden G7 und G8 wünschenswerter Weise
ungefährt 1,0 mm sein kann.
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Die Elektroden G1, G2 formen Elektronenstrahlen im
Zusammenwirken mit der Kathode, welche in Strahlrichtung vor den
Elektroden G1, G2 angeordnet ist, und bilden zusammen einen
Dreielektroden-Röhrenabschnitt, und diese Elektroden G1, G2
sollten im Normaltyp gebaut sein oder geeignet von der Anwendung
der Elektronenkanone abhängen. Die Elektrode G3 sollte ebenfalls
auf dem Normaltyp beruhen, aber der Durchmesser der
Austrittsseite des Strahlendurchtrittslochs dieser Elektrode kann in
kleinerer Abmessung ausgebildet sein als derjenige der Elektrode
G4 geeignet in verschiedenen Ausführungsformen.
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Das heißt, es kann, wie bei der in Fig. 8 veranschaulichten
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, daß
ausgangsseitige Strahldurchtrittsloch 3Hr der Elektrode G3 in
einer Größe ausgebildet sein, die kleiner als die
Strahldurchtrittslöcher der Elektroden G4, G5, G6, G7 und G8 ist, von denen
alle Löcher den gleichen Durchmesser haben.
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Ferner hat, Bezug nehmend auf Fig. 9, welche die dritte
Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, das
einfallsseitige Strahldurchtrittsloch 5Hf der Elektrode G5 einen größeren
Durchmesser anders als das Strahldurchtrittsloch 4H der
Elektrode G4 und das ausgangsseitige Strahldurchtrittsloch 5Hr der
Elektrode G5, die beide den gleichen Durchmesser haben.
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Die Durchmesser der Strahldurchtrittslöcher der einzelnen
Elektroden sollten daher den folgenden Formeln genügen:
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D3r < D < D5f, D4 = D5r
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wobei D3r den Durchmesser des ausgangsseitigen
Strahldurchtrittsloches der Elektroden G3, D4 den Durchmesser des
Strahldurchtrittsloches der Elektrode G4 und D5f den Durchmesser des
einfallsseitigen Strahldurchtrittsloches der Elektrode G5
angibt. Natürlich sollten obige Elektroden in die in Tabelle 1
angegebenen Bereiche fallen.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung sollte das Verhältnis der angelegten
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Fokussierungsspannung Vf zur Anodenspannung Eb ungefähr in den
Bereich von 23% - 34% fallen, wobei die wünschenswerteste
Fokussierungsspannung Vf und Anodenspannung Eb 7 kV bzw. 25 kV im
Falle einer 51 cm (20 inch) Kathodenstrahlröhre ist.
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Die oben spezifizierten Abmessungen der Elektronenkanone
mit Mehrschrittfokussierung gemäß der vorliegenden Erfindung
sind die Werte, die als Ergebnis wiederholter Experimente
gewonnen sind, und sollten offensichtlich ein zufriedenstellendes
Ergebnis produzieren.
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Zunächst werden die Änderungen der Leistungen der
Elektronenkanone mit Mehrschrittfokussierung in Entsprechung zu den
Änderungen der Abmessungen der Elektroden, wie durch Experimente
gewonnen, beschrieben. Fig. 2 zeigt die Änderungen der Größe des
Strahlflecks gegen die Änderungen der Längen D4, D5 der
Elektroden G4, G5 und die Änderungen des Verhältnisses der
Fokussierungsspannung Vf zur Anodenspannung Eb gegen die Änderungen der
Längen der Elektroden G4, G5 für die erste Ausführungsform der
Erfindung. D. h., in einem Fall, wo die Elektrode G4 eine Länge
von 1,4 mm hat und die Länge der Elektrode G5 im Bereich von
2,0 - 6,5 mm geändert wird, fällt Vf/Eb in den Bereich von 23% -
34%,
und die Änderung der Strahlgröße fällt in den Bereich von
etwa 1,8 - 2,1 mm.
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Wenn ferner, wie in Fig. 3 gezeigt, die Länge der Elektrode
G6 0,6 mm ist, und die Länge der Elektrode G7, die der Elektrode
G6 zugekehrt ist, im Bereich von 6,0 - 9,5 mm variiert wird,
variiert der Wert von Vf/Eb im Bereich von 30% - 32%, und die
Größe der Strahlflecken bleibt im Bereich von 1,65 - 1,70 mm.
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Die Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung mit
einer solchen Charakteristik und die herkömmliche
Elektronenkanone werden in Fig. 4 verglichen, welche zeigt, daß die
Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung einen kleineren
Strahlpunkt verglichen mit der herkömmlichen Elektronenkanone
Hi-Bi unter der Annahme ausbildet, daß der Kathodenstrom Ib in
beiden der gleiche ist. Insbesondere bildet, wenn man die
Änderungen des Strahlpunktes gegen die Änderungen der
Fokussierungsspannung Vf, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind, betrachtet, die
Elektronenkanone gemäß der vorliegenden Erfindung einen weitaus
kleineren Strahlfleck aus, und sein Variationsbereich ist
ebenfalls kleiner bei gleicher angelegter Fokussierungsspannung.
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Ferner bildet, wie in Fig. 6 gezeigt, die Elektronenkanone
gemäß der vorliegenden Erfindung einen kleineren Strahlpunkt
aus, und zeigt einen kleineren Variationsbereich, verglichen mit
der herkömmlichen Elektronenkanone.
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Ferner ist, wie in Fig. 7 gezeigt, die
Fokussierungscharakteristik in den Randbereichen des Bildschirms ebenfalls bei der
Elektronenkanone der vorliegenden Erfindung, verglichen mit der
herkömmlichen Elektronenkanone, verbessert. Die herkömmliche
Elektronenkanone zeigt nicht nur einen größeren Strahlfleck,
sondern bildet auch einen größeren Hof um den Strahlfleck herum
aus, wohingegen die Elektronenkanone gemäß der vorliegenden
Erfindung einen kleineren Hof und einen kleineren Strahlfleck
ausbildet.
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Gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, welche in den Fig. 8 bzw. 9 veranschaulicht
sind, sind die Eigenschaften der Elektronenkanone weiter
verbessert. D. h., es ist nicht nur die sphärische Aberration weiter
verbessert, sondern es wird auch eine ausgezeichnete
Fokussierungscharakteristik erzeugt.
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Anders ausgedrückt, ist in der in Fig. 8 gezeigten zweiten
Ausführungsform eine elektrostatische Unipotentiallinse mittels
der Elektroden G3, G4, G5 gebildet und ein schwach
divergierender Abschnitt I durch die Kombination der Elektrode G3, die ein
ausgangsseitiges Strahldurchtrittsloch 3Hr kleineren
Durchmessers hat, mit der Elektrode G4, die ein Strahldurchtrittsloch 4H
größeren Durchmessers hat. Dementsprechend erfährt, wenn der
Elektronenstrahl den Abschnitt I durchläuft, der
Elektronenstrahl eine schwache divergierende Kraft, mit dem Ergebnis, daß
der Elektronenstrahl mit einem kleineren Einfallswinkel in den
Fokussierungsabschnitt II, der durch das Zusammenwirken zwischen
den Elektroden G4, G5 gebildet ist, eintritt. Dies hat zur
Folge, daß die sphärische Aberration auf der Bildschirmoberfläche
der Kathodenstrahlröhre verbessert ist, mit dem Ergebnis, daß
klare und qualitativ hochwertige Bilder auf dem Bildschirm
erzeugt werden.
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Die dritte Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig.
9 veranschaulicht ist, hat verglichen mit der zweiten
Ausführungsform einen fortgeschritteneren Aufbau. Hier ist das
Strahldurchtrittsloch der Elektrode G5, die Teil eines
Strahlfokussierungsabschnitts II' bildet, in kleinerer Abmessung ausgebildet,
verglichen mit den Strahldurchtrittslöchern der Elektroden G4,
G6, die an entgegengesetzten Seiten derselben angeordnet sind,
wodurch eine starke Fokussierungskraft erzeugt wird.
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Bei dieser Ausführungsform ist daher die
Strahldivergierungskraft durch den Divergierungsabschnitt I' geschwächt,
während die Strahlfokussierungskraft durch den
Fokussierungsabschnitt II' verstärkt wird. Folglich wird die sphärische
Aberration stark vermindert, und die Strahlfokussierungskraft ist,
verglichen mit den obigen Ausführungsformen, deutlich
verbessert.
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Kurz gesagt, hat die Elektronenkanone gemäß der
vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile. Die Änderungen der Größe
des Bildes gegen die Änderungen der Vergrößerung der Hauptlinse
und gegen die Änderungen des Abstandes zum Bildschirm sind
vermindert, während die sphärische Aberration, die das Strahlmuster
am stärksten beeinflußt, deutlich verbessert ist, weil der
Strahldivergenzwinkel mittels der Hilfslinsen ohne Schwierigkeit
eingestellt werden kann.
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Ferner vermindert die Elektronenkanone gemäß der
vorliegenden Erfindung die Größe des Strahlflecks um ungefähr 30%,
verglichen mit den herkömmlichen Elektronenkanonen, wodurch sie zur
Verwendung in einer Kathodenstrahlröhre hoher Feinheit und hoher
Auflösung geeignet ist, während der Astigmatismus in den
Randbereichen deutlich verbessert ist, wodurch es möglich wird, die
Bildqualität zu verbessern.
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Ferner sind die erste und zweite Hilfslinse in einer in
ihrer Vergrößerung einstellbaren Form vorgesehen, wodurch
Flexibilität hinsichtlich einer Bemessung derselben für verschiedene
Zwecke geschaffen wird, während die Spannungsdifferenzen
zwischen den Elektroden minimiert werden können, verglichen mit den
herkömmlichen Elektronenkanonen, wodurch die
Spannungsfestigkeitscharakteristik verbessert wird.