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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronenquelle, welche ein
Extraktionsgitter umfasst und in einer Anzeigeeinheit benutzt wird,
und insbesondere eine Elektronenquelle zur Verwendung in einer matrixadressierten
Elektronenstrahl-Anzeigevorrichtung.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Elektronenquellen
sind besonders, wenn auch nicht ausschließlich, geeignet für Anzeigevorrichtungs-Anwendungen,
insbesondere für
Flachbildschirm-Anwendungen. Bei solchen Anwendungen handelt es
sich z. B. um Fernsehempfangsgeräte
und um visuelle Anzeigeeinheiten für Computer, insbesondere, aber
nicht ausschließlich,
für tragbare
Computer, elektronische Terminkalender, Kommunikationsgeräte und Ähnliches.
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Die
UK-Patentanmeldung 2 304 981 offenbart
eine Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung,
welche als Elektronenquelle eine Kathode zum Emittieren von Elektronen
aufweist, einen Permanentmagneten mit einem zweidimensionalen Feld
von Kanälen,
welche sich zwischen gegenüberliegenden
Polen des Magneten erstrecken, wobei die Richtung der Magnetisierung
von der Fläche,
die der Kathode gegenüberliegt,
zur gegenüberliegenden
Fläche
verläuft. Der
Magnet erzeugt in jedem Kanal ein magnetisches Feld, um Elektronen
aus dem Kathodenmittel zu einem Elektronenstrahl zu formen. Die
Anzeigevorrichtung weist auch einen Bildschirm zur Aufnahme eines
Elektronenstrahls aus jedem Kanal auf. Der Bildschirm weist eine
Phosphorbeschichtung auf, welche der Seite des Magneten gegenüberliegt,
die von der Kathode entfernt ist, wobei die Phosphorbeschichtung
mehrere Streifen je Spalte umfasst und jeder Streifen einem anderen
Kanal entspricht. Flachbildschirm-Einheiten, die auf einer magnetischen
Matrix basieren, werden hier im Folgenden als Magnetmatrix-Anzeigevorrichtungen
bezeichnet.
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In
einem System mit entfernter virtueller Kathode, welches als Kathode
in einer Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung verwendet wird, wird ein
Netz oder Gitter in Nachbarschaft der physischen Kathode (der Elektronenquelle)
verwendet, um mittels eines positiven Potenzials auf dem Gitter
bezüglich
des Potenzials der physischen Kathode Elektronen aus der lokalen
virtuellen Kathode (der Raumladungswolke vor der physischen Kathode)
zu extrahieren. Das virtuelle Kathodenpotenzial liegt auf Grund
der Gegenwart einer beträchtlichen
Anzahl negativ geladener Elektronen – der Raumladungswolke – geringfügig unterhalb
dem Potenzial der physischen Kathode, und die virtuelle Kathode
befindet sich typischerweise einige zehn Mikrometer vor der physischen
Kathode. Child's Gesetz
- j
- = Stromdichte
- z
- steht für die Ladung
auf dem Teilchen
- V
- steht für die Beschleunigungsspannung
- m
- steht für die Ruhemasse
des Teilchens
- d
- steht für den Beschleunigungsspalt
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Bei
dem Child'schen
Gesetz handelt es sich um eine empirisch ermittelte Beziehung, welche
unter Anderem die Stromdichte, die Extraktionsspannung und die Entfernung
zwischen dem Extraktionsgitter und der physischen Kathode miteinander
in Beziehung setzt. Man beachte, dass es sich bei dem Child'schen Gesetz nur
um ein eindimensionales Modell handelt. Veränderungen in der Entfernung
zwischen dem Extraktionsgitter und der Elektronenquelle führen zu
Veränderungen
der Stromdichte, welche aus der virtuellen Kathode extrahiert werden
kann, und führen
somit zu einer Uneinheitlichkeit der Leuchtdichte in einer Anzeigevorrichtung,
welche ein solches System verwendet.
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Ein
zweites Problem, welches in einer entfernten virtuellen Kathode
angegangen werden muss, ist der Wirkungsgrad des Systems. Einige Elektronen
stoßen
mit dem Extraktionsgitter zusammen. Der Prozentsatz der Elektronen,
die dies tun, kann in einer ersten Annäherung durch das „Öffnungsverhältnis" des Gitters herausgefunden
werden. Wenn das Gitter zum Beispiel durch 10 μm breite Drähte auf 250-μm-Zentren
gebildet wird, beträgt das
Verhältnis
der „offenen" Fläche zur
Gesamtfläche
2402/2502 = 92,16%.
Mit anderen Worten stoßen 7,84%
der extrahierten Elektronen mit dem Gitter zusammen, nachdem sie
die virtuelle Kathode verlassen, und tragen nicht zu der entfernten
virtuellen Kathode bei.
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Das
bevorzugte System mit entfernter virtueller Kathode arbeitet so,
dass den Elektronen ermöglicht
wird, kontinuierlich durch das Extraktionsgitter hindurch zu oszillieren.
Das Extraktionsgitter befindet sich auf einem positiven Potenzial
bezüglich der
physischen Kathode und der entfernten virtuellen Kathode. Jedes
Mal, wenn ein einzelnes Elektron durch das Extraktionsgitter gelangt,
besteht für
das obige beispielhafte Quadratmaschengitter eine Wahrscheinlichkeit
von 7,84%, dass es mit dem Gitter zusammenstößt und „verloren" wird.
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Deswegen
ist es besonders wünschenswert, dass
das Extraktionsgitter die größtmögliche Durchlässigkeit
aufweist, um einen hohen Wirkungsgrad zu behalten.
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Ein
dritter Effekt, der sich in einem System mit entfernter virtueller
Kathode zeigt, ist die Wechselwirkung zwischen der X-Y-Öffnungsstruktur
der Pixel in der Anzeigevorrichtung und der X-Y-Struktur des Extraktionsgitters.
Wenn die beiden dicht (aber nicht perfekt) aufeinander ausgerichtet
sind, kann ein Effekt auftreten, welcher der Moiré-Streifenbildung ähnelt. Dies
führt zu
Leuchtdichten-Einheitlichkeitsproblemen über die Fläche der Anzeigevorrichtung.
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Für eine erfolgreiche
Verwirklichung eines Systems mit entfernter virtueller Kathode müssen die folgenden
Probleme gelöst
werden:
- 1) Bewahren einer konstanten Entfernung
zwischen der Elektronenquelle und dem Extraktionsgitter. Diese,
verbunden mit einer konstanten Extraktionsspannung, stellt eine
Extraktionsstromdichte sicher, welche mit den Emissionseigenschaften
der Kathode im Einklang steht. (Sie gleicht nicht Emissionsuneinheitlichkeiten
auf der physischen Kathodenfläche
aus, welche durch einen Ausgleich des Potenzials der lokalen virtuellen
Kathode aufgrund von Raumladungseffekten darin vermindert werden
können.)
- 2) Versehen des Extraktionsgitters mit einem ausreichenden Öffnungsverhältnis, um
den gewünschten
Wirkungsgrad zu erzielen.
- 3) Sicherstellen, dass keine Interferenzeffekte zwischen der
Pixelfeldstruktur und dem Extraktionsgitter auftreten.
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Offenbarung der Erfindung
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Dementsprechend
stellt die Erfindung eine Elektronenquelle bereit, wie sie im Patentanspruch
1 definiert ist.
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Vorzugsweise
umfasst die Elektronenquelle ferner einen Permanentmagneten, welcher
durch mehrere Kanäle
durchstoßen
wird, die sich zwischen gegenüberliegenden
Polen des Magneten erstrecken, wobei jeder Kanal Elektronen, welche
aus dem Kathodenmittel aufgenommen werden, zu einem Elektronenstrahl
formt, um diese zu einem Ziel zu leiten.
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In
einer ersten Ausführungsform
entspricht jede der mehreren Öffnungen
in dem Extraktionsgitter einem der mehreren Kanäle in dem Permanentmagneten.
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In
einer zweiten Ausführungsform
entspricht jede der mehreren Öffnungen
in dem Extraktionsgitter mehreren der mehreren Kanäle in dem
Permanentmagneten.
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Vorzugsweise
umfasst das Extraktionsgitter ferner einen Rahmen, welcher sich
am Umfang des Extraktionsgitters befindet, und das Extraktionsgitter ist
mittels mehrerer Isolierungselemente auf dem Rahmen angeordnet.
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Ferner
umfasst das Abstandselement vorzugsweise eine dielektrische Schicht,
welche das Abstandselement weitgehend bedeckt.
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Die
Erfindung stellt auch eine Anzeigeeinheit bereit, welche das Folgende
umfasst: eine Elektronenquelle wie oben beschrieben; einen Bildschirm zum
Aufnehmen von Elektronen aus der Elektronenquelle, wobei der Bildschirm
eine Phosphorbeschichtung aufweist, welche der Seite des Magneten
gegenüberliegt,
die von der Elektronenquelle entfernt ist; ein Gitterelektrodenmittel,
welches zwischen der Elektronenquelle und dem Magneten angeordnet
ist, um den Fluss der Elektronen von der Elektronenquelle in jeden
Kanal zu steuern; ein Anodenmittel, welches auf der Fläche des
Magneten angeordnet ist, die von der Elektronenquelle entfernt ist,
um die Elektronen durch die Kanäle
hindurch zu beschleunigen; und ein Mittel zum Übermitteln von Steuersignalen
an das Steuergitterelektroden-Mittel und das Anodenmittel, um den
Elektronenfluss von der Elektronenquelle zu der Phosphorbeschichtung über die
Kanäle selektiv
zu steuern und dadurch ein Bild auf dem Bildschirm zu erzeugen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
werden nun beispielhaft Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1 ein
schematisches Diagramm einer Kathode und eines Extraktionsgitters
ist, welches in einer Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung verwendet wird;
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2 ein
beispielhaftes Muster für
ein Extraktionsgitter gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 einen
Querschnitt entlang der Schnittlinie 3-3 durch das Extraktionsgitter
der 2 zeigt;
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4 einen
Querschnitt entlang der Schnittlinie 4-4 durch das Extraktionsgitter
der 2 zeigt;
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5 ein
beispielhaftes Muster für
ein Extraktionsgitter gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 das
Extraktionsgitter der 2 oder 5 auf einem
Rahmen befestigt zeigt;
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7 das
Extraktionsgitter der 2 oder 5 zeigt,
welches über
einen keramischen Isolierungssockel gebogen ist;
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8 ein
beispielhaftes Muster für
ein Extraktionsgitter gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt; und
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9 einen
Querschnitt entlang der Schnittlinie 9-9 durch das Extraktionsgitter
der 8 zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird für die Herstellung des Extraktionsgitters
vorzugsweise dasselbe Herstellungsverfahren benutzt, mit welchem auch
die Magnetstruktur in der Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung (MMA)
gebildet wird. Dies beinhaltet ein Ätzverfahren, um ungewünschte Bereiche
eines Edelstahlblechs zu entfernen.
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1 zeigt
die Elektronenquelle 100 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Elektronenquellensubstrat 102 weist
ein Kathodenmaterial 103 auf, welches auf einer Fläche angeordnet
ist, die einem Extraktionsgitter 104 mit den Öffnungen 106 gegenüberliegt.
Ebenfalls ist in 1 eine erste Gruppe von Steuergittern 108 in
Form von Streifen 109 dargestellt, welche eine Öffnung 110 entsprechend
jedem Pixel der Anzeigevorrichtung aufweisen. Beim Betrieb der Anzeigevorrichtung
wird die Kathode 103 auf einem Bezugspotenzial gehalten,
das Extraktionsgitter 104 befindet sich bezüglich der
Kathode auf einem positiven Potenzial, und das Steuergitter 108 wird
bezüglich
der Kathode auf einem negativen Potenzial gehalten. Da sich das Extraktionsgitter 104 bezüglich der
Kathode auf einem positiven Potenzial befindet, werden die emittierten Elektronen
dann ungeachtet ihrer anfänglichen
Richtung schnell in Richtung des Extraktionsgitters 104 beschleunigt.
Davon ausgehend, dass die anfängliche
Energie der Elektronen gering ist (höchstens wenige eV) und dass
sich das Extraktionsgitter 104 auf einem Potenzial von
einigen zehn Volt befindet, kann in einer ersten Annäherung angenommen
werden, dass die Elektronen in einem rechten Einfallswinkel auf
das Extraktionsgitter 104 treffen. Daher entspricht die
Durchlässigkeit
des Extraktionsgitters 104 ungefähr dem Verhältnis der „offenen" Fläche
zur Gesamtfläche.
Dieser Betrag ist typischerweise größer als 90%, und somit gelangen
mehr als 90% der Elektronen durch das Gitter hindurch.
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Ein
Vorteil der Verwendung eines Extraktionsgitters 104 ist
es, dass die Entfernung zwischen der physischen Kathode und der
entfernten virtuellen Kathode, von wo die Elektronen emittiert zu
werden scheinen, mit einem Extraktionsgitter 104 um ein Vielfaches
größer ist
als für
eine normale Kathode ohne ein Extraktionsgitter 104. Mit
der Verwendung eines Extraktionsgitters 104 kann die Trennung
mehrere mm betragen. Ohne ein Extraktionsgitter 104 beträgt die Trennung
typischerweise weniger als 50 μm. Diese
erhöhte
Trennung bedeutet, dass die seitliche Komponente der Elektronenbewegung über die
Kathodenfläche
nun eine Richtung auf eine Einheitlichkeit der Gesamtkathode aufweist,
weil jede Kathoden-„Struktur", die zu Uneinheitlichkeiten
der Emission führt,
gewöhnlich
unscharf wird. Das Magnetfeld von dem Magneten in einer Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung
verändert
ferner auch die Elektronenbewegungsbahnen, insbesondere an der entfernten
virtuellen Kathode, wo das Magnetfeld am stärksten ist und die Elektronen
die geringste Geschwindigkeit senkrecht zur Ebene der Fläche der
entfernten virtuellen Kathode aufweisen.
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2 zeigt
ein beispielhaftes Muster für
eine erste Ausführungsform
eines Extraktionsgitters gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Extraktionsgitter kann aus einem Material wie Edelstahl
hergestellt sein und ist typischerweise 50 μm dick. Um den Umfang des Extraktionsgitters
herum befindet sich ein Rahmen 202 zur mechanischen Anordnung
und Unterstützung
des Extraktionsgitters. Fast alle der Zonen 204 des Gitters
weisen ein in die Zone geätztes Quadrat
auf. Eine kleine Anzahl der Zonen 206 des Gitters weist
statt dem vollständigen
Quadrat eine geätzte „U"-Form auf. Bei dem
Herstellungsverfahren handelt es sich typischerweise um ein wohlbekanntes
existierendes Verfahren des Standes der Technik, welches Schritte
des Reinigens, des Beschichtens mit Resist, des Belichtens, des Ätzens und
des Reinigens beinhaltet.
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3 zeigt
einen Querschnitt 3-3 durch das Extraktionsgitter der 2,
wobei nach dem Ätzen die
in den Zonen 206 gebildeten Laschen durch einen mechanischen
Formvorgang um 90 Grad gebogen werden, wodurch das Extraktionsgitter
aus einer im Wesentlichen zweidimensionalen Struktur in eine dreidimensionale
Struktur umgewandelt wird. Die Laschen werden benutzt, um für das Extraktionsgitter einen
genauen Abstand von dem Kathodensubstrat zu erhalten. 4 zeigt
einen Querschnitt 4-4 durch das Extraktionsgitter der 2. 2 zeigt
eine quadratische Lasche, welche durch das „U"-förmige Ätzen umfasst
wird, es kann jedoch statt eines quadratischen Profils jedes gewünschte Profil
verwendet werden.
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In 2 betragen
die Abmessungen 208 und 210 der Öffnungen
in dem Extraktionsgitter 240 μm,
und die Abmessungen der Abstände
zwischen den Öffnungen
betragen 10 μm.
Diese Abmessungen führen
zu einem Öffnungsgitter
mit einer Teilung von 250 μm
und begrenzen den maximal erhältlichen
Abstand, welcher durch die gefalteten Laschen gebildet wird, auf
die Öffnungsbreite
(240 μm)
minus der Ätzbreite
(10 μm),
was 230 μm
ergibt. Die Lasche selbst weist eine Größe von 240 μm mal 230 μm auf.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann ein größerer Abstand erreicht werden
als die Abmessung einer einzelnen Öffnung, wie in 5 dargestellt. 5 zeigt
eine Extraktionsgitteröffnung
für je
vier Pixel 516 (in der Figur als schwarze Kreise dargestellt)
auf dem Anzeigebildschirm. In 5 betragen
die Abmessungen 508 und 510 der Öffnungen
in dem Extraktionsgitter 490 μm, und
die Abmessungen der Abstände
zwischen den Öffnungen
betragen 10 μm.
Diese Abmessungen führen
zu einem Öffnungsgitter
mit einer Teilung von 500 μm
und begrenzen den maximal erhältlichen
Abstand, welcher durch die gefalteten Laschen gebildet wird, auf
die Öffnungsbreite
von 490 μm.
Der Abstandhalter in dieser Figur ist länger (480 μm) und weist ein schmaleres
Profil auf als derjenige der 2. Die vergrößerte Länge liegt
an der größeren Öffnungsgröße, das
schmalere Profil dient der Veranschaulichung eines anderen Profils,
welches benutzt werden kann. Ein Profil wie jenes der 2,
wo der Abstandhalter die gleiche Breite aufweist wie die Öffnungsgröße, kann
in dieser Ausführungsform
ebenfalls benutzt werden, ebenso wie andere Geometrien, andere Abstandhaltergrößen und
Entfernungen. Obwohl eine Extraktionsgitteröffnung für je vier Pixel beschrieben
worden ist, können
auch andere Pixelzahlen verwendet werden, einschließlich Anwendungen,
welche rechteckig statt quadratisch sind.
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Da
das Extraktionsgitter geätzt
wird, kann es eine äußerst enge
zulässige
Abweichung aufweisen. Dies löst
das Problem der Bewahrung einer konstanten Entfernung zwischen der
Elektronenquelle und dem Extraktionsgitter. Die kleinen Abmessungen,
mit denen es möglich
ist, die Drähte
des Extraktionsgitters zu erzeugen, helfen sicherzustellen, dass
das Extraktionsgitter ein ausreichendes Öffnungsverhältnis aufweist, um den gewünschten
Wirkungsgrad zu erzielen. Besonders wichtig ist es, dass das Extraktionsgitter
der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann, um sicherzustellen,
dass es keine Interferenzprobleme gibt, die durch den Abstand der Öffnungen in
dem Extraktionsgitter und den Abstand der Öffnungen in dem Magneten verursacht
werden, indem die Magnet- und Pixelöffnungen genau aufeinander
ausgerichtet werden, so dass mögliche
Interferenzprobleme zwischen dem Abstand der Öffnungen in dem Extraktionsgitter
und dem Abstand der Öffnungen
in dem Magneten, der in der Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung benutzt
wird, vermieden werden.
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6 zeigt
eine Darstellung des vollständigen
Extraktionsgitters 600 für die Anzeigevorrichtung, welches
auf einem materiellen Rahmen 602 befestigt ist. Während der
Herstellung dieser Gitter/Rahmen-Baugruppe wird das Gitter 604 zuerst
erhitzt, um eine Ausdehnung des Metalls zu bewirken, aus welchem
das Gitter gebildet ist. Während
das Gitter 604 heiß ist,
wird es auf dem Rahmen 602 befestigt, so dass, wenn es
abkühlt,
die thermische Kontraktion des Gitters 604 bewirkt, dass
das Gitter 604 über
seine Fläche
hinweg in Spannung gezogen wird.
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Wenn
der Rahmen 602 von dem Gitter 604 elektrisch isoliert
werden soll, kann das Gitter 604 durch Anwendung vielfältiger existierender
Verfahren befestigt werden, vorausgesetzt, sie sind vakuumverträglich. Es
können
zum Beispiel Keramikstifte in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen um den
Umfang des Gitters herum benutzt werden, um für die erforderliche elektrische
Isolierung zu sorgen, wie durch die kreisförmigen Haltepunkte 606 in 6 dargestellt. 7 zeigt
eine Variation der bevorzugten Ausführungsform, in welcher Keramikleisten 702 auf
dem Rahmen 602 befestigt sind, über welche das Gitter angeordnet
wird, während
es heiß ist,
wie im Querschnitt in 7 dargestellt.
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8 zeigt
eine Variation der Ausführungsform
der Erfindung, welche in 2 bis 4 dargestellt
ist, in welcher durch den mechanischen Formvorgang die Nasen 806, 807 in
beide Richtungen gebogen werden, so dass eine Struktur gebildet
wird, welche verwendet werden kann, um zwei andere Platten entfernt
zu halten, eine auf jeder Seite des Extraktionsgitters 800. 9 zeigt
einen Querschnitt 9-9 durch das Extraktionsgitter der 8.
Ein Beispiel, bei welchem diese Variation der dargestellten Ausführungsform
angewendet werden kann, ist die Trennung der Magnetplatte und der
Rückwand
einer Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung.
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In
einer möglichen
Variation der vorliegenden Erfindung, abgebildet in 9,
trägt eine
dielektrische Schicht 918 über den metallischen Laschen dazu
bei, die Störung
eines elektrostatischen Feldes zu verringern, welches durch die
Gegenwart des Leiters verursacht wird. Obwohl sie in 9 abgebildet ist,
ist eine solche dielektrische Schicht für die Ausführungsform der 9 nicht
unbedingt erforderlich, welche auch ohne eine solche Schicht angewendet werden
kann. Außerdem
kann die dielektrische Schicht auch mit den Ausführungsformen der 2 bis 4 verwendet
werden. In einem System mit entfernter virtueller Kathode, wie oben
beschrieben, liegen mindestens drei unterschiedliche Potenziale vor – die physische
Kathode, das Extraktionsgitter und die Ebene, die verwendet wird,
um die Elektronen umzulenken, nachdem sie durch das Gitter hindurch
gelangen, also um die entfernte virtuelle Kathode zu bilden. In
einer Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung werden dies typischerweise
die G1-Leiter sein. Diese verschiedenen Spannungen sollten nicht durch
das Extraktionsgitter zusammengeschaltet werden. Um dies sicherzustellen
und die Verwendung diskreter Isolierungen zu vermeiden, können die
gebogenen Nasen in einem Keramik- oder Glasmaterial beschichtet
werden, welches dann gebrannt wird. Obwohl die Fläche, über welche
das Gitter tatsächlich
unterstützt
wird, klein ist und die Dicke der Glas- oder Keramikschicht gering
ist, ist sein Anwendungsmodus ideal für das Material – höchste mechanische
Festigkeit unter Kompression und gute elektrische Durchschlageigenschaften.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Magnetmatrix-Anzeigevorrichtung
beschrieben wurde, kann eine Elektronenquelle, welche ein Extraktionsgitter
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst, in jedem Flachbildschirm verwendet werden.
