DE869100C - Elektronenkanone fuer Kathodenstrahlroehren - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 2. MÄRZ 1953

13914 VIIIcJ 21g

Vorliegende Erfindung befaßt sich mit Kathodenstrahlröhren und im besonderen mit der Konstruktion von Elektronenkanonen für solche Röhren, die einen Leuchtschirm haben, welcher durch einen Elektronenstrahl veränderlicher Intensität abgetastet wird.

In Kathodenstrahlröhren, wie sie beispielsweise in Fernsehempfängern Verwendung finden, wird der Elektronenstrahl auf einen "Fluoreszenzschirm fokussiert und über die Oberfläche des Schirmes in verschiedenen Rasterformen gewöhnlich in einer Anzahl von horizontalen Linien abgelenkt. Das Bild wird durch Änderung des Elektronenstromes und der daraus folgenden Änderung der Lichtintensität von Punkt zu Punkt des Schirmes erhalten. Vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Herstellung und der Dichtemodulation eines Elektronenstrahles, welcher eine Öffnung ausleuchtet, .deren Bild dann durch bekannte Anordnungen auf den Schirm fokussiert wird. In Übereinstimmung so mit der Praxis bezeichnen wir das zur Herstellung, Modulation und Fokussierung des Elektronenstrahles oberhalb dieser Öffnung notwendige Elektrodensystem als eine Elektronenkanone, und im folgenden nehmen wir an, daß diese Öffnung durch die letzte Öffnung der Elektronenkanone gebildet wird.

Die wesentlichen Erfordernisse einer Elektronenkanone einer Röhre der obenerwähnten Art sind folgende: Sie muß imstande sein, auf den Leuchtschirm einen Elektronenstrahl zu werfen, der einen Punkt bildet, welcher angemessen klein ist, und

dessen Lichtintensität sich linear über große Werte entsprechend einer kleinen Änderung der 'Spannung der Modulationselektrode der Kanone ändert, während das Verhältnis des benutzten Strahlstromes zum totalen Kathodenstrom so groß- wie möglich bleibt. Der mechanische Aufbau der Kanone und ' " .die Schaltanordnungen zum Betrieb derselben sollen so einfach" wie möglich sein. Angenommen, der Strahl füllt die öffnung jederzeit vollständig aus, ίο so ist für die letzte öffnung von gegebener Abmessung die Abmessung des Punktes in erster Annäherung abhängig von der Art der verwendeten Kanone, daher sind wir nicht mit den ersten obenerwähnten Erfordernissen direkt beschäftigt, aber die anderen Erfordernisse sind von fundamentaler Wichtigkeit beim Entwurf einer Elektronenkanone. Bei den gebräuchlichen Elektronenkanonen, wie sie beispielsweise bisher in Fernsehröhren verwendet wurden," wurden Elektrodensysteme verwendet, ao welche vom !Gesichtspunkt der Elektronenstrahldichtesteuerung aus mit der von Verstärkerröhren des Trioden- oder Mehrgittertyps gleich sind. Das Erfordernis der Lichtintensitätsänderung der abgetasteten Schirmelemente setzt den Gebrauch einer Kanone voraus, welche einer Triode oder Mehrgitterröhre mit kurzgeschlossenem Gitter gleicht. Enge Anordnung der Elektroden ist daher erwünscht. Andererseits verlangt ein hoher Strahlnutzeffekt geringe Divergenz des Elektronen-Strahles. ■

Im allgemeinen wird der Elektronenstrahl ein erstes ■ Mal zwischen. Kathode-und der letzten Kanonenöffnung fokussiert und dann ein weiteres Mal in der letzten Öffnung zur Überschneidung gebracht. In- vorliegender Erfindung bezeichnet der Ausdruck Überschneidung nicht nur, wie es allgemein üblich ist, die Überschneidung der Elektronenstrahlwege mit der Strahlachse, sondern schließt auch eine Strahlverengung an einer Stelle geringsten Querschnittes ein.

Die meisten Schwierigkeiten bei der Konstruk-. tion einer ,Elektronenkanone sind auf Grund der Linsenaberrationen und ,Raumladungseffekte zu überwinden.

Linsenaberrationen in iKathodennähe sind in manchen der bisher vorgeschlagenen Kanonen groß gewesen, denn die Modulation hat gewöhnlich nicht nur eine Reduktion des elektrischen Feldes in Kathodennähe, sondern auch eine Reduktion der effektiven Kathodenobernäche zur (Folge. So ist es ein bekannter Fehler, daß der Querschnitt des Elektronenstrahles an seiner ersten Überschneidungsstelle sehr rasch mit der Modulation wechselt und größer wird mit dem Kathodenstrom, was eine nicht gleichförmige Ausleuchtung der letzten Kanonenöffnung und damit auch eine Änderung der Bildpunktabmessung zur Folge hat.

Besonders wenn hohe iStromdichten verlangt werden, bringen die Raumladungseffekte eine Änderung des elektrostatischen Feldes, was zu weiterer Ab- : erration führt, hervor. Diese Effekte können berücksichtigt werden durch mühsame Versuche, aber sie haben dann gewöhnlich nur für einen besonderen Strahlstromwert Gültigkeit, Die gegenseitige Abstoßung der Elektronen im Strahl führt zu einer Vergrößerung der Überschneidungsfläche und auch zu einer Vergrößerung der Divergenz des Strahles von der Überschneidungsstelle aus, so daß der Strahlnutzeffekt reduziert wird.

Es sei bemerkt, daß bei den gebräuchlichen Rohren mit negativem Steuergitter bei geringem konstruktivem Aufwand und einfachem Stromkreis der Bildpunktumfang gleich klein und konstant gehalten werden kann, während jedoch der M'odulationsbereich begrenzt und der Stromnutzeffekt niedrig ist. Ein Maß für den Modulationsbereich ist die Raumladungskonstante (das Verhältnis des Strahlstromes zu der 3 : 2-Potenz der Strahlspannung an irgendeinem Punkt) an der Modulationselektrode. Dies ist gewöhnlich der Fall bei 0,25 : 0,5 X 10—⁶. Der Stromnutzeffekt ist gewöhnlich den anderen Erfordernissen untergeordnet und überschreitet selten den Wert von io°/o. Der überschüssige Strom wird durch die beschleunigende Anode gesammelt, und der iStrahl wird in dem Hauptlinsensystem, dessen Elektroden gewöhnlich auf hohem Potential -sind, unterdrückt.

Vorliegende Erfindung sieht eine Elektronenkanone für Kathodenstrahlröhren vor, bei welcher ein dichtemodulierter Elektronenstrahl zur Abtastung verwendet wird und aus folgendem besteht: Einer Glühkathode, einer ersten mit einer zentralen öffnung versehenen Anode und Hilfselektroden, die so angepaßt sind, daß sie einen raumladungsbegrenzten Elektronenstrom bilden, der zu einer Überschneidung konvergiert, deren Lage und Querschnitt im wesentlichen unabhängig von den positiven Potentialänderungen der ersten Anode sind, ferner einem Fokussierungszylinder und einer zweiten mit einer zentralen öffnung versehenen Beschleunigungsanode, die zusammen elektrostatische Linsen bilden und den Strahl in der öffnung der zweiten Anode zu einer zweiten Überschneidung bringen. Wenn man die erste Anode als Modulationselektrode benutzt, erhält man eine beachtliehe Verbesserung in der Leistungsfähigkeit und in der Konstruktionsvereinfachung und in den Betriebsbedingungen im Vergleich mit den bisher bekannten Anordnungen. Die M'odulationselektrode verhält sich nicht mehr wie das Steuergitter einer Triode, da der Strahlstrom allein abhängig von seinem eigenen Potential und nicht mehr vom Durchgriff des Feldes der. folgenden Elektrode durch das Gitter ist: Das kommt daher, daß die Lage der ersten Überschneidung unabhängig von der Modulationsspannungsänderung an der Anode ist, denn wenn alle Potentiale des Strahlbildungssystems mit demselben Faktor geändert werden, bleibt die Strahlform unverändert. Weiterhin führt die Diodenkonstruktion nicht nur zu einer höheren Raumladungskonstante an der MOdulationselektrode (teils auf Grund¹ des gleichförmigeren Potentialgradienten an der Kathode, welcher bei der Diodenkonstruktion zu erreichen ist), sondern die Abweichungen in Kathodennähe können auf ganz kleine Beträge reduziert werden. Bei einer geeigneten Anordnung

können die Effekte der Raumladungsänderung ausgeschieden werden, so daß nicht nur die Lage, sondern auch der Umfang der Überschneidung unabhängig von der Strahlmodulation gemacht werden kann. Die Überschneidung dagegen, welche bei den niederen Potentialen der Modulationselektrode gebildet wird, ist zu groß, um direkt auf dem Leuchtschirm abgebildet zu werden. Sie wird daher bei einem höheren Potential nochmals gebildet. Dieses höhere

ίο Potential soll möglichst das verfügbare Maximum haben und ist im oben beschriebenen gleich dem des Leuchtschirmes. Streng genommen, wird die obengenannte zweite Überschneidung auf dem Leuchtschirm abgebildet. Auf Grund der Geschwindigkeitsänderung der von der Kathode emittierten Elektronen bleiben einige Abweichungen, und diese Überschneidung ist nicht scharf definiert. Es muß daher eine Blende um die Überschneidung angeordnet werden, um ihre Ausdehnung auf einen angemessenen Umfang zu beschränken. Praktisch wird daher auf den Leuchtschirm ein Bild der Öffnung dieser Blende, welche der 'Einfachheit halber als zweite Anode verwendet wird, fokussiert. In Anbetracht dessen, daß die Modulationselektrode und die erste Anode nur gering sammeln, wenn einiger Strom fließt, muß bei der Konstruktion des Diodenteiles diesem Faktor Rechnung getragen werden. Eine passende Elektrodengestaltung kann mittels Elektronenbahnbestimmungen ausgearbeitet werden, aber die grundsätzliche korrekte Methode ist das Verfahren, das zuerst von J. R. Pierce formuliert wurde und zu der bekannten Pierce-Kanone geführt hat. Seit die Pierce-Kanone der Änderung der elektronenoptischen Eigenschaften des Systems auf Grund des Durchganges des Raumladestromes " voll Rechnung trägt, ist es möglich, eine Anordnung zu entwerfen, welche die maximale Modulationsraumladungskonstante mit anderen Erfordernissen, wie beispielsweise vollständige Ausnutzung der Kathodenoberfläche, kleine Abweichungen und kleiner oder gar kein Strom zur Modulationselektrode, in Einklang bringt.

Wie das Prinzip der Pierce-Kanone auf einen Elektronenstrahl mit kreisförmigem Querschnitt angewendet wird, sei im folgenden beschrieben.

Wenn zwei konzentrische Kugeln betrachtet werden, eine als Kathode und die andere als Anode, so wird ein raumladungsbegrenzter geradliniger Elektronenstrom zwischen beiden stattfinden, der zu dem Mittelpunkt der 'Kugeln konvergiert oder von diesem divergiert. Wenn alle Teile dieses Systems bis auf einen konischen Teil fortgelassen werden, fällt der Scheitel des Konus mit dem Mittelpunkt der inneren Kugel zusammen, und der ideale Elektronenstrom in diesem verbleibenden Teil kann durch Verformung der bestehenden und durch Anordnung zusätzlicher Elektroden aufrechterhalten werden. Die Gestaltung und die Spannungen dieser Elektroden müssen derart sein, daß sie auf die Elektronen in diesem Teil die gleiche Wirkung haben, wie in jenem Teil des Systems (einschließlich der Elektronenraumladung), der weggelassen wurde. Theoretisch gibt es nur eine Lösung der Gleichungen, die die Form der Elektroden bestimmen, praktisch jedoch ergibt sich ein genügender Grad der Annäherung für verschiedene Zwecke durch unendlich viele verschiedene Elektrodenkonstruktionen. Präzise Anordnungen werden durch Versuche am elektrolytischen Trog erhalten.

Die Erfindung soll an Hand der Ausführungsbeispiele der Zeichnungen näher erläutert werden. Fig. ι zeigt einen Schnitt durch eine Projektionskathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone gemäß vorliegender Erfindung und Fig. 2 einen Schnitt eines Ausführungsbeispieles einer solchen Elektronenkanone. In Fig. 1 besteht die Kathodenstrahlröhre aus dem Hals 1, der mit einem Preßglasfuß 2, welcher die Kontakte 3 für die niedrigen Spannungen der Elektronenkanonenelektroden enthält, verbunden ist. Der Hals ist mit dem Kolben 4 verbunden, dessen Ende mit der optisch vorbereiteten Glasfläche 5, die an ihrer Innenseite den Fluoreszenzschirm 6 trägt, verschmolzen ist. Der durch die Elektronenkanone 7 hervorgebrachte Elektronenstrahl wird durch die magnetischen Fokussierungseinrichtungen (s. Spule S der Zeichnung) auf dem Schirm fokussiert; die horizontalen und vertikalen Ablenkspulen sind durch das Rechteck 9 bezeichnet.

Die Elektronenkanone, welche in Fig. 2 näher ausgeführt ist, besteht aus einer zylindrischen, indirekt geheizten Kathode mit einer konkaven Emissionsoberfläche id. Die Kathode ist durch eine Isolationsscheibe 12 in einem äußeren Metallzylinder 1.3 gehaltert und von einer zylindrischen Elektrode 14 umgeben, die über die Ränder der Kathode ragt. D'er Zylinder 14 ist mit einem Flansch versehen, welcher zwischen der Scheibe iaund einer weiteren koaxial zur Kathode 10 und dem Zylinder-13 angeordneten Isolationsscheibe 16 befestigt ist. Die erste Anode 1(71 wird aus einem zurückspringenden konischen Teil des Metallzylinders 18 gebildet, welcher genau in den Zylinder 13 paßt und gegen die Scheibe 16 drückt. Die Scheibe 19 - mit^: einer zentralen Öffnung paßt genau in den Zylinder 13 und schließt diesen ab und schützt den Anoden-Kathoden-Raum vor dem 'Einfluß äußerer Felder (auch vor dem Feld der zweiten Anode). Eine zylindrische Schirmelektrode 20, die durch die mit einer zentralen Öffnung versehene End- no platte 2)i teilweise verschlossen ist, ist durch die Isolationsscheibe 32 von dem Zylinder 13 getrennt und durch die drei isolationsbrücken 213, die gleichmäßig um die Kanone angeordnet sind, gehaltert. Die zweite Anode 214. bildet die Grundfläche eines becherförmigen Teiles 25, dessen Wände mit denen des Zylinders 20 koaxial liegen und dessen Grundfläche der Endplatte 21 benachbart ist. Dias Teil 25 wird durch drei keramische Brücken 26, die gleichmäßig um die Konstruktion verteilt sind, gehaltert und dadurch zum Zylinder 20 festgelegt. Drei an dem Teil 25 befestigte Federn 27 pressen gegen den Hals i, wenn die Kanone in die Kathodenstrahlröhre eingeführt ist, und machen mit dem kolloidalen Graphitüberzug 28, welcher sich in den KoI-ben erstreckt und mit der Durchführung 29 und

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dem Aluminiumüberzug jo des Eluoreszenzschirmes 6 Kontakt machen kann, Kontakt. Wenn der Elektronenstrahl die öffnung 33 der Anode 24 verlassen hat, wird er durch die gebräuchlichen . Mittel, wie z. B. magnetische Fokussierung, wie sie in Fig. ι gezeigt wird, fokussiert. Die Anordnung ist so, daß auf den Schirm 6 ein Bild der Öffnung 33 fokussiert wird. Im Betrieb ist der Zylinder 14 auf Kathodenpotential, und an dem Zylinder 13 und der Anode 17 liegt eine positive Modulationsspannung zwischen 0 und 50.Volt. Die zweite Anode hat ein Potential von 20 kV. Der Zylinder ßio ist normalerweise mit der Kathode 10 verbunden. Der Elektronenstrahl 31 wird in der Öffnung der Scheibe 119 zu einer in der Lage und im Umfang unveränderlichen Überschneidung 32 gebracht. Die Elektronenlinsen, die durch die Spannungen der Elektroden 119, 20, 21 und 24 gebildet werden, bringen den¹ von der Überschneidung 32 divergierenden Strahl zu einer zweiten Überschneidung 33 in der Öffnung der Anode 214. Wenn man bei den obenerwähnten Spannungen eine Kathode von einem Durchmesser von 2,5 mm und einer Öffnung der zweiten Anöde von oyümm Durchmesser verwendet, kann ein Strahlstrom von 1 mA auf den Schirm in einem Punkt von 0,1 mm Durchmesser fokussiert werden. Der Gesamtnutzeffekt ist dabei 7)0%. Es zeigt sich, daß die Modulationsraumladungskonstante beim Strahlmaximum ungefähr 3X10·—⁶ ist. Däese Ausführungsbeispiele zeigen eine beachtliche Verbesserung gegenüber den früheren Elektronenkanonen, da die Konstruktion und ihr Betrieb einfach sind.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   i. Elektronenkanone für {Kathodenstrahlröhren, bei welcher ein dichtemodulierter Elektronenstrahl zur Abtastung benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein raumladungsbegrenzter Elektronenstrotn mit Hilfe der Kathode, einer mit einer zentralen öffnung versehenen ersten Anode und weiteren Hilfselektroden zu einer in ihrer Lage und ihrem Querschnitt im wesentlichen von den Änderungen der an die erste Anodfe gelegten Modulationsspannung unabhängigen Überschneidung gebracht wird und daß mit Hilfe eines Fokussierungszylinders und einer mit einer zentralen Öffnung versehenen zweiten Anode der Strahl zu einer zweiten Überschneidung in der öffnung der zweiten Anode gebracht wird.

   2¹. Elektronenkanone für Kathodenstrahlröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenkanone in bezug auf den Leuchtschirm der Röhre so angebracht ist, daß unter Verwendung weiterer bekannter Fokussierungsanordnungen ein elektronenoptisches Bild der zweiten Anodenöffnung auf dem Leuchtschirm erzeugt wird.

   3. Elektronenkanone für Kathodenstrahlröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine konkave Emissionsoberfläche aufweist und die erste Anode einen hohlen Kegelstumpf besitzt, dessen Scheitel gegen die Kathode gerichtet ist.

   4. Elektronenkanone für Kathodenstrahlröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode von einem koaxialen Metallzylinder, dessen Ränder über die Kathode gegen die erste Anode hinausragen, umgeben ist.

   5. Elektronenkanone für Kathodenstrahlröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. sowohl Kathode wie Anode von einem hohlen Metallzylinder umgeben sind und der hohle Zylinder in der Ebene der ersten Überschneidung eine mit einer zentral angeordneten öffnung versehene Scheibe trägt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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