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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Elektronenstrahlröhre
mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, das wenigstens ein erstes und
ein zweites Gitter und wenigstens eine Kathode umfasst, die im Betrieb
durch Halbleiterwirkung Elektronen emittiert.
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Eine Elektronenstrahlröhre ist
geeignet als Aufnahmeröhre
oder als Wiedergaberöhre,
kann aber auch in einem Gerät
für Auger-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie
und Elektronenlithographie verwendet werden.
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Eine Elektronenstrahlröhre für eine monochrome
Wiedergabeanordnung, beispielsweise ein Fernsehgerät oder einen
Monitor, hat eine Glashülle, die
aus einem Schirm und einem Kegel aufgebaut ist. Das weitere Ende
des Kegels ist an dem Schirm befestigt. Das schmale Ende endet in
einem Rohrende mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, wobei dieses
Ende als der Hals bezeichnet wird. An dem Schirm ist ein auf einer
Phosphorschicht bestehender Phosphorschirm vorgesehen. Das rohrförmige Ende
enthält
ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, das im Betrieb einen Elektronenstrahl
emittiert. Dieser Strahl kann mit Hilfe von Ablenkspulen, die ein
bestimmtes Magnetfeld erzeugen, einem bestimmten Punkt am Wiedergabeschirm zugeführt werden.
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Der Wiedergabeschirm wird dadurch
aktiviert, dass der Elektronenstrahl den Schirm abtastet, wobei
dieser Strahl mit einem Videosignal moduliert ist. Dieses Videosignal
gewährleistet,
dass die Phosphore entsprechend einem derartigen Muster angeregt
werden, dass ihr Aufleuchten ein Bild erzeugt. Wenn während der
Erregungszeit viele Elektronen auf dem Pixel landen, wird dieses
Pixel heller aufleuchten. Das Videosignal wird der Kathode über elektrische
Stromleiter zugeführt.
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Es gibt viele Pixel je Einheit des
Oberflächengebietes.
Weiterhin werden die Pixel eins nach dem anderen innerhalb einer
sehr kurzen Zeit angeregt. Der Zuschauer erfährt auf diese Weise ein bewegtes
Bild in einem normalen Betrachtungsabstand.
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Bei einer Farbwiedergabeanordnung,
beispielsweise einem Farbfernseher oder einem Farbmonitor, hat jedes
Pixel drei Phosphorelemente, die je in einer anderen Primärfarbe aufleuchten.
Es gibt gleichsam drei einheitliche regelmäßige Muster am Wiedergabeschirm,
wobei jedes Muster eine andere Leuchtfarbe hat. Statt mit einem
einzigen Elektronenstrahl, werden im Betrieb drei Elektronenstrahlen, emittiert
von drei verschiedenen Kathoden in den Farbelektronenstrahlerzeugungssystem
den Schirm abtasten. Jeder dieser Strahlen erregt die Pixel mit einer
bestimmten Leuchtfarbe. Da die Phosphorelemente eines Pixels dicht
beieinander liegen, erfährt der
Zuschauer sie als ein einziges Element und nicht als einzelne Elemente.
Die Farbe, die erfahren wird, ist eine Mischfarbe der drei Elemente.
Dadurch, dass jedes Element mit einer bestimmten Intensität erregt wird,
erfährt
der Zuschauer eine bestimmte Farbe. Wenn beispielsweise das rote
Element und das blaue Element stark erregt werden und das grübe Element nur
wenig erregt wird, wird der Zuschauer dies als die Mischfarbe Purpur
erfahren. Weiterhin gilt, so wie für eine monochrome Elektronenstrahlröhre, dass
die Pixel so nahe beieinander liegen, dass der Zuschauer sie von
einem normalen Betrachtungsabstand aus nicht als einzelne Pixel
sieht. Dies erzeugt ein Farbbild.
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Während
der Herstellung muss die Hülle
der Elektronenstrahlröhre
vor der Abdichtung evakuiert werden. Dies ist für ihre Wirkung wesentlich,
weil ein Elektronenstrahl sich nur durch Vakuum nahezu ungestört fortpflanzt.
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Die Elektronenstrahlen werden in
einem Elektronenstrahlerzeugungssystem erzeugt und daraus emittiert.
Dieses Elektronenstrahlerzeugungssystem umfasst eine Anzahl elektrostatischer
Gitter, die, in ihrer Reihenfolge zunehmender Entfernung zu dem
Hals als G1, G2, G3 usw. bezeichnet werden. Die jeweiligen elektrostatischen
Gitter haben im Betrieb je ein anderes elektrisches Potential und
sollen folglich nicht miteinander in Kontakt stehen. Um dies zu
erreichen sind sie mit Hilfe von Glasstäben gegenüber einander fixiert, wobei
sie mit Hilfe von Bügeln befestigt
sind. Das erste Gitter G1 (Gitter 1) hat eine Schürze, die
einer oder mehreren Kathoden Platz bietet. Diese Kathoden haben
eine Oberfläche,
die im Betrieb Elektronen emittiert. Ein von einer derartigen Kathode
emittiertes Elektron geht durch eine Öffnung in dem G1 und danach
durch Öffnungen
in G2, G3 usw. Zum Schluss verlässt
das Elektron das Elektronenstrahlerzeugungssystem und geht in Richtung des
Wiedergabeschirms.
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Bisher wurden in Elektronenstrahlerzeugungssystemen
für Elektronenstrahlröhren hauptsächlich thermisch
emittierende Kathoden verwendet, die durch thermische Strahlung
Elektronen emittieren. Eine derartige Kathode hat eine Hülle, in
der ein Glühfaden
und eine Kappe untergebracht sind, von der aus die Elektronen emittiert
werden. Die Kappe besteht aus einem gesinterten Material. Die Oberfläche dieser
Kappe ist mit Barium versehen, was den Effekt hat, dass die Arbeitsfunktion
für thermische
Emission abnimmt. Dieses Barium wird aber durch Restgase, insbesondere
Sauerstoff, die nach der Evakuierung und Abdichtung noch in der
Röhre sind
oder die von der Wand der Hülle
oder von den Materialien, aus denen die anderen Teile der Elektronenstrahlröhre hergestellt
sind, frei werden, auf der Oberfläche oxidiert. Durch diese Diffusion
wird Barium aus dem gesinterten Material nachgeliefert. Wenn die
Konzentration der oxidierenden Gase in der Nähe der Kathode einen bestimmten
Wert übersteigt.
Ist die Nachlieferung zu langsam um die Bariumschicht einzuhalten.
Es hat sich herausgestellt, dass das Gas einen maximalen Druck von
10–10 bis 1–9 Pa
haben darf um befriedigende Elektronenemission zu gewährleisten.
Dieser Druckbereich wird bei der Fertigung von Elektronenstrahlröhren als
Norm eingehalten.
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In US 4.736.135 ist eine kalte Kathode
von dem in Sperrrichtung betriebenen Übergangstyp mit einem Vakuumraum
beschrieben, der mit einem Behälter
verbunden ist, in dem sich eine Quelle von Material befindet, das
die Arbeitsfunktion reduziert, beispielsweise Cs. Durch Beeinflussung
des Dampfdrucks und der Temperatur in den Bauteilen des Behälters und
in der Quelle kann ein Verlust von Cs durch Adsorption oder durch
ein anderes Phänomen, das
an der emittierenden Fläche
der Kathode auftritt, durch einen Fluss von Cs kompensiert werden.
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In JP-A58172847 ist ein Elektronenstrahlerzeugungssystem
beschrieben, das zusammengesetzt ist aus einem Kathodengebilde,
einem tellerförmigen
ersten Gitter, das der Elektronenemissionsfläche des Gebildes zugewandt
ist und das genannte Gebilde einschließt, einem flachen tellerförmigen zweiten
Gitter und einem Strahlteller mit einer kleinen Öffnung. Unterhalb des genannten
Gebildes innerhalb des ersten Gitters ist ein Zr-Getter vorgesehen, so dass es unabhängig von
einer bestimmten Form und Dicke des Gitter eingestellt werden kann.
Auf diese Weise kann Zr vorgesehen werden und die Peripherie der
Elektrode kann bei einem Hochvakuum eingehalten werden.
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Es gibt ein Problem, wenn statt der
thermisch emittierenden Kathoden Kathoden verwendet werden, die
durch Halbleiterwirkung funktionieren (die als "Halbleiterkathoden" bezeichnet werden). Dabei kann es sich
beispielsweise um Feldemitter handeln, und insbesondere um in Sperrrichtung
betriebene Übergangskathoden
(wie die Lawinen-Kalt-Kathode) handelt.
Eine Kathode dieser Art ist in dem US Patent 5.243.197 beschrieben
worden. Die Oberfläche
einer Halbleiterkathode enthält
auch ein Material, das die Arbeitsfunktion verringert. Dies ist
vorzugsweise Zäsium.
Auch hier wird das die Arbeits funktion verringernde Material von
Restgasen angegriffen. Insbesondere die Oxidation durch sauerstoffhaltige
Gase ist schädlich.
Das Nachliefern von Zäsium
vom Innern einer Halbleiterkathode ist aber unmöglich, weil diese Kathode nicht
eine dicke Kappe aus gesintertem Material hat, das porös ist, sondern
stattdessen eine glatte Oberfläche.
Zäsium
kann auch nicht von dem Bulk der Kathode nachgeliefert werden, weil
die Kathode eine derart niedrige Temperatur hat, dass das Zäsium eine
vernachlässigbare
Diffusionsrate hat. Der genormte Gasdruck in einer Elektronenstrahlröhre, die
geeignet ist für
eine thermisch emittierende Kathode wird eine Halbleiterkathode
schnell inaktiv machen. In einer Standard-Elektronenstrahlröhre werden
Halbleiterkathoden auf diese Weise schnell außer Betrieb geraten.
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Es ist nun u. a. eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Elektronenstrahlröhre zu schaffen mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, bei
dem eine Halbleiterkathode als Standarddruck funktionieren kann.
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Dazu schafft die vorliegende Erfindung
eine Elektronenstrahlröhre
wie in dem Anspruch 1 definiert. Die Unteransprüche definieren vorteilhafte
Ausführungsformen.
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Die vorliegende Erfindung schafft
ein Getter, angeordnet in der Nähe
der Kathode in dem Elektronenstrahlerzeugungssystem, wobei dieses
Getter oxidierende Gasmoleküle
entfernt. Der betreffende Raum in der Nähe der Kathode ist gegenüber den
anderen Teilen der Röhre
sehr klein. Wenn die Röhre
in Betrieb genommen wird, können
mit einer sehr geringen Menge an Getter Gase aus dem Kathodenraum entfernt
werden. Danach kommt dennoch Gas in den Kathodenraum, und zwar von
den anderen Teilen der Röhre,
aber dies kann mit Hilfe eines Getters auf den Wänden des Elektronenstrahlerzeugungssystems begrenzt
werden. Dies kann auf eine sehr effiziente Art und Weise erfolgen,
wenn die Öffnungen
in dem Kathodenraum wenigstens eine der nachfolgenden Bedingungen
erfüllen:
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- – die Öffnung ist "außer Sicht" der Kathode. Dies
bedeutet, dass zwischen der Öffnung
und der Kathode keine gerade Linie gezogen werden kann. Ein Gasmolekül muss dann
zunächst
auf eine Wand treffen, wenn es die Kathode erreichen möchte. Wenn
diese Wand mit einem Getter versehen ist, wird das Molekül bestimmt
eingefangen.
- – Die
Mittel umfassen Mittel zum Reduzieren des Abstandes zwischen dem
ersten und dem zweiten Gitter, wodurch eine Öffnung (40) zwischen
dem ersten und dem zweiten Gitter gebildet wird mit einer Länge (1),
die wenigstens zweimal größer ist
als der Abstand (d). Es gibt eine geringe Gefahr, dass
ein Gasmolekül
durch eine derartige Öffnung
geht, ohne dass es mit einer Wand zusammenstößt. Dadurch diffundiert je
Zeiteinheit nur eine geringe Menge an Gas durch diese Öffnung.
Wenn die Wände
mit einem Getter bedeckt sind, werden praktisch all diese wenigen
Gasmoleküle,
die hindurch gelangen, von dem Getter abgefangen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schnitt durch eine Wiedergabeanordnung,
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2 einen
schematischen Schnitt durch ein Elektronenstrahlerzeugungssystem,
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3 einen
schematischen Schnitt durch einen Teil eines herkömmlichen
Elektronenstrahlerzeugungssystems einer Wiedergabeanordnung, das
mit Halbleiterkathoden versehen ist,
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4 einen
schematischen Schnitt durch einen Teil eines Elektronenstrahlerzeugungssystems einer
Wiedergabeanordnung nach der vorliegenden Erfindung, das mit Halbleiterkathoden
versehen ist.
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1 ist
ein schematischer Schnitt durch eine Wiedergabeanordnung. Ein Gehäuse 1 bietet eine
Elektronenstrahlröhre 2 Unterkunft.
Die Elektronenstrahlröhre 2 hat
eine Glashülle,
die aus einem Schirm 3 und einem Kegel 4 besteht.
Das Bezugszeichen 5 bezeichnet den Hals. Die Glashülle enthält ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 6 und
einen Phosphorschirm 7. Ablenkspulen 8 sind um
die Elektronenstrahlröhre
vorgesehen. Wenn die Anordnung aktiv ist, emittiert das Elektronenstrahlerzeugungssystem 6 Elektronen,
die gewünschtenfalls
durch die Ablenkspulen 8 abgelenkt werden, wonach diese Elektronen
an dem gewünschten
Punkt auf dem Phosphorschirm 7 landen. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem
enthält
eine oder mehrere (nicht dargestellte) Kathoden. Beim Betreiben
einer Farbwiedergabeanordnung werden mit Hilfe eines Elektronenstrahlerzeugungssystems
mit drei einzelnen Kathoden drei Elektronenstrahlen erzeugt. Das
Bezugszeichen 9 bezeichnet diese drei Elektronenstrahlen.
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2 ist
ein schematischer Schnitt durch ein Elektronenstrahlerzeugungssystem.
Ein Elektronenstrahlerzeugungssystem emittiert Elektronenstrahlen in
Richtung des Schirms der Wiedergabeanordnung. Ein derartiges Elektronenstrahlerzeugungssystem umfasst
eine Anzahl aufeinander folgend vorgesehener elektrostatischer Gitter 10, 11, 12, 13.
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Das erste Gitter, das G1, 10 hat
eine Schürze 14 mit
einer oder mehreren (nicht dargestellten) Kathoden. Die Gitter sind
mit Bügeln 15, 15', 15'', 15''', 15'''' versehen. Die
Bügel der
elektrostatischen Gitter werden während des Fertigungsprozesses
in Glasstäbe 17 gepresst
worden, indem diese Stäbe
noch weich sind. Nach Abkühlung
der Stäbe 17 werden
die Gitter 10, 11, 12, 13 positioniert
und gegenüber
einander fixiert.
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3 ist
ein schematischer Schnitt durch einen Teil eines Elektronenstrahlerzeugungssystems in
einer Wiedergabeanordnung, versehen mit Halbleiterkathoden. Ein
Träger 31 wird
mit einer Schicht aus einem Elektronen emittierenden Material 30
versehen. Der Träger 31 wird
mit Hilfe von Laschen 32 an dem ersten Gitter (G1) 33 befestigt.
Das erste Gitter (G1) 33 hat eine Öffnung 34, durch die
Elektronen, die im Betrieb von der Kathode emittiert werden, ihren
Weg zu dem weiteren Gittersystem des Elektronenstrahlerzeugungssystems
finden. Das erste Gitter 33 hat eine Schürze 35 und
Bügel 36, 36'. Das zweite
Gitter (G2) 42 liegt nahe bei dem ersten Gitter 33.
Das zweite Gitter hat ebenfalls eine Öffnung 37 und Bügel 38, 38'. Die Elektronenemission
von der Schicht 30 wird durch ein Material ermöglicht,
das die Arbeitsfunktion verringert und auf der Schicht 30 vorgesehen
ist. Dieses Material ist oft Zäsium.
Ein oft auftretendes Problem ist, dass dafür gesorgt werden muss, das
kein Zäsium
verloren geht. Eine wichtige Ursache des Zäsiumverlustes ist Oxidation.
Die Oxidation wird durch Gasteilchen verursacht, insbesondere durch
sauerstoffhaltige Moleküle,
welche die Elektronen emittierende Schicht 30 durch die Öffnung 39 der
Schürze
und durch die Öffnung 40 zwischen
dem ersten Gitter 33 und dem zweiten Gitter 36 erreichen.
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Die Oxidation kann weitgehend dadurch
begrenzt werden, dass oxidierende Gasteilchen mit Hilfe eines Getters
abgefangen werden. Dies kann auf effiziente Art und Weise dadurch
erfolgen, dass für das
Elektronenstrahlerzeugungssystem eine spezielle Geometrie gewählt wird.
Die beiden Maßnahmen bilden
einen Teil der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein schematischer Schnitt durch einen Teil eines Elektronenstrahlerzeugungssystems einer
Wiedergabeanordnung nach der vorliegenden Erfindung, versehen mit
Halbleiterkathoden.
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Während
der Herstellung wird eine Elektronenstrahlröhre evakuiert und abgedichtet.
Dennoch bleiben Gasmoleküle
zurück.
Ein Totalvakuum kann nicht verwirklicht werden. Nebst diesen Restmolekülen kommt
auch Gas von den Wänden
der Glashülle und von
den Bauteilen frei, die sich innerhalb der Glashülle befinden. Diese Restgase
greifen die Oberfläche
der Kathode(n) an. Dazu sind Korrekturmittel entwickelt worden.
Bei thermisch emittierenden Kathoden wird die obere Schicht des
die Arbeitsfunktion verringernden Materials innerhalb der ganzen Lebensdauer
der Elektronenstrahlröhre
nachgeliefert. Bei der Herstellung von Elektronenstrahlröhren wird
ein maximaler Enddruck eingehalten, bei dem die verwendeten thermisch
emittierenden Kathoden dennoch ihren Effekt mit diesen Korrekturmittel
beibehalten.
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Auch wird bei einer Halbleiterkathode
das die Arbeitsfunktion verringernde Material durch Oxidation von
Restgasen angegriffen. Verzicht auf eine Halbleiterkathode ist aber
unmöglich.
Folglich werden, wenn ein Elektronenstrahlerzeugungssystem mit Halbleiterkathoden
in Standard-Elektronenstrahlröhren
eingebaut wird, diese Elektronenstrahlröhren nicht die gewünschte Lebensdauer
aufweisen.
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Dieses Problem kann dadurch gelöst werden,
dass ein spezielles Elektronenstrahlerzeugungssystem benutzt wird,
in dem nach dem Einbauen in eine Elektronenstrahlröhre der
partielle Gasdruck der oxidierenden Restgase in der Nähe der Halbleiterkathoden
niedriger gehalten werden kann als in anderen Teilen der Röhre. Dies
ist möglich,
weil der Kathodenraum im Vergleich zu den anderen Teilen der Röhre klein
ist. Wenn oxidierende Restgase mit Hilfe eines Getters aus dem Kathodenraum
entfernt worden sind, nachdem die Röhre in Betrieb gesetzt worden
ist, kann der dann erhaltene niedrigere partielle Gasdruck für diese
Gase eingehalten werden. Dies wird dadurch effektuiert, dass eintreffende oxidierende
Gasmoleküle
mit Hilfe des Getters eingefangen werden. Dies kann beispielsweise
Barium sein, ein Getter für
sauerstoffhaltige Gase. Wenn ein Getterteilchen ein Gasteilchen
fängt,
bindet dieses Teilchen sich daran und kann kein weiteres Teilchen "einfangen". Es ist folglich
wichtig, die Rate des eintreffenden Gases zu begrenzen, so dass
das Getter dann einen längere
Lebensdauer hat. Es ist ebenfalls wichtig, dass Gasteilchen die
Kathode nicht auf einfache Weise direkt erreichen können, sondern
dass sie vorzugsweise zunächst
auf eine Wand treffen. Dann können
sie dadurch entfernt werden, dass auf dieser Wand ein Getter vorgesehen
wird.
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Insbesondere werden die nachfolgenden zwei
Schritte durchgeführt
um Gasteilchen von den Kathoden entfernt zu halten:
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- – Während der
Herstellung wird in dem Elektronenstrahlerzeugungssystem ein Getter
(vorzugsweise Barium) zerstäubt,
wobei dieses Getter auf der Wand der Schürze 35 und auf dem
G1 33 und auf dem unteren Rand von G2 42 vorgesehen
wird. Die Getterablagerung ist durch das Bezugszeichen 41 angegeben.
Gasmoleküle,
die durch die Öffnung 39 in
der Schürze 35 aus
der Richtung der Basis der Röhre eintreffen,
werden wenigstens einmal auf eine Wand treffen, bevor sie eine Kathodenfläche erreichen
können.
Ein Beispiel einer derartigen Strecke ist mit Hilfe einer gestrichelten
Linie angegeben. Beim Auftreffen werden sie durch das Gettermaterial
eingefangen.
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G2 42 ist mit einer einwärts gefalteten Schürze 43 versehen.
Gasmoleküle,
die durch die Öffnung 40 zwischen
dem G1 und dem G2 eintreffen, sollen dann zunächst durch eine lange schmale
Verengung 44 hindurch gehen. Nur Moleküle, die sich im Wesentlichen
parallel zu der Achse der Verengung erstrecken, können ohne
Auftreffen auf die Wand der Verengung hindurch gehen. Die meisten
Gasmoleküle
werden aber auf die Wand der Verengung treffen und von dem Gettermaterial
auf dieser Verengung eingefangen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich folglich auf eine Elektronenstrahlröhre mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem,
das derart konstruiert worden ist, dass der Gasdruck in der Nähe der Elektronen
emittierenden Schicht 30 der Kathode niedriger ist als
in dem restlichen Teil der Röhre.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Abstand d zwischen
dem G1 33 und dem G2 36 reduziert wird, indem
das G2 36 beispielsweise mit einer Schürze 43 versehen wird.
Die Wand der Schürze,
das G1 und das G2 können
auch teilweise mit einem Getter 41 versehen werden. Der
Abstand d von der Öffnung 40 ist
vorzugsweise kleiner als die halbe Länge 1 der Öffnung 40 (1 ≥ 2d).