NL8802344A - Elektronenkanon en werkwijze voor het vervaardigen van een elektronenkanon. - Google Patents

Description

De uitvinding heeft betrekking op een elektronenkanon voor het opwekken van een elektronenbundel, bevattende een kathode-eenheid samengesteld uit een kathodeschacht die omgeven is door een warmtereflektiescherm, welke kathodeschacht een houder voorzien van elektronen-emitterend materiaal met een emitterend oppervlak draagt.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een elektronenkanon met een kathode-eenheid waarbij een kathodeschacht wordt opgehangen in een warmtereflektiescherm en een houder voorzien van een elektronenemitterend materiaal op het kopeinde van de kathodeschacht wordt bevestigd.

Een elektronenkanon van de in de aanhef genoemde soort wordt toegepast in zwart-wit en kleurenbeeldbuizen voor televisie en voor dataweergave, in camerabuizen en andere buizen waarin een elektronenbundel dient te worden opgewekt. De levensduur van zulke buizen wordt voor een groot deel bepaald door de levensduur van het elektronenkanon, welke onder meer afhangt van de levensduur van de kathode-eenheid van het elektronenkanon en de ophanging van de kathode-eenheid in het warmtereflektiescherm. Bovendien dient een elektronenkanon, met name de kathode-eenheid, nauwkeurig te kunnen worden vervaardigd in massafabrikage en een korte opwarmtijd te hebben. De huidige ontwikkeling van elektronenkanonnen beoogt dan ook aan deze wensen tegemoet te komen, echter de tot nu toe bekende elektronenkanonnen blijken in de praktijk nog enige nadelen te bezitten.

Een elektronenkanon van de in de aanhef genoemde soort is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4403169 (PHN 9733). Hierin is een elektronenkanon beschreven waarin de kathodeschacht vrijdragend in het warmtereflektiescherm is opgehangen met behulp van metalen draadjes die aan de kathodeschacht nabij het emitterende oppervlak en aan een kathodedrager zijn bevestigd. In de praktijk blijkt echter dat ten gevolge van de ophanging door draadjes het elektronenkanon gevoelig is voor trillingen en dat deze constructie, door de slechts gedeeltelijke afscherming van de kathodeschacht door het warmtereflektiescherm, een niet voldoende hoog thermisch rendement heeft. Verder is het bevestigen van de draadjes aan de kathodeschacht moeilijk.

Het is het doel van de uitvinding een elektronenkanon te verschaffen met een groot thermisch rendement, een korte opwarmtijd en een lange levensduur waarbij de kathode-eenheid nauwkeurig, goedkoop en eenvoudig in massa gefabriceerd kan worden.

Een elektronenkanon van de in de aanhef genoemde soort wordt daartoe volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat een bekervormig verbindingsstuk ter plaatse van het kopeinde van de kathodeschacht voorzien is, op welk verbindingsstuk zich de houder bevindt en de kathodeschacht in het warmtereflektiescherm is opgehangen met rechte ophangdraadjes, waarvan elk met een uiteinde nabij het kopeinde van het warmtereflektiescherm is bevestigd en het andere uiteinde zich tussen het verbindingsstuk en de houder in bevindt. Door deze constructie ligt de kathodeschacht geheel binnen het warmtereflektiescherm waardoor een hoog thermisch rendement wordt verkregen. Bovendien is de bevestiging van de ophangdraadjes eenvoudig te realiseren en is het mogelijk de kathodeschacht nauwkeurig en stabiel in een gemechaniseerd fabrikageproces in het warmtereflektiescherm op te hangen. Door het verhoogde thermische rendement wordt een elektronenbundel verkregen bij een geringe kathodedissipatie.

Het thermisch rendement van een elektronenkanon wordt nog verder verhoogd in een voorkeursvorm van een elektronenkanon volgens de uitvinding die gekenmerkt wordt doordat de houder van het elektronen-emitterende materiaal zich tenminste gedeeltelijk binnen het warmtereflektiescherm bevindt. Hierdoor wordt warmteverlies als gevolg van straling door de houder van het elektronen-emitterende materiaal tenminste gedeeltelijk door het warmtereflektiescherm voorkomen. De uitgestraalde warmte wordt naar de kathodeschacht gereflecteerd waardoor een kortere opwarmtijd wordt verkregen.

De kathode-eenheid van een elektronenkanon bereikt in bedrijf een aanzienlijke temperatuur. De onderdelen die voor de kathode-eenheid gebruikt worden zijn dan ook van hittebestendig materiaal vervaardigd, zoals bijvoorbeeld molybdeen. Een nadeel van deze hittebestendige materialen is echter dat het bevestigen van een onderdeel hieraan door middel van lassen zeer moeilijk is. Onder andere treedt ter plaatse van de las ongewenste scheurvorming op.

Een verdere voorkeursvorm van een elektronenkanon volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de kathodeschacht aan de binnenzijde voorzien is van een laag aluminium met een dikte tussen 1 en 10 pm. In de praktijk is gebleken dat hierdoor het lassen van, bijvoorbeeld het verbindingsstuk aan de kathodeschacht mogelijk is en . scheurvorming wordt voorkomen.

Een verdere voorkeursvorm van een elektronenkanon volgens de uitvinding die gekenmerkt wordt doordat de wanddikte van het verbindingsstuk ongeveer twee maal zo groot is als die van de kathodeschacht verschaft de mogelijkheid het verbindingsstuk door middel van laserlassen aan de kathodeschacht te bevestigen.

Een verdere voorkeursvorm van een elektronenkanon volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de ophangdraadjes vervaardigd zijn van een materiaal met een lage thermische geleidingscoëfficiènt tussen 40 en 60 WnT^K-^ bij ongeveer 1300°K. Hierdoor worden grote thermische lekken tussen de kathodeschacht en het warmtereflektiescherm voorkomen. Vanwege de hittebestendigheid van de kathode-eenheid en om nadelige effecten ten gevolge van verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënten te voorkomen bestaan bij voorkeur de kathodeschacht, het verbindingsstuk en de houder uit molybdeen.

Vanwege de kostprijs is het gewenst dat de vervaardiging van een elektronenkanon eenvoudig gemechaniseerd kan worden. De bevestiging van de onderdelen onderling geschiedt hiertoe, gezien de nauwkeurigheid en snelheid bij voorkeur met behulp van een laser. Deze mogelijkheid wordt in een werkwijze voor het vervaardigen van een elektronenkanon met een kathode-eenheid waarbij een kathodeschacht wordt opgehangen in een warmtereflektiescherm en een houder voorzien van een elektronen-emitterend materiaal op het kopeinde van de kathodeschacht wordt bevestigd, volgens de uitvinding verschaft die gekenmerkt wordt doordat de kathodeschacht gevormd wordt door een eenzijdig gealuminiseerde folie van een hittebestendig materiaal rond een doorn te rollen of te vormen, zodat een althans gedeeltelijke overlap wordt verkregen en de overlappende delen van de kathodeschacht aan één uiteinde van de kathodeschacht door lassen met elkaar te verbinden, een bekervormig verbindingsstuk van hittebestendig materiaal op het ander uiteinde, het kopeinde, van de kathodeschacht wordt geplaatst en met behulp van laserlassen hieraan wordt bevestigd, dat de kathodeschacht in het warmtereflektiescherm wordt opgehangen door achtereenvolgens ophangdraadjes met behulp van laserlassen aan de binnenwand nabij het kopeinde van het warmtereflektiescherm te bevestigen, het vrije uiteinde van elk ophangdraadje door middel van smelten te voorzien van een smeltbolletje, het verbindingsstuk en de houder tegen elkaar te plaatsen zodat het vrije uiteinde van de ophangdraadjes zich tussen de houder en het verbindingsstuk bevinden, en met behulp van een weerstandslas de houder met het verbindingsstuk te verbinden, het strekken van elk ophangdraadje door de kathodeschacht in het warmtereflektiescherm te duwen.

Enige uitvoeringsvormen van een elektronenkanon volgens de uitvinding zullen bij wijze van voorbeeld aan de hand van de tekening worden toegelicht, waarin: figuur 1 schematisch in doorsnede een kathodestraalbuis met een elektronenkanon volgens de uitvinding toont, figuur 2 schematisch een elektronenkanon volgens de uitvinding in doorsnede toont, figuur 3 schematisch in doorsnede een detail toont van figuur 2, figuur 4 schematisch in aanzicht het detail van figuur 3 in de richting van de pijlen IV toont, figuren 5a en b schematisch het vormen van de kathodeschacht toont, figuur 6 toont schematisch het verbinden van het verbindingsstuk, figuur 7 het bevestigen van ophangdraadjes aan het warmtereflektiescherm toont, figuur 8 het samenstellen van de kathode-eenheid toont, figuur 9 het bevestigen van de kathodeschacht aan de houder met behulp van een weerstandslas toont, en figuur 10 het strekken van de ophangdraadjes toont.

Figuur 1 toont een beeldbuis met een elektronenkanon volgens de uitvinding, in dit geval een kleurenbeeldbuis van het "in-line" type, in doorsnede. De uitvinding kan echter ook worden toegepast in kamerabuizen, zwart-wit televisiebeeldbuizen, en andere huistypen waarin een elektronenbundel moet worden opgewekt. In een glazen omhulling 1, die is samengesteld uit een beeldvenster 2, een trechtervormig deel 3 en een hals 4, zijn in deze hals 4 een drietal elektronenkanonnen 5, 6 en 7 aangebracht, die respectievelijk de elektronenbundels 8, 9 en 10 opwekken. De assen van de elektronenkanonnen zijn in één vlak gelegen, het vlak van tekening. De as van het middelste elektronenkanon 6 valt nagenoeg samen met de buisas 11. De drie elektronenkanonnen monden uit in een bus 16, die koaxiaal in de hals 4 gelegen is. Het beeldvenster 2 is aan de binnenzijde van een groot aantal trio's luminescerende fosforelementen voorzien. De fosforelementen kunnen bijvoorbeeld stipvormig of stripvormig zijn. De uitvinding wordt bij wijze van voorbeeld verder beschreven aan de hand van stripvormige elementen waarvan de lengterichting loodrecht op het vlak door de elektronenkanonnen (hier het vlak van tekening) staat. Alle trio's samen vormen het beeldscherm 12. Voor het beeldscherm 12 is een schaduwmasker 13 gepositioneerd waarin een zeer groot aantal langwerpige openingen 14 is aangebracht waardoor de elektronenbundels 8, 9 en 10 treden. De elektronenbundels worden in horizontale richting (in het vlak van tekening) en in vertikale richting (loodrecht op het vlak van de tekening) door het afbuigspoelenstelsel 15 afgebogen. De drie elektronenkanonnen zijn zo gemonteerd, dat de assen daarvan een kleine hoek met elkaar maken, de zogenaamde kleurselektiehoek. De elektronenbundels vallen daardoor onder die hoek door de openingen 14 en treffen ieder slechts fosforelementen van één kleur.

In figuur 2 is één van de elektronenkanonnen uit figuur 1 volgens de uitvinding in een langsdoorsnede weergegeven. In het rooster 21 bevindt zich een kathode-eenheid 22. De kathode-eenheid 22 bevat een elektronen-emitterende materiaal 24, bijvoorbeeld een geïmpregneerd wolfraam emitterlichaam, met een emitterend oppervlak 23. De opgewekte elektronenbundel treedt door opening 25 in het eerste rooster 21 en wordt vervolgens versneld en gefocusseerd met behulp van de elektrodes 26, 27 en 28. In een kleurenbeeldbuis bedraagt de kathodepotentiaal bijvoorbeeld +30 volt, het eerste rooster 21 heeft bijvoorbeeld een potentiaal van 0 Volt, het tweede rooster 26 een potentiaal van 1000 Volt, het derde rooster 27 een potentiaal van 6000 Volt en het vierde rooster 28 een potentiaal van 27 kVolt. De werking van de eerste roosterelektrode 21 is afhankelijk van de afstand van het emitterende oppervlak 23 tot deze elektrode 21. Het is daarom duidelijk dat thermische uitzetting van de kathodeschacht 30 geen invloed mag hebben op de afstand kathode - eerste rooster. Een dergelijke kathode-eenheid 22 kan natuurlijk ook in een diode-elektronenkanon worden toegepast (bijvoorbeeld in televisiecamerabuizen). In een diode-elektronenkanon wordt de kathode gevolgd door een op positieve spanning staande anode. Ook in een dergelijk diode-elektronenkanon moet de afstand van de kathode naar de anode konstant blijven.

De kathode-eenheid 22 bevat een met gezwart aluminiumoxyde bedekte verhittingsdraad 31, die met aansluitstrippen 32 is verbonden, welke verhittingsdraad 31 zich binnen de kathodeschacht 30 bevindt. Het elektronen-emitterende materiaal 24 bevindt zich in een houder 33. De kathodeschacht 30 is in een warmtereflektiescherm 34 opgehangen met behulp van rechte ophangdraadjes 35. Dit warmtereflektiescherm 34 wordt omvat door een elektrisch isolerend keramisch lichaam 36 in een montagebus 37. In het keramisch lichaam 36 zijn twee pennen 38 aangebracht waaraan de aansluitstrippen 32 voor de verhittingsdraad 31 zijn door middel van puntlassen.

In figuur 3 is een detail van figuur 2 in doorsnede weergegeven, dat de ophanging van de kathodeschacht 30 in het warmtereflektiescherm 34 duidelijk toont. Een bekervormig verbindingsstuk 39 is ter plaatse van het kopeinde van de kathodeschacht 30 voorzien. De houder 33 met het elektronen-emitterende materiaal 24 bevindt zich op het verbindingsstuk 39. Tussen het verbindingssstuk 39 en de houder 33 bevindt zich een vrij uiteinde 40 van een ophangdraadje 35 waarvan het andere uiteinde 41 nabij het kopeinde van het warmtereflektiescherm 34 hieraan bevestigd is. Hierdoor wordt het mogelijk de kathodeschacht 30 geheel binnen het warmtereflektiescherm 34 te plaatsen. Het thermisch rendement van de kathode-eenheid wordt hierdoor verhoogd, doordat nagenoeg alle warmte die tijdens het gebruik van de kathode-eenheid wordt uitgestraald, door het warmtereflektiescherm 34 gereflekteerd wordt. Het thermisch rendement wordt in de getoonde voorkeursvorm zelfs nog meer verhoogd doordat de houder 33 van het emitterende materiaal zich gedeeltelijk binnen het warmtereflektiescherm bevindt. In afhankelijkheid van de afstand d, dit is de afstand tussen het kopeinde van het warmtereflektiescherm 34 en de plaats waar de ophangdraadjes 35 aan het warmtereflektiescherm 34 zijn bevestigd, kan de mate waarin de houder 33 binnen het warmtereflektie-scherm 34 bevindt, en dus het thermisch rendement van de kathode-eenheid, ingesteld worden.

Om de warmtegeleiding tussen de kathodeschacht 30 en het warmtereflektiescherm 34 beperkt te houden zodat er geen grote thermische lekken ontstaan zijn de ophangdraadjes 35 bij voorkeur van een materiaal vervaardigd met een lage thermische geleidingskoëfficient, bij gebruikscondities tussen 40 en 60 Wm-^K-^ bij ongeveer 1300°K.

Zulk een materiaal is bij voorkeur een legering van wolfraam met ongeveer 26 gewichtsprocent rhenium, een legering van molybdeen met ongeveer 41 gewichtsprocent rhenium of een legering van tantaal en neobium.

De kathode-eenheid wordt in voldoende mate ongevoelig voor trillingen gemaakt door de ophangdraadjes 35 te strekken, hetgeen aan de hand van figuur 10 uitgelegd zal worden. In figuur 4 is schematisch in aanzicht het detail van figuur 3 weergegeven. In dit uitvoeringsvoorbeeld is de kathode-schacht met behulp van drie ophangdraadjes 35 in het warmtereflektiescherm 34 opgehangen. Door de kleine afstand van het emitterende oppervlak 23 tot de bevestigingsplaats van de ophangdraadjes 35 in het warmtereflektiescherm 34 blijft tijdens temperatuursveranderingen de verandering in positie van het emitterende oppervlak ten gevolge van thermische uitzetting van de houder 33 en de ophangdraadjes 35 in voldoende mate beperkt. De positie van het emitterend oppervlak 23 blijft hierdoor tijdens de levensduur nagenoeg constant.

Tijdens bedrijf kunnen sommige onderdelen van de kathode-eenheid een temperatuur van ongeveer 1300°K bereiken. De kathodeschacht 30, het verbindingsstuk 39 en de houder 33 bestaan bij voorkeur hoofdzakelijk uit een hittebestendig materiaal zoals bijvoorbeeld molybdeen zodat een voldoende hoge thermische bestendigheid verkregen wordt.

Het bevestigen van bijvoorbeeld het verbindingsstuk 39 aan de kathodeschacht 30, wanneer deze van een hittebestendig materiaal vervaardigd zijn, blijkt in de praktijk te kunnen geschieden door de binnenzijde van de kathodeschacht 30 te voorzien van laag aluminium met een dikte tussen 1 en 10 pm bijvoorbeeld 2 pm. Het blijkt dat het aluminium scheurvorming in de las voorkomt.

In de praktijk blijkt een bevestiging van het verbindingsstuk 39 aan de kathodeschacht 30 bijzonder stabiel te zijn en eenvoudig te realiseren door middel van laserlassen, wanneer de wanddikte van het verbindingsstuk 39 ongeveer tweemaal zo groot is als die van de kathodeschacht 30.

Het nauwkeurig en in een gemechaniseerd fabrikageproces vervaardigen van een elektronenkanon volgens de uitvinding zal aan de hand van de figuur 5 tot en met 9 beschreven worden.

Het vervaardigen van de kathodeschacht is schematisch weergegeven in de Figuren 5A en B. Een folie 50 van molybdeen of een ander hittbestendig materiaal die aan één zijde voorzien is van een laag 52 aluminium wordt om een doorn 51 heen gerold of getrokken zodat een althans gedeeltelijke overlap wordt verkregen. De folie 50 die een dikte heeft van bijvoorbeeld 30 pm neemt de vorm van de doorn 51 aan.

Aan één uiteinde 61 van de aldus gevormde kathodeschacht 53 worden de overlappende delen door middel van lassen met elkaar verbonden (zie Figuur 6).

Vervolgens wordt een bekervormig verbindingsstuk 55 vervaardigd uit bijvoorbeeld molybdeen op het kopeinde van de kathodeschacht 53 geplaatst. Doordat de overlappende delen van de gevormde kathodeschacht 53 ter plaatse van het verbindingsstuk niet met elkaar zijn verbonden zijn ligt de kathodeschacht 53 goed aan tegen het verbindingsstuk 55. Hierdoor is een hecht mechanisch kontakt tussen de kathodeschacht 53 en het verbindingsstuk 55 verzekerd. Hierdoor is het met behulp van drie laserlassen 62 bevestigen van het verbindingsstuk 55 aan de kathodeschacht 53 mogelijk. Nabij het kopeinde van een warmtereflektiescherm 56 (Figuur 7) worden een aantal, bijvoorbeeld drie, ophangdraadjes 57 bijvoorbeeld met een doorsnede en lengte van respectievelijk 30 ym en 600 ym bevestigd die vervaardigd zijn van een materiaal met een lage thermische geleidingskoëfficient tussen 40 en 60 WnT^K-^ bij ongeveer 1300°K. Een legering van wolfraam met 26% rhenium is hiervoor onder andere geschikt. Aan het vrije uiteinde van elk ophangdraadje 57 wordt door middel van smelten een smeltbolletje 58 aangebracht, waarvan de funktie hieronder nader wordt uitgelegd.

De kathodeschacht 53 wordt in het warmtereflektiescherm 56 opgehangen (zie Figuur 8) door de houder 59 met het elektronen-emitterend materiaal 60 en het verbindingsstuk 55 met de daaraan bevestigde kathodeschacht 53 tegen elkaar te plaatsen zodat de vrije uiteinden 58 van de ophangdraadjes 57 zich tussen de houder 59 en het verbindingsstuk 55 in bevinden.

De houder 59 wordt aan het verbindingsstuk 55 bevestigd door middel van een weerstandslas. Hiertoe wordt zoals weergegeven in Figuur 9 een laselektrode 61 in de kathodeschacht 53 gebracht. In de praktijk is gebleken dat een uitermate goede bevestiging wordt verkregen door de smeltbolletjes 58 aan de ophangdraadjes 57.

Tenslotte wordt elk ophangdraadje 57 gestrekt door de kathodeschacht 53 in het warmtereflektiescherm 56 te duwen, zoals schematisch weergegeven is in figuur 10. Hierdoor worden de ophangdraadjes enigszins gedeformeerd. In de praktijk blijkt de trillingsgevoeligheid van de uiteindelijke ophanging van de kathodeschacht in het warmtereflektiescherm voldoende verminderd te worden, wanneer de uitrekking ongeveer 5% bedraagt.

Claims (8)

1. Elektronenkanon voor het opwekken van een elektronenbundel, bevattende een kathode-eenheid samengesteld uit een kathodeschacht die omgeven is door een warmtereflektiescherm, welke kathodeschacht een houder voorzien van elektronen-emitterend materiaal i met een emitterend oppervlak draagt, met het kenmerk, dat een bekervormig verbindingsstuk ter plaatse van het kopeinde van de kathodeschacht voorzien is, op welk verbindingsstuk zich de houder bevindt en de kathodeschacht in het warmtereflektiescherm is opgehangen met rechte ophangdraadjes, waarvan elk met een uiteinde nabij het kopeinde van het warmtereflektiescherm is bevestigd en het andere uiteinde zich tussen het verbindingsstuk en de houder in bevindt.

2. Elektronenkanon volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de houder van het elektronen-emitterende materiaal zich tenminste gedeeltelijk binnen het warmtereflektiescherm bevindt.

3. Elektronenkanon volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de kathodeschacht aan de binnenzijde voorzien is van een laag aluminium met een dikte tussen 1 en 10 pm.

4. Elektronenkanon volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de wanddikte van het verbindingsstuk ongeveer twee maal zo groot is als die van de kathodeschacht en het verbindingsstuk door middel van laserlassen aan de kathodeschacht is bevestigd.

5. Elektronenkanon volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de ophangdraadjes van een materiaal vervaardigd zijn met een thermische geleidingscoëfficiënt tussen 40 en 60 WnT^K”^ bij ongeveer 1300°K.

6. Elektronenkanon volgens conclusies 5, met het kenmerk dat het materiaal een legering van wolfraam met ongeveer 26 gewichtsprocent rhenium, een legering van molybdeen met ongeveer 41 gewichtsprocent rhenium of een legering van tantaal en neobium is.

7. Elektronenkanon volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de kathodeschacht, het verbindingsstuk en de houder hoofdzakelijk uit molybdeen bestaan.

8. Werkwijze voor het vervaardigen van een elektronenkanon met een kathode-eenheid waarbij een kathodeschacht wordt opgehangen in een warmtereflektiescherm en een houder voorzien van een elektronen-emitterend materiaal op het kopeinde van de kathodeschacht wordt bevestigd, met het kenmerk, dat de kathodeschacht gevormd wordt door een eenzijdig gealuminiseerde folie van een hittebestendig materiaal rond een doorn te rollen of te vormen, zodat een althans gedeeltelijke overlap wordt verkregen en de overlappende delen van de kathodeschacht aan één uiteinde van de kathodeschacht door lassen met elkaar te verbinden, een bekervormig verbindingsstuk van hittebestendig materiaal op het andere uiteinde, het kopeinde, van de kathodeschacht wordt geplaatst en met behulp van lassen hieraan wordt bevestigd, dat de kathodeschacht in het warmtereflektiescherm wordt opgehangen door achtereenvolgens ophangdraadjes met behulp van laserlassen aan de binnenwand nabij het kopeinde van het warmtereflektiescherm te bevestigen, het vrije uiteinde van elk ophangdraadje door middel van smelten te voorzien van een smeltbolletje, het verbindingsstuk en de houder tegen elkaar te plaatsen zodat de vrije uiteinden van de ophangdraadjes zich tussen de houder en het verbindingsstuk bevinden, en met behulp van een weerstandslas de houder met het verbindingsstuk te verbinden, en elk ophangdraadje gestrekt wordt door de kathodeschacht in het warmtereflektiescherm te duwen.