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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische(n)
Energie bzw. Strom sparende, indirekt beheizte Hochleistungs-
Kathodenanordnung zur Verwendung in z.B. einer
Farbkathodenstrahlröhre. Derartige Anordnungen sind in EP-A-0 022 201 und
GB-A-2 074 783 offenbart.
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Seit neuerem besteht ein zunehmender Bedarf nach einer
Farbkathodenstrahlröhre verbesserter Auflösung mit erhöhter
Abtastzeilenzahl, einer einen ultrahohen Frequenzgang
aufweisenden Bildröhre usw.. Zudem besteht auch ein Bedarf nach
verbesserter Helligkeit bei z.B. einer
Projektionskathodenstrahlröhre. Um dem jeweiligen Bedarf zu entsprechen, muß die
Emissionsdichte von Elektronen von der Kathode auf ein
größeres Maß erhöht werden.
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Eine mit einem Emissionsmaterial imprägnierte
(emitterimpregnated) Kathode vermag eine höhere Stromdichte zu
liefern als eine Oxidkathode. Aus diesem Grund wurde die mit
einem Emissionsmaterial imprägnierte Kathode für
Bildaufnahmeröhren, Wanderwellenröhren, Klystronen usw. verwendet.
Auf dem Gebiet van Farbkathodenstrahlröhren findet die mit
einem Emissionsmaterial imprägnierte Kathode jedoch nur
begrenzt Anwendung.
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Die mit einem Emissionsmaterial imprägnierte Kathode der
indirekt beheizten Kathodenanordnung besitzt den Aufbau gemäß
Fig. 1. Bei der Anordnung nach Fig. 1 befindet sich ein
Heizelement 1 innerhalb einer Kathodenhülse 2, in deren eines
Ende eine Kappe 4 mit einer mit einem Emissionsmaterial
imprägnierten Kathodenscheibe 3 eingesetzt ist. An der
Außenseite der Kathodenhülse 2 ist ein zylindrischer Halter 6 so
angeordnet, daß er koaxial zur Kathodenhülse 2 liegt, die
ihrerseits mit Hilfe von drei Streifen oder Laschen 5 aus
Tantal fest gehaltert ist.
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Die Betriebstemperatur der angegebenen, indirekt
beheizten Kathodenanordnung ist um etwa 200ºC höher als die des
Oxidkathodentyps. Bei der indirekt beheizten
Kathodenanordnung benötigt daher das Heizelement mehr elektrische Energie,
was ein Hindernis für ihre praktische Anwendung darstellt.
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Für Wirtschaftlichkeit bezüglich der elektrischen
Energie bei der indirekt beheizten Kathodenanordnung ist es
nötig, daß diese kompakt gebaut ist. Für die Erzielung einer
kompakten Einheit erweist es sich als wirksam, die
Querschnittsfläche der Leisten bzw. Laschen (straps) und damit
den Wärmeableitverlust zu verkleinern.
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Die Laschen werden jedoch zur Halterung der Kathode
benutzt; wenn sie zu klein ausgebildet sind, erfahren sie im
Betrieb der Kathode aufgrund einer von Wärme(einwirkung)
herrührenden Ermüdung eine Deformation. Hierdurch werden die
Charakteristika bzw. Eigenschaften der
Farbkathodenstrahlröhre beeinträchtigt, etwa in Form verschlechterter
Helligkeit oder von Farbverschiebung.
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Die JP-Gebrauchsmusterveröffentlichung (KOKOKU) 59-33146
offenbart ein Wärme reflektierendes Mittel oder
Wärmereflektiermittel, das mit außenseitigen Laschen versehen ist. Bei
der Anordnung gemäß dieser Veröffentlichung (KOKOKU) ist
dieses Mittel an der Außenseite der Laschen angeordnet und
mit diesen thermisch kontaktiert bzw. verbunden; damit kann
weder eine Einsparung an elektrischer Energie noch eine
kompakte Bauweise erreicht werden.
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Die JP-Gebrauchsmusterveröffentlichung (KOKOKU) 57-26514
offenbart ebenfalls einen Wärmereflektierzylinder, der
zwischen einer Hülse und Laschen angeordnet und an der Hülse
befestigt ist. Da der Wärmereflektierzylinder jedoch in
direkter Berührung mit der Hülse steht, wird im Betrieb Wärme
über die Hülse abgeführt, so daß eine Einsparung an
elektrischer Energie nicht realisierbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist mithin die
Schaffung einer indirekt beheizten Kathodenanordnung eines
besseren Wärmewirkungsgrads.
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Die indirekt beheizte Kathodenanordnung gemäß dieser
Erfindung ist von einem solchen Typ, daß (bei dem) ein Wärme
reflektierender Zylinder bzw. Wärmereflektierzylinder
zwischen einer Kathodenhülse und einem Halter angeordnet und am
Halter befestigt ist. Ferner sind Laschen mit beiden Enden am
betreffenden unteren Endabschnitt der Kathodenhülse und
(bzw.) am betreffenden oberen Endabschnitt des Halters
angebracht und gegenüber dem Wärmereflektierzylinder thermisch
isoliert.
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Ferner ist die indirekt beheizte Kathodenanordnung gemäß
dieser Erfindung von einem solchen Typ, daß die Laschen aus
einer Analogie (of analogy) bzw. in analoger Weise aus einer
Ta-W-Legierung oder einer Ta-W-Hf-Legierung hergestellt sind.
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Eine Elektronenkanonenstruktur oder -konstruktion gemäß
dieser Erfindung ist so ausgebildet, daß ein erstes Gitter
vorderhalb der indirekt beheizten Kathodenanordnung
angeordnet ist. Das erste Gitter und der Halter der indirekt
beheizten Kathodenanordnung sind jeweils teilweise und direkt
in ein Befestigungsstück eingebettet Die Kathodenscheibe ist
durch den Wärmereflektierzylinder zumindest in dem Bereich
eines Isolations- oder Isolierträgers, der zwischen einem
Einbettungspunkt des ersten Gitters aund dem des
Befestigungsstücks festgelegt ist, gegenüber Sicht verborgen
bzw. verdeckt.
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Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich
aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten
Zeichnungen, in denen zeigen:
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Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische
Darstellung einer herkömmlichen indirekt beheizten
Kathodenanordnung,
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Fig. 2 eine (Längs-)Schnittansicht einer indirekt
beheizten Kathodenanordnung gemäß einer
Ausführungsform dieser Erfindung und
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Fig. 3 Kennlinienkurven einer Änderung der Einsatzspannung
jeder Lasche, die bei einer herkömmlichen indirekt
beheizten Kathodenanordnung und einer indirekt
beheizten Kathodenanordnung gemäß dieser Erfindung
verwendet wird.
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Eine indirekt beheizte Kathodenanordnung und ihre
zugeordnete Elektronenkanonenkonstruktion gemäß einer
Ausführungsform dieser Erfindung sind in Fig. 2 dargestellt.
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Die Anordnung nach Fig. 2 enthält eine aus Tantal
bestehende Kathodenhülse 7, in welcher ein Heizelement 8 eines
Spulentyps angeordnet ist. Eine Primärwicklung in einem
Bereich A in Fig. 2 ist am Heizelementabschnitt mit einer
feineren Steigung gewickelt als der Rest des Heizelements.
Bei dieser Ausführungsform ist der Bereich A mit einer
Steigungsgröße entsprechend 1/3 derjenigen des Rests des
Heizelements gewickelt.
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Ein aus Tantal bestehender Napf 9 ist in ein offenes
oberes Ende der Kathodenhülse 7 eingesetzt. In den Napf 9 ist
eine mit einem Emissionsmaterial imprägnierte
(emitterimpregnated)
Kathodenscheibe 10 eingelassen, die durch
Imprägnieren eines porösen Wolfram-(W-)Substrats einer
Porosität von etwa 20% mit einem Elektronen emittierenden
Material (Elektronenemissionsmaterial) erhalten wird. Auf der
Oberfläche der Kathodenscheibe 10 ist eine
Iridium-(Ir-)/Wolfram-(W-)Legierungsschicht erzeugt.
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Die (bzw. eine) Isolationsverschlechterung des
Heizelements 8 tritt infolge des Verstreuens oder Versprühens von
Dampfphasenablagerungen des Emissionsmaterials, wie Ba, von
der Kathodenscheibe 10 in Richtung auf das Heizelement 8 auf.
Zur Vermeidung eines solchen Versprühens ist der Napf 9 in
das offene obere Ende der Kathodenhülse 7 eingelassen.
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Außenseitig zur Kathodenhülse 7 ist ein zylindrischer
Halter 11 koaxial zu ersterer so vorgesehen, daß er über eine
vorbestimmte Strecke von der Kathodenhülse 7 beabstandet ist.
Die Kathodenhülse 7 ist durch den Halter 11 über eine Anzahl
von streifenartigen Leisten bzw. Laschen 12, z.B. drei
Laschen, gehaltert. Dabei ist die (jede) Lasche 12 am einen
Ende mit dem unteren Endabschnitt der Kathodenhülse 7 und am
anderen Ende mit dem oberen Ende des Halters 11 verbunden.
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Anhand von Testergebnissen hat es sich gezeigt, daß die
Lasche 12, wenn sie aus z.B. einer Ta-10%W-, einer Ta-3%W-,
einer Ta-8%W-2%Hf- oder einer Ta-10%W-2,5%Hf-Legierung
hergestellt ist, eine hohe Wärmebeständigkeit und eine geringe
Wärmeleitung besitzt. Die anderen, anhand des Tests
ermittelten Charakteristika bzw. Eigenschaften sind in der
nachstehenden Tabelle 1 angegeben:
Tabelle 1
Chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
Prüflinge
Einsatzspannungsänderung (V)
Verarbeitbarkeit
Herkömmliche Anordnung
Prüfling
Rest
gut
möglich
schwierig
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Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, sind 2,5 - 12,5 % W in Ta
oder 2 - 5 % Hf in Ta in den chemischen Zusammensetzungen der
Prüflinge zu bevorzugen (alle Prozentangaben in Gew.-%).
Zwischen der Kathodenhülse 7 und dem Halter 11 ist ein Wärme
reflektierender Zylinder bzw. Wärmereflektierzylinder 13
koaxial zu Kathodenhülse 7 und Halter 11 angeordnet und relativ
zum oberen Ende des Halters 11 mittels mehrerer Tragelemente,
wie Tragstücke 14 gehaltert. Die Tragstücke 14 besitzen einen
L-förmigen Querschnitt.
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Als Tragelemente können nicht nur die Tragstücke 14,
sondern kann auch ein ringförmiges Tragelement verwendet
werden. Ebenso ist es möglich, einen Abschnitt des
Wärmereflektierzylinders als Ausprägeabschnitt (struck-out Portion)
aus ihm selbst auszuprägen oder den Wärmereflektierzylinder
zur Bereitstellung eines Flanschabschnitts mittels einer
Presse zu stauchen.
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Der Wärmereflektierzylinder (13) ist mithin zwischen der
Kathodenhülse (7) und den Laschen (12) so angeordnet, daß er
die Hülse und die Laschen nicht kontaktiert bzw. berührt. Ein
offenes Ende des Wärmereflektierzylinders (13) befindet sich
nahe einer Stelle entsprechend derjenigen der Kathodenscheibe
(10), während sich das andere offene Ende des
Wärmereflektierzylinders (13) bis zum Bereich der Stelle erstreckt, an
welcher die Laschen (12) und die Kathodenhülse (7)
miteinander verbunden sind. Unter den angegebenen Bedingungen wird
vom Körper der Kathodenhülse (7) abgestrahlte Wärme durch den
Wärmereflektierzylinder (13) reflektiert bzw. zurückgeworfen,
wodurch der Wirkungsgrad, mit dem die im oberen Teil der
Kathodenhülse (7) angeordnete Kathodenscheibe (10) erwärmt
bzw. beheizt wird, verbessert wird. Da die Laschen (12)
außerhalb des Wärmereflektierzylinders (13) angeordnet und
mit dem unteren Teil der Kathodenhülse (7), dessen Temperatur
vergleichsweise niedrig ist, verbunden sind, steigt die
Temperatur der Laschen (12) nicht nennenswert an, mit dem
Ergebnis, daß eine Deformation der Laschen (12) infolge der Wärme
nicht ohne weiteres auftritt.
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Gemäß Fig. 2 ist die Lasche 12 zum Haltern der
Kathodenhülse 7 so angeordnet, daß sie mit dem
Wärmereflektierzylinder 13 nicht in Berührung steht, d.h. die Lasche 12 verläuft
unter den Wärmereflektierzylinder 13 und liegt mit einem
Hauptabschnitt parallel zur Achse des
Wärmereflektierzylinders 13, und sie ist am oberen Ende des Halters 11
angeschweißt.
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Ein erstes Gitter 15 ist vorderhalb der indirekt
beheizten Kathodenanordnung mit dieser Konfiguration angeordnet und
dabei über eine vorbestimmte Strecke von der
Kathodenanordnung beabstandet. Der Umfangsbereich des ersten Gitters 15
ist in einen Isolations- oder Isolierträger 16 aus Glas
eingebettet. Am Außenumfangsabschnitt des Halters 11 ist ein
Ende eines Fixier- oder Befestigungsstücks 17 angebracht,
dessen anderes Ende in den Isolierträger 16 eingebettet ist.
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Dabei ist die Kathodenscheibe 10 durch den
Wärmereflektierzylinder 13 dem Blick entzogen, und zwar zumindest in dem
Bereich (einem in Fig. 2 mit B bezeichneten Bereich) des
Isolierträgers, der zwischen der Einbettungsstelle des ersten
Gitters 15 und der des Befestigungsstücks 17 festgelegt ist.
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Infolgedessen ist der Wärmereflektierzylinder 13
zwischen der Kathodenhülse 7 und dem Halter 11 angeordnet, um
Dampfablagerungen des von der Kathodenscheibe 10 kommenden
Emissionsmaterials abzuschirmen. Auf diese Weise ist es
möglich, Dampfablagerung des Emissionsmaterials auf dem
Isolierträger und dem Schaftteil der Elektronenkanonen zu
verhindern. Hierdurch werden die Aushaltespannungs- und die
Streuemissionscharakteristika einer Farbkathodenstrahlröhre
verbessert.
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Die indirekt beheizte Kathodenanordnung gemäß dieser
Ausführungsform weist einen Wärmereflektierzylinder 13 auf
und verwendet einen Werkstoff niedriger Wärmeleitung für die
Lasche 12. Zudem ist das Heizelement 8 von einem Typ mit
variabler (Wicklungs-)Steigung; damit wird eine elektrische
Energie einsparende Konstruktion zur Verfügung gestellt.
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Infolgedessen braucht die Verlustleistung nur etwa ein
Drittel derjenigen der herkömmlichen Anordnung nach Fig. 1 zu
betragen, d.h. sie beträgt 0,7 W bei der Erfindung und 2 W
bei der herkömmlichen Anordnung. Die indirekt beheizte
Kathodenanordnung gemäß dieser Erfindung kann daher ohne
Notwendigkeit für eine Abänderung einer zugeordneten Schaltung an
einer eine Oxidkathode enthaltenden Kathodenstrahlröhre
montiert werden.
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Als Folge der Einsparung elektrischer Energie ergeben
sich eine Verringerung der Heizelementtemperatur und eine
verbesserte
Heizelement-zu-Hülse-Aushaltespannungscharakteristik; unter einem künstlichen Härtetest blieb die
herkömmliche Anordnung bis zu 600 V, die Erfindung dagegen
bis zu 1200 V betriebsfähig.
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Erfindungsgemäß kann bei der Fertigung einer
Farbkathodenstrahlröhre die von Ionenaufprall herrührende
Kathodenverschlechterung vermieden werden. In den Ermüdungs- oder
Evakuierungs- (exhaust) und Hochspannungsalterungsstufen der
Farbkathodenstrahlröhre tritt über das erste Gitter 15 und
die Kathodenscheibe 10 eine Entladung auf, durch welche die
Kathode einem Ionenaufprall unterworfen wird, was zu einer
fehlerhaften Emission führt.
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Bei dieser Ausführungsform tritt dagegen aufgrund des
Vorhandenseins des Wärmereflektierzylinders eine Entladung
über das Vorderende des Wärmereflektierzylinders 13 und das
erste Gitter 15 auf, so daß kein Verlust (loss) in der
Kathodenscheibe 10 herbeigeführt wird.
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Da erfindungsgemäß der Werkstoff für die Lasche eine
verbesserte Wärmebeständigkeit (derselben) gewährleistet,
können z.B. die herabgesetzte Helligkeit und (die)
Farbverschiebung der Farbkathodenstrahlröhre verbessert sein oder
werden.
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Eine Änderung im Maß von Gg1-K (einem Spalt zwischen dem
erstens Gitter und der Kathodenoberfläche), falls diese aus
irgendeinem Grund auftritt, resultiert nämlich in einer
Änderung der Einsatzspannung und mithin in einer Änderung des
Anodenstroms.
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Bei der Farbkathodenstrahlröhre wird die Grenz- bzw.
Einsatzspannung (cutoff voltage) der Rot-, Grün- und Blau-
Elektronenkanonen so geregelt, daß eine vorbestimmte Farbe
entsteht.
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Im Langzeitgebrauch der Farbkathodenstrahlröhre ergibt
sich jedoch die Deformation der zugeordneten Bauteile als
Folge ihrer Ermüdung durch Wärme(einfluß), was zu der
Maßänderung von Ggl-K führt. Da die Maßänderung für die Rot-,
Grün- und Blau-Elektronenkanonen nicht konstant ist, ändert
sich der auf den Leuchtstoff schirm auftreffende Anodenstrom
unter Herbeiführung einer Farbverschiebung und einer
herabgesetzten Helligkeit.
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Zur Bewertung einer möglichen Maßänderung bei einem
unterschiedlichen Laschenwerkstoff wurden Tests durchgeführt,
in denen sich die indirekt beheizte Kathodenanordnung gemäß
Fig. 2 nach dem Erwärmen oder Beheizen abkühlen konnte. Die
Tests wurden wiederholt bei einer Kathodentemperatur von
1150ºC durchgeführt, wobei die Kathodenanordnung 5 min lang
eingeschaltet und 10 min lang abgeschaltet wurde. Die Maß
änderung zwischen der Kathode und dem ersten Gitter ist einer
Änderung der Einsatzspannung proportional; die Deformation
der Lasche kann daher durch Messung der Änderung der
Einsatzspannung vergleichsweise genau bestimmt werden. Auf diese
Weise wurde eine Messung der Änderung der Einsatzspannung
durchgeführt.
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Da unter normaler Betriebstemperaturbedingung eine
langsame Änderung auftrat, wurde die Kathode auf 1150ºC erwärmt
und nach Erreichen eines stabilen Zustands abkühlen gelassen.
Diese Vorgänge wurden zur Untersuchung einer Änderung der
Einsatzspannung wiederholt. Fig. 3 zeigt eine Änderung der
Einsatzspannung für den Fall einer herkömmlichen Tantal-
Lasche und einer erfindungsgemäßen Legierungs-Lasche, wobei
die Zahlen in Fig. 3 denen nach Tabelle 1 entsprechen.
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Gemäß Fig. 3 ergibt sich eine Anderung der
Einsatzspannung bei der herkömmlichen Tantal-Lasche nach 1000 EIN/AUS-
Tests; bei der erfindungsgemäßen Legierungs-Lasche tritt
nahezu keine Änderung der Einsatzspannung auch nach einer
sehr langen Zeitspanne, in welcher die EIN/AUS-Tests unter
den gleichen Bedingungen durchgeführt wurden, auf.
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Weiterhin wurde die Kathode auf 1250ºC erwärmt oder
beheizt, wobei jedoch (nur) eine sehr kleine Änderung der
Einsatzspannung auftrat. Die erfindungsgemäße Lasche zeigte
somit über einen langen Zeitraum hinweg und auch nach
zahlreichen EIN/AUS-Tests eine sehr kleine (derartige) Änderung.
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Erfindungsgemäß zeigt die Lasche eine verbesserte
Wärmebeständigkeit, und sie kann einen kleineren Querschnitt
aufweisen. Folglich kann eine Deformation der Lasche durch
Wärme(einwirkung) vermieden sein.
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Genauer gesagt: die herkömmliche Lasche besaß einen
Querschnitt von 0,025 mm²; bei der erfindungsgemäßen Lasche
kann aufgrund der Verwendung einer wärmebeständigen Legierung
der Querschnitt auf 0,01 mm² verringert sein, wodurch eine
Leistungs- bzw. Stromeinsparung von 0,2 W (30% der
Gesamtleistung) gewährleistet wird.
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Wie erwähnt, weist die indirekt beheizte
Kathodenanordnung gemäß dieser Erfindung den mit der Kathodenhülse nicht
in Berührung oder Kontakt stehenden Wärmereflektierzylinder
auf; folglich ist die Wärmeabstrahlung in der Nähe der
Kathodenscheibe unterdrückt, wodurch ein verbesserter
Kathodenwärmewirkungsgrad gewährleistet wird.
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Ferner schützt der Wärmereflektierzylinder vor einer
Dampfphasenablagerung von Emissionsmaterial von der
Kathodenscheibe auf dem Isolierträger und dem Schaftteil der
Elektronenkanonen, wodurch die Aushaltespannungscharakteristik und
die Streuemissionscharakteristik der Farbkathodenstrahlröhre
verbessert werden.
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Da die Lasche in analoger leise aus einer Ta-W- oder Ta-
W-Hf-Legierung geformt ist, können eine Wärmedeformation
vermieden und eine Einheit verbesserter Wärmebeständigkeit
erzielt werden. Bei Verwendung der indirekt beheizten
Kathodenanordnung für eine Farbkathodenstrahlröhre ist es
infolgedessen möglich, herabgesetzte Helligkeit,
Farbverschiebung und sonstige Eigenschaften der
Farbkathodenstrahlröhre deutlich zu verbessern. Erfindungsgemäß ist es möglich,
die Wärmebeständigkeit der Lasche zu erhöhen, eine kompakte
lasche zu realisieren und damit einen Beitrag zur
Energiewirtschaftlichkeit zu leisten.
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Die Kathodenscheibe ist nicht auf den mit
Emissionsmaterial imprägnierten Typ beschränkt.