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Anordnung zur Erzeugung eines Bildpunktes in intensitätsgesteuerten
Hochvaküumkathodenstrahlröhren . Bei Braunschen Röhren mit Helligkeitssteuerung.
wird die Steuerspannung normalerweise an den Wehneltzylinder angelegt. Dieses Verfahren
hat sich wegen seiner Einfachheit und des verhältnismäßig geringen Steuerspannungsbedarfs
allgemeindurchgesetzt. Es besitzt jedoch eine Reihe von Nachteilen, die bisher unbedenklich
in Kauf genorrimen wurden, die aber bei der Weiterentwicklung des Fernsehens und
dem- Übergang zu höheren Zeilenzahlen immer schwerer ins Gewicht fallen. Der erste
Nachteil liegt darin, daß bei der Wehneltsteuerung praktisch nur ein runder Lichtfleck
auf dem Schirm erhalten werden kann. Um innerhalb einer Bildzeile quer zur Zeile
überall die gleiche Leuchtdichte zu erhalten, ist aber ein rechteckiger, insbesondere
quadratischer Leuchtfleck erwünscht. Zweitens ist die Größe des Leuchtfleckes nicht
konstant, sondern sie schwankt im Rhythmus der Helligkeit. Ein hellerer Leuchtfleck
besitzt auch stets einen größeren Durchmesser. Dies kommt dadurch zustande, daß
der zur Emission herangezogene Bereich auf der Kathode und das vor .der Kathode
liegende Querschnittsminimum des Strahls, das als Bildpunkt auf den Schirm abgebildet
wird, ihren Durchmesser mit der Wehneltspannung ändern. Infolgedessen tritt bei
Fernsehbildern stets ein störendes Zeilenraster auf. Verwendet man aber von vornherein
einen breiteren Fleck, dessen Druchmesser also größer ist als der Zeilenabstand,
so wird das Bild unscharf. Als letzter Nachteil der Wehneltsteuerung ist die Intensitätsverteilung
innerhalb des Leuchtfleckes zu nennen, die durch eine etwa. glockenförmige Kurve
wiedergegeben werden kann. Das bedeutet, ,daß der Fleck in seiner Mitte eine Helligkeit
besitzt, die weitaus größer ist als am Rand, und daß der Helligkeitsabfall zum Rand
verhältnismäßig flach ist, so daß.die Grenzen des Lichtflecks verschwommen erscheinen:
Um aber die Vorteile, die mit einem rechteckigen
Leuchtfleck erzielt
werden können, voll auszunutzen, ist es erforderlich, daß dieser in sich überall
die gleiche, am Ende so steil wie möglich abfallende Intensität besitzt.
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Um einen scharf begrenzten Leuchtfleck bestimmter Form zu erhalten,
ist es bekannt, statt der Kathode oder des ihr vorgelagerten Ouerschnittminimums
eine enge Blende :der gewünschten Form mit Elektronen auszuleuchten und als Bild
auf den Schirm abzubilden. Auf diesem Wege lassen sich zwar die geschilderten Nachteile
zum Teil vermeiden, es treten jedoch neue Schwierigkeiten dadurch auf, daß diese
Blende kleiner als der Strahlquerschnitt in der Blendenebene sein und überdies in
der Regeleine positive Vorspannung erhalten muß. Infolgedessen geht auf der Blende
stets ein Teil der Emission verloren. Außerdem können an .der Blende Sekundärelektronen
ausgelöst werden, die im weiteren Strahlengang sehr stören. Es kommt hinzu, daß
bei der Blendenabbil.dung in Verbindung mit der normalen Wehneltsteuerung bei sehr
kleinen: Strahlströmen doch wieder die Gefahr besteht, daß die Blendenöffnung nicht
voll ausgeleuchtet ist, so daß der Fleckdurchmesser nicht mehr -konstant bleibt.
Dies läßt sich zwar durch Anwendung einer Konzentrationssteuerung beheben, jedoch
nur unter Inkaufnahme eines anderen Nachteils, nämlich daß eine Steuerung bis auf
die Stromstärke Null herunter nicht mehr möglich ist. Ähnliche Verhältnisse liegen
auch bei einer bekannten Anordnung vor, bei der die Öff-
nung der Steuerelektrode
von einem Querdraht überspannt ist, um das Zusammenschrumpfen des Flecks bei kleinen
Strömen zu vermeiden. Hierbei wird der Strahlquerschnitt in der Steuerblendenebene
in zwei Teile aufgespalten, so daß auch bei kleinen Stromstärken noch zwei Teilstrahlenbündel
vorhanden sind. Das in dieser Weise aufgespaltene Bündel trifft .dann auf eine Blende,
deren Öffnung als Bildpunkt auf dem Schirm abgebildet wird. Da diese Blende aber
positiv vorgespannt ist, treten wieder die erwähnten Nachteile auf.
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Es ist-ferner eine Röhre mit Gasfüllung bekannt, bei der eine auf
Kathodenpotential befindliche Lochblende auf dem Schirm wiedergegeben wird. Dabei
wurde festgestellt, daß man durch die Form dieser Blende die Größe und die Gestalt
des Leuchtflecks in der Hand hat. Durch einen Versuch, bei dein an Stelle einer
einzigen Blende drei einander dicht benachbarte Löcher abgebildet wurden, wurde
diese Feststellung bestätigt. Eine. Steuerung -%y ird jedoch bei :dieser Anordnung
nicht vorgenommen.
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Die Erfindung gibt eine neue Lösung zur Intensitätssteuerung an, bei
der die Voizüge der normalen Wehneltsteuerung beibehalten werden, während andererseits
ein Bildpunkt beliebig vorgegebener Form und konstantbleibender Abmessungen erhalten
wird. Dies wird dadurch erreicht, daß zwischen Kathode und Anode im wesentlichen
parallel zur emittierenden Kathodenfläche eine auf in sich einheitlichem Potential
liegende, an die Steuerspannung angeschlossene, gegen die Kathode vorzugsweise negative
und zumindest in einer Dimension gitterartig unterteilte Blende angeordnet ist.
Die Gitterfläche ist dabei kleiner oder höchstens gleich der emittierenden Kathodenfläche.
Weiterhin sind das Blendengitfer und eine in Strahlrichtung hinter ihm liegende
Elektronenoptik so ausgebildet, daß ein im Bereich des Blendengitters liebender
Strahlquerschnitt derart auf dem Schirm abgebildet wird, daß das Bild trotz seiner
Struktur dem Beschauer als einheitlicher Bildpunkt erscheint.
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Intensitätsgesteuerte Braunsche Röhren mit einer gitterförmigen, auf
in sich einheitlichem Potential liegenden Steuerelektrode sind seit langem bekannt.
Dabei handelt es sich aber durchweg um Röhren mit Gasfüllung, bei denen andere elektronenoptische
Verhältnisse vorliegen. Bei einer Hochvakuumröhre mit unterteilter Steuerelektrode
ist eine elektronenoptische Abbildung eines im Beieich des Steuergitters liegenden
Strahlquerschnitts nicht vorgenommen worden.
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Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen finit Blendenabbildung führt
bei der erfindungsgemäßen Anordnung das Blendengitter in der Regel ein gegen die
Kathode negatives Potential. Es liegt in der Eigenart der beschriebenen Anordnung,
daß trotz ständig negativer Spannung Bildpunktforin und -größe praktisch konstant
bleiben, ohne daß dabei das Blendengitter von Elektronen getroffen wird.
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Die Erfindung ist nicht auf Braunsche Röhren mit Leuchtschirm beschränkt,
sondern kann bei allen intensitätsgesteuerten Röhren angewendet werden, wo es auf
einen auch bei Intensitätsschwankungen unverändert bleibenden Auftreffquerschnitt
bestimmter Form ankommt. Ein Beispiel hierfür sind Kathodenstrahlröhren zum Empfang
von Fernsehbildern, bei denen auf einem sogenannten Lichtsteuerschirm ein Ladungsbild
aufgezeichnet wird, welches die Lichtdurchlässigkeit von Punkt zu Punkt steuert.
Dieser Schirm kann dann mit Licht durebstralilt und als Diapositiv auf eine Betrachtungsfläche
abgebildet werden.
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Fig. r stellt als Ausführungsbeispiel einen Schnitt durch eine Steueranordnung
nach der Erfindung dar, Fig.2 und 3 zeigen einige Blendengitter stark vergrößert
in der Ansieht,
Fig: ¢ dient zur Erläuterung der Fleckgrößenschwankung,
während die F:ig. 5 und 6 schematisch Intensitätsverläufe darstellen.
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Bei dem System der Tig. i ist innerhalb eines Keramikröhrchens i die
Heizwendel,2 angeordnet. Das eine Ende der Röhre wird durch eine z. B. aus Nickel
bestehende Metallkappe 3 abgeschlossen, auf die die emissionsfähige Substanz q.
in Form eines z. B. runden oder quadratischen Belages möglichst gleichmäßiger Dicke
aufgebracht ist. 5 ist die -gitterartig unterteilte Steuerelektrode. Sie besteht
aus einem sehr dünnen Chromnickelblech, in dem (vgl. Fig. 2) eine Anzahl kleiner
Löcher, die zusammen ein Quadrat ergeben, vorgesehen sind. Eine das Gitter tragende
metallische Kappe 6 schirmt die Kathode gegen das Feld der (nicht dargestellten)
Anode ab. Sie kann zur Vorkonzentrierung des Strahlenbündels benutzt werden. Sie
wird dann zweckmäßig so ausgebildet, daß das elektrische Feld in der Nähe des Gitters
möglichst homogen ist. Das Gitter 5 bzw. ein in seinem Bereich sich ausbildender
enger Strahlquerschnitt wird mit bekannten Mitteln elektronenoptisch auf den Schirm
abgebildet. Beträgt der Durchmesser der einzelnen Gitteröffnungen beispielsweise
o,2 mm, so sind die den einzelnen Öffnungen entsprechenden Bildpunkte für das Auge
nicht mehr unterscheidbar. Es erscheint vielmehr ein gleichmäßig ausgeleuchtetes
Quadrat, welches als Ganzes den Leuchtfleck darstellt. In der Gitterebene wird die
Kante des die einzelnen Löcher umfassenden Quadrats in der Regel kürzer als i mm
sein. Der Abstand Gitter-Kathode wird möglichst- klein gewählt und ist etwa von
der gleichen Größe wie der von Mittelpunkt zu Mittelpunkt gemessene Abstand der
Löcher.
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Jede Öffnung des Blendengitters kann nun für sich als Wehneltzylinder
aufgefaßt werden. Damit alle Öffnungen in gleicher Weise wirken, ist die Fläche
des von den Gitteröffnungen bedeckten Quadrats etwas kleiner als die emittierende
Kathodenoberfläche. Selbstverständlich werden beide aufeinander ausgerichtet. Die
Helligkeitssteuerung erfolgt nun in grundsätzlich der gleichen Weise wie bei einem
normalen Wehneltzylinder. Steigert man die Spannung von einem bestimmten stark negativer.
Wert nach fortlaufend positiveren Potentialen hin, so werden bei einem gewissen
Spannungswert, dem Einsatzpunkt, Elektronen durch die Öffnungen treten. Dieser Einsatzpunkt
liegt im vorliegenden Fall bei einer positiveren Spannung als bei einem normalen
Wehneltzylinder, da der Durchmesser der einzelnen Blenden wesentlich geringer ist.
Wird die Spannung weiter gesteigert, so öffnen sich die durch die einzelnen Gitteröffnungen
hervorgerufenen Potentialblenden mehr und mehr, so daß der Strom zunimmt. Bei sehr
hohen Spannungen wird schließlich wie bei den.früheren Anordnungen ein Sättigungswert
erreicht.
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Während nun früher der Durchmesser des Gesamtleuchtfleckes im Rhythmus
der Helligkeit zwischen Null und dem Höchstwert schwankte, gilt dies jetzt nur noch
für den Durchmesser der einzelnen, den Gitteröffnungen entsprechenden Elementarbündel.
Wie aus Fig. q. ersichtlich, ist aber ,diese Schwankung n-mal kleiner, wenn mit
n die Zahl der längs einer Quadratkante vorhandenen Blendenlöcher bezeichnet wird.
In Fig. q. ist n zu 4. angenommen. Das innere gestrichelt gezeichnete Quadrat stellt
die Begrenzung des Gesamtbildpunktes beim Stromeinsatz dar. Das äußere gestrichelt
gezeichnete Quadrat .ist die Umrißlinie des Leuchtfleckes bei der Gitterspannung
Null, also wenn alle den Elementaröffnungen entsprechenden Potentialblenden voll
geöffnet sind.
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Es ist ersichtlich, daß man durch geeignete Anordnung der Blendenlöcher
die Form des Leuchtfleckes vollständig in der Hand hat, also außer quadratischen
auch z. B. runde, rechteckige und trapezförmige (bei Aufzeichnung auf einen schräg
zum Strahl stehenden Schirm) Leuchtflecke herstellen kann. Die Löcher selbst können
grundsätzlich auf beliebigem Wege hergestellt werden. Als besonders vorteilhaft
hat sich jedoch die an sich be-, kannte Herstellung durch Stanzen herausgestellt.
Die Form der Löcher kann rund, rechteckig, sechseckig usw. gewählt werden. Es kann
auch ein Maschennetz verwendet werden; dies ist jedoch ungünstiger als die Benutzung
einer Folie oder eines sehr dünnen Bleches, da. die Öffnungen nicht genau in der
®gleichen Ebene liegen. Soll aus irgendwelchen Gründen ein schmaler, etwa rechteckiger
Bildpunkt erhalten werden, dessen Breite, nicht aber die Länge schwanken darf, so
genügt ein. nur in; dar einen Richtung unterteiltes Blendengitter. Hierfür zeigt
Fig. 3 einige Beispiele.
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In Fig. 5 ist als ausgezogene Linie die Helligkeitskurve innerhalb
eines mit einem normalen Wehneltzylinder hergestellten Leuchtfleckes aufgetragen.
Sie zeigt .den bereits früher beschriebenen glockenförmigen Verlauf .mit verhältnismäßig
flachem Anstieg. Fig. 6 stellt als Vergleich die Helligkeitskurve innerhalb eines
insgesamt gleich hellen Leuchtflecks gleichen Durchmessers dar, wie er nach der
Erfindung erhalten wird. Die Kurve besteht aus iz n.ebeneinanderliegenden Kurven,
deren jede im Prinzip ähnlich verläuft wie die ausgezogene Kurve der Fig. 5, jedoch
einen bedeutend steileren Anstieg besitzt,
da bei gleichem Scheitelwert
die Basis der Helligkeitskurve, eines Elementarbündels .;z-mal so klein ist wie
im Falle der Fig. 5. Das Auge faßt diesen Helligkeitsverlauf infolge seines begrenzten
Auflösungsvermögens zu einem Helligkeitsverlauf zusammen, wie in der Fig. 5 gestrichelt
eingezeichnet ist. Es folgt also, daß durch die Erfindung ein in sich gleichmäßig
ausgeleuchteter Leuchtfleck mit steilen Flanken erhalten wird.
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Durch die Erfindung werden noch weitere Vorteile erreicht, die gerade
beim Fernsehen wesentlich sind. Wie schon früher ausgeführt wurde, liegt der Stromeinsatzpunkt
der Steuerkennlinie höher als bei einem einfachen Wehneltzylinder, ohne daß dadurch
eine Verwaschung des Flecks eintritt, wie das bei Einloch-Wehneltzylindern der Fall
ist. Es ist aber auch die Steuersteilheit wesentlich größer, da im Gegensatz zur
normalen Wehneltsteuerung die Steuerfläche nach Größe und Abstand von der Kathode
durch das Blendengitter festgelegt ist und wesentlich geringere Abstände zwischen
Kathode und Steuerfläche eingehalten werden können. Dies wurde durch Versuche bestätigt,
bei denen die früher erzielbaren Steuersteilheiten um ein Vielfaches überboten wurden.
Beim Fernsehen bedeutet dies eine entsprechende Ersparnis an Verstärkung der empfangenen
Signalspannungen.
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Die zwischen den Öffnungen verbleibenden Gitterdrähte oder -stücke
decken natürlich einen Teil der Kathodenoberfläche ab. Infolgedessen ist der bei
einer gleich großen Ausgangskathode erzielbare Sättigungsstrom etwas geringer als
bei normaler Wehneltsteuerung. Dieser Nachteil ist jedoch nicht wesentlich. Er wird
überdies dadurch annähernd ausgeglichen, daß bei einem quadratischen Leuchtfleck
mit der Kantenlänge d eine größere Fläche zur Emission herange-` zogen wird als
bei einem kreisförmigen Leuchtfleck mit dem Durchmesser d.
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Die Quadratseite des Bildpunktes kann durch Drehen der Röhre um ihre
Achse bei festgehaltenen Ablenkspulen in - Zeilenrichtung gelegt werden.
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Die Oberfläche der Kathode q. wird in der Regel parallel zur Gitterfläche
liegen. Unter Umständen kann es jedoch zweckmäßig sein, ihr eine gewisse Krümmung,
z. B. konkav, gegen das Gitter zu: erteilen. Das hat zur Folge, daß die am Rande
liegenden Elementar-Wehneltzyl-i,nd,er anders. wirken als die in der Mitte liegenden.
Insbesondere wird auch der Stromeinsatzpunkt an anderer Stelle liegen. Es bestehen
dann entsprechende Verhältnisse wie bei einer Verstärkerröhre mit veränderlichem
Durchgriff, bei der das Gitter eine ungleiche Maschenweile besitzt. Da sich bei
einer solchen Anördnung die den verschiedenen Elementarblenden entsprechenden Steuerkennlinien
überlagern, wird es möglich, eine weitgehend geradlinige Steuerkennlinie zu erzielen
und somit die sonst vorhandene, vielfach störende Nichtlinearität auszuschalten.
Dasselbe Ziel kann auch umgekehrt durch eine Krümmung der Gitterfläche gegen die
Kathode oder durch ungleiche Weiten der Blendenöffnungen erreicht werden.