DE970180C - Elektronenstrahlerzeugungssystem fuer Kathodenstrahlroehren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlerzeugungssystem für Kathodenstrahlröhren mit einer Kathode, einer Steuerelektrode, einer Anode und einem zwischen der Steuerelektrode und Anode schräg verlaufenden Beschleunigungsfeld, welches das Auf treffen positiver Ionen auf die Kathode verhindert, insbesondere für Kathodenstrahlröhren zur Projektion von Fernsehbildern.

Bekanntlich erfolgt die Erzeugung von Elektronenstrahlen im Vakuum. Trotzdem sind aber stets Gasmoleküle vorhanden, welche durch den Aufprall von Elektronen des Kathodenstrahls ionisiert werden können. Die entstehenden positiven und negativen Ionen werden durch das zur Bildung und Fokussierung des Elektronenstrahls verwendete elektrische Feld beschleunigt und können je nach dem Vorzeichen ihrer Ladung entweder auf die Kathode oder den Bildschirm der Kathodenstrahlröhre fallen, wo sie zerstörende Wirkungen hervorrufen.

In Kathodenstrahlröhren mit einem Leuchtschirm ist besonders der letztere durch die aufprallenden negativen Ionen sehr gefährdet, weshalb schon zahlreiche Konstruktionen von sogenannten Ionenfallen bekanntgeworden sind, die alle das Ziel haben, die negativen Ionen von den Elektronen zu trennen und vor dem Auftreffen auf dem Leuchtschirm unschädlich zu machen. Dies geschieht in

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der Regel durch Anwendung eines elektrostatischen und eines elektromagnetischen Ablenkfeldes, deren letzteres die Ionen weniger stark abzulenken vermag als die Elektronen, wodurch die erwünschte Trennung möglich wird.

Den auf die Kathode fliegenden positiven Ionen ist bisher keine oder doch nur geringe Aufmerksamkeit geschenkt worden. Es ist zwar schon bekannt, das Auftreffen von Ionen auf der Kathode ίο eines Elektronenstrahlers dadurch zu verhindern, daß das Beschleunigungsfeld für die Elektronen schräg zur Röhrenachse liegt, während der Elektronenstrahl im wesentlichen in Richtung der Röhrenachse durch verhältnismäßig kleine Öffnungen in der Stirnfläche des bekannten Wehnelt-Zylinders und in der Anode hindurchläuft. Gemäß diesem Vorschlag stehen die ebene Anode und die Stirnfläche des Wehnelt-Zylinders parallel zueinander und schräg zur Röhrenachse. Dadurch ergibt sich notgedrungen, daß die aus der Kathode und dem Wehnelt-Zylinder bestehende Einheit nicht rotationssymmetrisch ist. Dies ist deshalb nachteilig, weil beim Ändern des Potentials des Wehnelt-Zylinders zwecks Veränderung der Fokussierung des Elektronenstrahls in unbeabsichtigter und störender Weise auch eine Richtungsänderung des Elektronenstrahls auftritt. Das Potentialfeld in der Nähe der Kathode hat erwiesenermaßen einen großen Einfluß auf die Bündelung des Elektronen-Strahls. Daß auch die Rotationssymmetrie des Potentialfeldes unmittelbar vor der Kathode einen wesentlichen Einfluß auf die Fokussierung hat, zeigt sich bereits, wenn die Kathode selbst eine nicht völlig rotationssvmmetrische Emissionsfläche hat. Jede Störung der Rotationssymmetrie ist nicht nur mit einer Ablenkung des Elektronenstrahls verbunden, sondern beeinträchtigt auch die erreichbare Stromdichte des Elektronenstrahls. Dies ist besonders in solchen elektronenoptischen Einrichtungen sehr von Nachteil, in denen man aus funktioneilen Gründen im Brennpunkt des Elektronenstrahls eine Blende anbringen muß.

Die oben^geschilderten Nachteile werden vermieden, wenn erfindungsgemäß die Kathode und die Steuerelektrode eine in sich rotationssymmetrische Einheit darstellen und die Achse dieser Einheit und eine durch die Anodenöffnung gehende Normale zur ebenen Anode in entgegengesetzter Richtung geneigt sind in bezug auf die Achse des Elektronensrahls nach dem Verlassen des Elektrorienstrahlerzeugungssystems.

Bei dieser Ausbildung ergibt sich eine fächerartige Anordnung der Äquipotentialflächen des Beschleunigungsfeldes, das der Elektronenstrahl auf einer gekrümmten Bahn durchläuft, während die entstehenden Ionen anderen Bewegungsbahnen folgen. Weil die aus Kathode und Steuerelektrode bestehende Einheit im wirksamen Bereich rotationssymmetrisch ist, verlaufen auch die sich in unmittelbarer Nähe dieser Einheit befindenden Äquipotentialflächen des Beschleunigungsfeldes rechtwinklig zur Rotationsachse der Einheit und somit im wesentlichen rechtwinklig zu den Bahnen, längs welchen die Elektronen unmittelbar nach dem Verlassen der genannten Einheit sich bewegen. Der Elektronenstrahl hat einen kreisrunden Querschnitt und läßt sich daher einwandfrei bündeln. Eine Änderung des Potentials der Steuerelektrode hat auch keinen Einfluß auf die Richtung der Achse des Strahlenbündels, so daß beim Fokussieren keine Richtungsänderung des Elektronenstrahls auftritt. Es sind daher keine zusätzliche, z. B. magnetische Ablenkmittel nötig, welche sonst zur Korrektur der Strahlrichtung erforderlich wären.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch Ausführungsbeispiele.

Die Anordnung der Fig. 1 stellt ein spezielles Ausführungbeispiel dar, wie dieses beispielsweise in einer Fernsehröhre verwendet wird. Das zur Erzeugung des Elektronenstrahls dienende System besteht aus der Plankathode 1 mit der Achse 3, vor welcher sich das Steuergitter (Wehneltzylinder) 2 mit einer Bohrung 6 befindet. Gegenüber dem Steuergitter befindet sich die Anode 5, welohe darstellungsgemäß gegenüber der Kathode bzw. dem Steuergitter eine hohe positive Spannung aufweist. Je nach dem Verwendungszweck kann dieses System einfachsymmetrisch, .d. h. als' Zylinderlinse, oder rotationssymmetrisch, d. h. als sphärische Linse, ausgebildet sein, wobei in dem Anwendungsfall nach Fig. 1 im allgemeinen 'die rotationssymmetrische Anordnung verwendet wird.

Durch die aus Kathode, Steuergitter und Anode gebildete Anordnung wird¹ nun ein Elektronenstrahl 7 erzeugt, welcher durch die öffnung 9 der Anode hindurchtritt und am Ende dieser Bahn auf den Schirm 11 auftrifft. Im allgemeinen verwendet man zur Erzeugung eines kleinen Fleckes eine Fokussierlinse 12, welche den kleinsten Querschnitt 8 des Elektronenstrahles 10 auf dem Bildschirm abbildet.

Die Ebene der Kathode χ und des Steuergitters 2 und die Ebene der Anode 5 bilden miteinander einen Winkel 15. In dem speziellen Fall der Fig. 1 sind die Ebenen gegenüber der Achse 4 der Kathodenstrahlröhre in entgegengesetzter Richtung geneigt, und zwar die Anode um den Winkel 14 und das Steuergitter um den Winkel 19.

In dem zwischen Anode und Steuergitter betehenden Potentialfeld sind die Ebenen gleichen Potentials (Aequipotentialebenen) 20 gegeneinander geneigt, und zwar gehen sie alle durch die der Anodenebene und der Steuergitter ebene gemeinsame Schnittgerade. Als Folge der Neigung der-Aequipotentialebenen ist der erzeugte Elektronenstrahl zwischen Steuergitter und Anode gekrümmt. Eine solche geneigte Anordnung von Steuergitter und Anode leistet außerordentlich gute Dienste bei der Ausscheidung von Ionen, welche durch die

lektronen des Elektronenstrahles erzeugt werden, ohne die Notwendigkeit der Verwendung von Ma-■ne'tfddern. Solche Ionen haben bekanntlich eine um so höhere schädigende Wirkung, je mehr sie durch das zur Erzeugung des Elektronenstrahls > dienende hohe elektrische Potential beschleunigt werden und mit der so gewonnenen Geschwindig-

keif auf die Kathode auftreffen. Durch dieses Ionenbombardement kann die Kathode in verhältnismäßig kurzer Zeit zerstört werden.

Wie bereits erwähnt, ist diese zerstörende Wirkung um so größer, je größer das Potential ist, das den Ionen zur Beschleunigung zur Verfugung steht. Es ist leicht einzusehen, daß bei der Anordnung der Fig. ι die in der Nähe der Öffnung g der Anode 5 erzeugten Ionen maßgeblich an der Zerstör.ung der Kathode durch das Ionenbombardement verantwortlich sind, da sie praktisch das gesamte Potentialgefälle des Beschleunigungsfeldes durchlaufen, ehe sie auf die Kathode .auftreffen.

Gerade diese Ionen werden aber durch die geneigte Anordnung von Anode und Kathode auf besonders einfache und elegante Weise ausgeschieden. Die Anfangsbeschleunigung der durch den Elektronenstrahl erzeugten Ionen erfolgt jeweils in Richtung des Feldgradienten an dem Entstehungsort des Ions, da seine Anfangsgeschwindigkeit praktisch als Null anzusehen ist. Diese Ionen verlaufen je nach ihrer Polarität in Richtung der Pfeile 16, 17 und 18; es gelangen also insbesondere die in den Regionen höheren Potentials erzeugten Ionen weder zur Kathode noch zum Bildschirm.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres spezielles Ausführungsbeispiel, welches sich von der Anordnung der Fig. ι dadurch unterscheidet, daß sich die engste Einschnürung 38 hinter der Anode 35 befindet; Der vordere Teil der bolzenförmigen Kathode 31- mit der Achse 33 reicht durch eine öffnung 36 des Steu^ngitters 32, dessen Vorderfläche gewölbt ist, um die gewünschte Bündelung des Elektronenstrphls zu erzielen. Die Ebenen von Steuergitter 32 und Anode 35 sind gegeneinander geneigt, und zwar wiederum in entgegengesetzter Richtung gegenüber der Achse 34 der Kathodenstrahlröhre, und zwar die Anode um den Winkel 44 und die Kathode um den Winkel 49, womit zwischen Gitterebene und Anodenebene ein Winkel 45 entsteht. Durch die Neigung der Aequipotentialflächen 60 des Potentialfeldes werden die im Elektronenstrahl 37 erzeugten Ionen wiederum dem Potentialgefälle folgend in Richtung der Pfeile 56 bzw. 58 beschleunigt, wobei wiederum der größte Teil¹ der. positiven Ionen auf das Steuergitter und nicht auf die Kathode auf treffen und eine Beschädigung der Kathode somit verhindert wird.

Hinter der Anode 35 mit der Anodenöffnung 39 befindet sich am Ort der engsten Einschnürung 38 des Elektronenstrahls die Blende 61, durch welche die äußeren Teile des Elektronenstrahls albgeblendet werden und so eine besonders scharfe Bündelung des Elektronenstrahls 40 erreicht wird. Neben den Winkeln 44, 45 und 49 sind die Distanzen 63 und 64 die Bestimmungselemente des Elektronenstrahl-, erzeugungssystems, womit die Anordnung verschiedenen Anforderungen der Praxis angepaßt werden kann.

Eine solche Elektrodenanordnung wird verwendet bei Fernsehprojektionsgeräten, die beispielsweise in der schweizerischen Patentschrift Nr. 268 713 im einzelnen beschrieben sind. Bei diesen Projektionseinrichtungen wird zur Lichtsteuerung innerhalb eines schlierenoptischen Systems eine Flüssigkeitsschicht, vorzugsweise eine dünne ölschicht, verwendet. Die Anwesenheit dieser ölschicht innerhalb ■ des Vakuumgefäßes hat aber ein verschlechtertes Vakuum zur Folge, welches um eine bis mehrere Zehner-Potenzen schlechter ist, als das üblicherweise in abgeschmolzenen Röhren mit Getterung erzielbare Vakuum. Bei ,solchen Geräten fehlt ein Fluoreszenzschirm, so daß hier in erster Linie der Schutz der Kathode vor Ionenbombardement von Interesse ist. Bei Elektronenstrahlerzeugungssystemen für hohe Intensitäten igt es erforderlich, daß neben der Beibehaltung der Emissionsfähigkeit der Kathode auch die Emissionsfläche keine Deformationen erleidet. BeIi Vorhandensein von positiven Ionen wird aber, sogar im Falle einer massiven Metallkathode, die Emissionsfläche durch das Ionenbombardement rasch zerstört. Die Folge ist das rasche Absinken' der Stromdichte im Elektronenstrahl.

Bei der Verwendung der Anordnung gemäß Fig. 2 tritt dagegen kein bedeutendes Ionenbombardement der Kathode auf, da sich alle energiereichen, positiven Ionen auf den mit 56 bezeichneten Bahnen bewegen und auf das Steuergitter fallen. Die Ausscheidung der Ionen wird damit· erreicht, ohne daß die für die Herstellung höher Stromdichten im Ekktronenfleck notwendige fehlerfreie Fokussierung beeinträchtigt wird.

Die beschriebene Anordnung 'weist infolge der Einfachheit ihres Aufbaus noch den großen Vorzug auf, daß die zu erwartenden Elektronen- und Ionenbahnen durch Vorausberechnung mit großer Sicherheit bestimmt werden können, so daß es möglich ist, ohne zeitraubende experimentelle Vorversuche die für jeden Ausführungsfall erforderliche Ndigung von Kathodensystem und Anode zu bestimmen.

Die kleineren Abweichungen von der berechneten Elektronenstrahlricihtung können noch durch die richtige Dimensionierung der Sys'temabschirmung korrigiert werden. Dies ist in Fig. 3 deutlich dargestellt. Mit 71 ist wieder die Bolzen'kathode bezeichnet, die durch die von der Heizwendel 72 emittierten Elektronen bombardiert und aufgeheizt wird. 73-ist das Steuergitter, 74 die Anode und 75 eine Blende. Das ganze System ist vollkommen durch den Zylinder j6 abgeschirmt. Zylinder 76 befindet sich auf Kathoden- oder Steuergitterpotential. Die zylindrische Elektrode JJ₁ die als zweiter Abschirmzylinder bezeichnet werden soll, streckt sich von der Anodenseite zu der Kathode hin und befindet sich auf Anodenpotential. Die Steuergitterebene bildet mit der Anodenebene den Winkel Θ_α· und der Elektronenstrahl 79 bildet nach dem Durchtritt durch die Anodenblende 74 mit der Anodenebene den Winkel ß_a. Für den idealen Fall der unendlich ausgedehnten Anoden- und Steuergitterebeneii besteht zwischen Θ_α und ß_a folgende Beziehung

125 cotg ß_a = 0,666 Θ] + o,o84 θ/·

Zwischen dem Winkel Θ_α (bzw. Winkel 15 in

Fig. ι oder dem Winkel 56 in Fig. 2) und dem Winkel ß_a (bzw. Winkel 14 in Fig. 1 oder dem Winkel 44 in Fig. 2) besteht die obenerwähnte Beziehung.

Da in der Praxis die Randbedingungen mit den unendlich ausgedehnten Steuergitter- und Anodenebenen nicht verwirklicht werden können, wird bei der Dimensionierung des Elektronenstrahlerzeugungssystems nach der obigen Beziehung der Elektronenstrahl gewöhnlich die Anode mit einem von der berechneten mehr oder weniger abweichenden Winkel· verlassen. Wenn die Systemabsdhirmung wie oben beschrieben getroffen wird, ist diese Abweichung sehr gering und kann durch richtige Wahl der Länge 78 des zweiten Abschirmzylinders 77 vollständig korrigiert werden. Wird die Länge 78 des Zylinders 77 größer gemacht, so wird der Verlauf der AequipotentiaMinien im Beschleunigungsfeld beeinflußt, und der Elektronenstrahl 79 wird in Richtung des Pfeiles 80 gelenkt; umgekehrt, wenn die Länge 78 kleiner gemacht wird, wandert der Strahl in Richtung des Pfeiles 81.

Bei der Konstruktion eines Systems ist der Winkel ,zwischen Steuergitterebene und Anodenebene frei wählbar und bestimmt den Umfang, in dem die Ionen ausgeschieden werden. Es ist aus der Fig. 2 leicht einzusehen, daß der Anteil der auf die Steuergitter fläche auftreffenden Ionen um so größer ist, je größer der Winkel 45 gewählt wird. Die Winkel der beiden Ebenen mit der Achse ergeben sich nun aus den sonstigen Anforderungen an die Elektronenanordnung, und sie sind im allgemeinen so zu bestimmen, daß der Hauptstrahl

des Bündels die Achse der Kathodenstrahlröhre etwa in der Ebene der Anode tangential berührt.

Es ist selbstverständlich, daß sich die vorliegend beschriebene Anordnung zur Trennung von Ionen und Elektronen nicht auf die Anwendung bei Kathodenstrahlröhren für Fernsehzwedke beschränkt. In diesem Fall wird man im allgemeinen die speziellen Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 wählen, bei welchen die Ebene des. Steuergitters (und der Kathode) und die Ebene der Anode in

entgegengesetzter Richtung gegenüber der Achse der Kathodenstrahlröhre geneigt sind. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen speziellen Fall' eingeschränkt, da der wesentliche Erfindungsgedanke in der Neigung der Ebene des Steuergitters gegen-

.50 über der Ebene der Anode und der dadurch bewirkten Ausscheidung der Ionen aus dem Elektronenstrahl besteht, die Anordnung kann also mit Vorteil überall dort angewendet werden, wo die Erzeugung scharf gebündelter Elektronenstrahlen erforderlich ist, insbesondere in den Fällen, in denen die Emissionsleistung der Kathode soweit als möglich ausgenützt werden soll. Solche hoch belastete Kathoden sind gegen Ionenbombardement im allgemeinen sehr empfindlich. Diese Strömungsquelle läßt sich aber durch die Verwendung der beschriebenen Anordnung auf !leichte und elegante Weise beseitigen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlerzeugungssystem für Kathodenstrahlröhren mit einer Kathode, einer Steuerelektrode, einer Anode und einem zwischen der Steuerelektrode und der Anode schräg verlaufenden Beschleunigungsfeld, welches das Auftreffen positiver Ionen auf die Kathode verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß "Sie Kathode und die Steuerelektrode eine in sich rotationssymmetrische Einheit darstellen und daß die Achse dieser Einheit und eine durch die Anodenöffnung gehende Normale zur ebenen Anode in entgegengesetzter Richtung geneigt sind in bezug auf die Achse des Elektronenstrahls nach dem Verlassen des Elektronenstrahlerzeugungssystems.

2. Elektronenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur Achse des den Elektronenstrahler verlassenden Strahlenbündels (79) zwei zylindrische, metallische Hohlkörper (76,77) vorhanden sind, deren einer (77) Anodenpotential hat und die geneigte Anode (74) teils umgibt und gegen die Steuerelektrode (73) hin über die Anode (74) hinausragt um eine solche Strecke (78), daß auf den Elektronenstrahl zwischen Steuerelektrode und Anode eine richtungskorrigierende Wirkung ausgeübt wird, während der andere Hohlkörper (76) das ganze System umgibt und auf Kathoden- oder Steuerelektroden-Potential ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 862 i68, 869 668, 243. 906 110;

deutsche Patentanmeldung F 4487 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 8. Januar 1953);

französische Patentschrift Nr. 1 021 531;

Dillenburg, »Aufbau und Arbeitsweise des Fernsehempfängers«, Verlag Schiele u. Schön, 1952, S. 123.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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