DE2226171A1

DE2226171A1 - Elektronenkanone

Info

Publication number: DE2226171A1
Application number: DE2226171A
Authority: DE
Inventors: David James Bates; Aris Silzars
Original assignee: Watkins Johnson Co
Current assignee: Rank Organisation Plc London Gb
Priority date: 1971-06-03
Filing date: 1972-05-30
Publication date: 1973-01-04
Also published as: JPS538185B1; US3740607A; IT956064B; FR2140218A1; FR2140218B1; NL7207528A; GB1334492A

Description

WATKINS-JOHNSON COMPANY, PaIo Alto, Kalif. (V.St.A.)

Elektronenkanone.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden Anmeldung in den V.St.A. Ser.No. 149,445 vom 3. Juni 1971· beansprucht.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenkanone, und zwar insbesondere auf eine solche mit einer laminaren Strömung, die einen kleinen Elektronenstrahl mit hoher Stromdichte erzeugt und eine minimale Leistung für Strahlbildung, Modulation und Ablenkung sowie eine minimale Baulänge der Kanone erfordert.

Zur Zeit sind die Elektronenkanonen für Wiedergaberöhren oder grosse Strahllängen in einem feldfreien Bereich solche vom überkreuzungs- oder Bündelknotentyp. Dieser Kanonentyp ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Er besteht aus zwei grundsätzlichen Abschnitten, einem Strahlbildungsabschnitt, oft auch "Triodenabschnitt" genannt, und einem Fokussierungsabschnitt, in welchem der Strahl entweder elektrostatisch oder elektromagnetisch fokussiert wird.

Zu den Schlüsselelementen des Triodenabschnitts gehören die Kathode, das Gitter und die Beschleunigungselektrode. Die Kathode dient als Elektronenquelle und ist gewöhnlich eine indirekt beheizte ebene Fläche. Das Gitter

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oder die modulierende Elektrode ist üblicherweise ein Napf mit perforiertem Boden. Typischerweise ist die öffnungsfläche bedeutend kleiner als die Kathodenfläche. Die erste Anode oder Beschleunigungselektrode ist in der Regel ein Zylinder mit einer begrenzenden Öffnung. Die Arbeitsweise von überkreuzungs- oder Bündelknotenkanonen wurde in Veröffentlichungen verschiedener Verfasser ausführlich behandelt. Eine Beschreibung dieser Arbeitsweise wird von I.G.^faloff und E.W. Epstein in deren Veröffentlichung "Electron Optics in Television", McGraw-Hill Book Company, 1938 gegeben.

Der überkreuzungs- oder Bündelknotenkanone haften bestimmte systembedingte Nachteile und Beschränkungen an. Dazu gehört insbesondere eine nichtgleichförmige Kathodenaufladung infolge von Verschiedenheiten der GrÖsse der elektrischen Felder an verschiedenen Stellen der Kathodenoberfläche. Nichtgleichförmige Kathodenaufladung bedeutet, dass die Kathode sich heisser laufen muss als bei einer Kanone mit gleichförmiger Kathodenaufladung und hat eine kürzere Betriebslebensdauer zur Folge. Nichtgleichförmige Aufladung führt auch zur Bildung eines fokussierten Leuchtflecks mit nichtgleichförmiger HelligkeitsVerteilung.

Bei der Überkreuzungskanone kommen beträchtliche Veränderungen der Leuchtfleckgrösse bei Änderungen der Gittersteuerung vor. Es hat zur Folge, dass die Auflösung der Kanone bei niedrigen Strahlströmen am besten ist (geringe Helligkeit im Fall einer Kathodenstrahlröhre), da sie abnimmt, wenn der Strahlstrom (Helligkeit) zunimmt. Die Veränderungen der Leuchtfleckgrösse in Abhängigkeit von der

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Gitteraussteuerung ergeben sich aus der Geometrie des Triodenabschnitts der Überkreuzungskanone₃ die so beschaffen ist, dass Änderungen des Gitterpotentiali nicht nur die emittierte Stromdichte, sondern auch die Grosse der emittierenden Fläche verändern.

Räumlich grosse Längenabmessungen der Kanone sind erforderlich, um die Strahlvergrosserung möglichst klein zu halten, öffnungen, die eingefügt werden, um die Auflötung zu verbessern, führen wegen Abfangens des Strahls zu einer schlechten Stromausnützung.

Eine andere Art von Elektronenkanonen, die eine- verbreitete Anwendung bei Elektronenröhren wie Wanderellenröhren und Klystrons gefunden hat, bedient sich einer Pierce-Elektrode. Die Kathode bei dieser Art von Elektronenkanonen arbeitet mit hoher Stromdichte und hohem Wirkungsgrad. ■ Diese Art von Kathoden bzw. Kanonen verwendet eine Kathode, die in dichtem Abstand von einer tellerförmigen Elektrode auf Nullpotential umgeben ist, und eine in einem Abstand von der Kathode befindliche.. und ihr gegenüberstehende Anode. Der Strahl hat praktisch seine Endgeschwindigkeit, wenn er die Anode verlässt. Wegen der hohen Stromdichte in dem Strahl erfolgt eine Raumladungsausbreitung. Längs des Strahlweges ist eine Pokussierungseinrichtung erforderlich. Da die hauptsächliche Beschleunigung des Strahls von der Anode ausgeht, besteht die einzige Steuerungsmöglichkeit des Strahlstromes praktisch in einer Steuerung der Anodenspannung. Infolgedessen haben die sogenannten

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Pierce-Kanonen keine Anwendung bei Kathodenstrahlröhren und davon abgeleiteten Anordnungen gefunden, welche einen niedrigen Strahlstrom, eine Steuerungsmöglichkeit für den Strahlstrom und eine Fokussierung auf einen Schirm, der sich am Ende eines feldfreien Bereichs befindet,er£or4«fB.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Elektronenkanone zur Anwendung in Kathodenstrahlröhren, Kameraröhren, Speicherröhren, Elektronenbombardierungs-Halbleiteranordnungen und sonstigen Vorrichtungen mit Anwendung von Elektronenstrahlen zu schaffen. Die spzielle Aufgabe besteht darin, ein besseres elektronenoptisches System für eine Elektronenkanone zu schaffen, die einen Strahl von hoher Stromdichte mit kreisförmigen oder anderem Querschnitt bildet, der keine Fokussierung des Elektronenstrahls in dem feldfreien Bereich hinter der Kanone erfordert und den Strahl auf einen Punkt fokussiert, dessen Abstand hinter der Kanone in der Grössenordnung des Hundertfachen oder mehr des Strahldurchmessers am Fokussierungs· punkt liegt. Bei der Elektronenkathode sollen ferner die Stromdichtenverteilung quer zum Strahl gleichförmig sein. Die Elektronenkanone soll einen laminaren Elektronenstrom bilden, dessen Länge und Durchmesser kleiner sein kann als bei den vorhandenen Überkreuzungskanonen. Die Kanone soll einen verhältnismässig kleinen Leuchtfleck von konstanter Grosse bei Änderungen der Gittersteuerung projizieren. Schliesslich sollein besserer Wirkungsgrad erreicht werden, d.h. es soll praktisch der ganze Kathodenstrom

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am Schirm ankommen und die gesamte Kathodenfläche für die Emission ausgenutzt werden. Die elektrischen Feldlinien an der Kathode sollen gleichförmig und senkrecht zu dieser verlaufen, um eine gleichförmige Aufladung zu bewirken und hierdurch die Spitzenstromdichte an der Kathodenfläche für einen gegebenen Gesamtstrom im Strahl herabzusetzen und einen Strahl zu bilden, der keine sonstigen Quergeschwindigkeiten anderer Art als thermische Geschwindigkeiten aufweist. Kleine Gitterspannungen sollen genügen, um den Strahlstrom zu steuern.

Um dem zu entsprechen, wird erfindungsgemäss bei einer Elektronenkanone zur Bildung eines Elektronenstrahls die Elektronenquelle von einer Fläche der Kathode gebildet, die von einer mit Öffnungen versehenen Steuerelektrode umgeben ist, deren Oberfläche die Fortsetzung der Kathodenfläche bildet, und in einem Abstand von der Kathodenfläche und der Steuerelektrode ist eine mit Öffnungen versehene Anode angeordnet, die mit ihnen zusammenarbeitet, indem sie Elektronen an der Oberfläche beschleunigt und eine im wesentlichen gleichförmige laminare Elektronenströmung in einem Strahl von der Kathodenfläche gegen die Anode hin bildet; dabei bildet die Anode längs der Bahn des Strahles ein divergierendes Feld, und es sind zusätzliche Elektrodenanordnungen zum Auffangen und Beschleunigen des Strahls sowie zu seiner Fokussierung vorgesehen. Es handelt sich also um eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl mit laminarer Strömung erzeugt, eine Kathode zur Bildung von Elektronen aufweist, ferner eine tellerförmige

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mit Öffnungen versehene Steuerelektrode, welche die Kathodenfläche umgibt und deren Fortsetzung bildet, eine zylindrische Anode, die sich längs ihrer Achse in einem Abstand von der Kathode befindet und deren eines Ende so gestaltet ist, dass es mit der Steuerlektrode zusammenwirkt, um ein praktisch gleichförmiges elektrisches Feld an und in der Nachbarschaft der Kathodenfläche zu erzeugen, um dadurch einen praktisch gleichförmigen Emissionsstrom aus der Kathodenfläche, eine laminare Strömung und ein Feld zu schaffen, das im Abstand von der Kathode längs des Strahlweges eine elektrostatische Linse bildet, und zusätzliche Elektroden längs des Strahlweges zum Auffangen des die Anode verlassenden Strahls sowie zum Fokussieren und Beschleunigen des Strahls.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bereits bekannten überkreuzungs- oder Bündelknoten-Elektronenkanone ;

Fig. 2 ein Kurvenbild des Intensitätswirkungsgrades J/JM als Funktion der Kathodenvergrosserung

2
M für dem Stand der Technik entsprechende .

Kanonen von der in Fig. 1 gezeigten Art; Fig. 3 ein Kurvenbild des Stromdichte-Wirkungsgrads J/JM als Funktion des Stromwirkungsgrads

ρ
JM /J_Q für dem Stand der Technik entsprechende Kanonen der in Fig. 1 gezeigten Art;

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Fig. H zeigt eine schematische Darstellung einer Kathodenstrahlröhre mit einer laminaren Elektronenkanone gemäss der Erfindung;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Elektronenkanone von Fig. 4 in vergrössertem Maßstab;

Fig. 6 ist eine Darstellung der Kanone von Fig. 5₃ . bei welcher die den Äquipotentialflächen

entsprechenden Linien und der Elektronenstrahl eingezeichnet sind;

Fig. 7 zeigt eine Kanone gemäss der Erfindung mit magnetischer Fokussierungseinrichtung;

Fig. 8 ist ein Kurvenbild, das den Kathodenstrom in Mikroampere als Funktion der negativen Gitterspannung in Volt darstellt;

Fig. 9 ist ein Kurvenbild, das die Leuchtfleckgrösse, in Zoll gemessen, als Funktion des Stromes im Elektronenstrahl, gemessen in Mikroampere, für eine Elektronenkanone gemäss der Erfindung zeigt.

Die in Fig. 1 dargestellte, dem Stand der Technik entsprechende überkreuzungs- oder Bündelknoten-Elektronenkanone enthält einen Triodenabschnitt 11 mit einer beheizten Kathode 12, deren emittierende Oberfläche mit 13 bezeichnet ist. Eine mit einer öffnung versehene napfförmige Steuerelektrode lh ist vor der Kathodenfläche 13 angeordnet. Eine erste Anode 16 dient zur Beschleunigung der Elektronen und bildet das letzte Bauelement des Triodenabschnitts 11. Die Anode 16 weist strombegrenzende öffnungen 17 und 18

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auf. Der Fokussierungsabschnitt umfasst eine zweite oder Fokussierungselektrode 19 längs des Strahlweges und in einem Abstand von diesem. Die Anode weist eine strombegrenzende öffnung 21 auf. Die Wirkung des Triodenabschnitts besteht darin, die die Kathodenfläche verlassenden Elektronen an einem Punkt 22 zu fokussieren, von wo aus die Elektronen sich ausbreiten, durch die begrenzenden öffnungen 17, 18 und 21 teilweise aufgefangen werden und für das Auftreffen auf einem Schirm 23 fokussiert werden. In bekannter Weise kann der Fokussierungsabschnitt auch magnetische Einrichtungen statt elektrostatischer Einrichtungen aufweisen. Ablenkvorrichtungen sind nicht gezeigt.

Die Gitterspannung e , die Beschleunigungsspannung e, und die Fokussierungsspannung ep werden an die Elektroden angelegt. Die Mängel und Beschränkungen dieser Art von Elektronenkanonen wurden bereits früher beschrieben. Die Fig. 2 und 3 zeigen den Intensitätswirkungsgrad als Funktion des Stromwirkungsgrades für eine Überkreuzungskanone nach Fig. 1. ■ .

Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine Kathodenstrahlröhe 31 und eine Elektronenkanone 32 gemäss der Erfindung. Die so verbesserte Elektronenkanone kann auch in Kameraröhren, Speicherröhren, Strahl-Halbleitervorrichtungen sowie für andere Anwendungen benutzt werden, bei denen ein scharf fokussierter Elektronenstrahl mit hohem Wirkungsgrad und hohem Strom erforderlich ist.

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Die als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Elektronenkanone besitzt eine indirekt beheizte Kathode 33, zu deren Beheizung ein in dem napfförmigen rückwärtigen Teil der Kathode angeordnetes Widerstandsheizelement vorgesehen ist. Eine kleine emittierende Kathodenfläche 35 befindet sich am Ende des VorSprungs 36,durch das eine Fläche von vorbestimmter Grosse definiert wird. Eine Elektrode 37 mit einer öffnung 38 umgibt den Kathodenvorsprung 36 mit Abstand von diesem. Die tellerförmige Fläche 39 der Elektrode 37 befindet sich in der Nachbarschaft der Kathodenfläche 35 und wirkt mit dieser zusammen. Eine Anode 41 ist vor der Kathodenfläche 35 und der Elektrodenfläche 39 angeordnet. Die Anode 4l kann ein Zylinder mit einem Rand oder einer Lippe 42 sein. Dieser Rand bzw. die Lippe 42 wirkt mit der Kathode und der Elektrode zusammen bei der Bildung eines praktisch gleichförmigen elektrischen Feldes 43, Fig. 6, vor allen Stellen der emittierenden Fläche 35 der Kathode, so dass die Elektronen gleichförmig und im wesentlichen senkrecht zur Fläche der Kathode emittiert werden und einen laminaren Strahl bilden. Die Elektrode 41 bildet auch eine elektrostatische Linse, die durch die Feldlinien 44 angegeben, so dass der die Kathode verlassende Strahl defokussiert oder entbündelt wird. Gemäss der Erfindung ist die Linse eine Divergenzlinse, so dass der Strahl 46 bei seinem Eintritt in den Fokussierungsabschnitt aufgeweitet wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt eine zweite Anode 47 mit der ersten zur Bildung einer Konvergenzlinse zusammen, welche die Strahlfeldlinien 48 konvergiert.

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Der Strahl läuft dann In den Bereich, in dem sich die leitende Fläche 49 auf der Innenseite der Kathodenstrahlröhre befindet. Es ist dies praktisch eine dritte Elektrode, die das Endbeschleunigungsfeld, die letzte Sammellinse 5o, und einen feldfreien Bereich für den Strahl zu dessen Leitung und Fokussierung auf den Schirm 51 der Kathodenstrahlröhre bildet.

Wenn einmal der Elektronenstrahl die letzte Anode verlässt, steht er nicht unter dem Einfluss irgendwelcher Fokussierungskräfte. Jedoch gibt es Effekte, die den Strahl aufzuweiten oder zu entbündeln suchen wie z.B. Raumladungsrepulsionskräfte, thermische Quergeschwindigkeiten und Quergeschwindigkeiten infolge von Aberrationen und/oder Kanonen-Assimetrie. Es ist typisch, dass der Strahldurchmesser durch die Divergenzlinse der Anode 51 gegenüber seinem ursprünglichen Durchmesser (gleich demjenigen der Kathode) vergrössert werden muss, so dass er anschliessend durch die Fokussierungsfeider auf den Schirm mit dem gleichen oder sogar einem kleineren Durchmesser als dem der Kathode fokussiert werden kann. Im Gegensatz zu einer Pierce-Kanone hat der Strahl nicht seine Endgeschwindigkeit bis er die Kanonenanordnung verlasst. Infolgedessen ist es möglich, die Emission aus der Kathode (Strahlstrom) zu steuern.

Die Kathode 33 wird am einen Ende des feuerfesten Zylinders 55 gehalten, der als Hitzeschild wirkt. Das andere Ende des Zylinders wird von einem Halter 52 getragen, der mit Haltescheiben 53 versehen ist. Diese tragen wiederum

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keramische Scheibe 54, die von der Umhüllung der Röhre getragen werden und durch die Haltescheiben zwecks Halterung der Kathode hindurchgehen. Die Elektrode 37, die Anode ¹Il und die Anode 47 weisen Scheiben 56, 57 und 58 auf, die ebenfalls mit den keramischen Stiften im Eingriff stehen, welche die Kanonenanordnung in der Umhüllung zusammen mit den.verschiedenen Bauelementen ausgerichtet tragen.

In Fig. 5 sind Längen, Durchmesser und Abstände der verschiedenen Elektroden sowie die angelegten Spannungen angegeben. Die Gitterspannung e , die Anodenspannung e., die Fokussierungselektrodenspannung e« und die Beschleunigungsspannung e, sind zwischen Kathode 33 und Gitter 37, Anode 4l, Fokussierungselektrode 47 und Beschleunigungselektrode 48 angelegt. Der Neigungswinkel der tellerförmigen Elektrode ist mit 0, und der Neigungswinkel der Lippe.oder des Randes 42 der Anode 41 mit CL bezeichnet, beide gemessen von einer jeweils zur Achse der Röhre senkrechten Linie aus. Der Abstand zwischen dem Boden des Gitters 37 in der Nachbarschaft der öffnung 38 und der Kathodenoberfläche hat die Bezeichnung d,. Der Abstand zwischen dem Boden des Gitters 37 und dem Ende der Lippe 42 ist mit dp bezeichnet. Der Abstand zwischen der Anode 4l und der Elektrode 47 ist d,. Der Durchmesser der Kathode ist mit D, und derjenige der öffnung 35 des tellerförmigen Gitters mit Dp bezeichnet. Der Durchmesser der öffnung in der Lippe 42 heisst D, und der Durchmesser des zylindrischen Teils der Anode 4l und der Elektrode 47 D₁.. Der Durchmesser der Endbeschleunigungselektrode, die auch durch den leitenden Belag auf

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der Innenseite der Kathodenstrahlröhre gebildet sein kann, ist mit Dj. bezeichnet. Die Längen der Anode ¹Il und der Elektrode 47 sind 1. bzw. Ip. Die Gesamtlänge der Kanone jenseits des Endes der Kathodenfläche beträgt 1, und die Länge des feldfreien Bereichs K.

Die elektronenoptische Ausbildung einer solchen Elektronenkanone ist folgende. Die in Fig. 5 gezeigten Winkel 0, und CL sowie der Abstand d. und die Kathodenkrümmung werden so gewählt, dass die Elektronen die Oberfläche der Kathode auf praktisch parallelen Bahnen (d.h. in einem laminarem Strom) senkrecht zur Oberfläche verlassen, Die Spannungen und Formgebungen werden so gewählt, dass die Äquipotentialflächen im wesentlichen parallel verlaufen, dass der Gradient des elektrischen Feldes in der Nachbarschaft der Kathodenoberfläche praktisch senkrecht zu dieser verläuft und dass die Felder in der Nachbarschaft der Lippe 42 eine Divergenzlinse bilden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Abstände, Winkel, Spannungen und der Durchmesser D, der Lippe 42 derart gewählt und aufeinander abgestimmt werden, dass der Abgangswinkel des Strahls an der Kathode entsprechend gesteuert wird.

Der Strahl 46 ist schematisch in Fig. 6 angegeben, und zwar als ein Strahl, der im wesentlichen senkrecht zur Kathode verläuft. Die positive Fokussierwirkung der Felder 48 und 5o und der feldfreie Bereich innerhalb der

Elektrode

Kafcbede 49 erzeugen ein Abbild auf dem Schirm. Es ist bekannt, dass die elektrostatische Fokussierung noch durch eine elektromagnetische Fokussiereinrichtung 6o.

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wie sie schematisch in Fig. 7 gezeigt ist, unterstützt werden kann. Sie dient zur Bildung einer Konvergenz- oder Sammellinse zur Fokussierung des Strahls auf dem Schirm.

Die Grosse des Leuchtflecks auf dem Schirm wird bestimmt durch die Lage und Grosse des virtuellen Kathodenbildes, welches das Objekt für die Sammellinse bildet. Die Flugbahnen der Elektronen sind solche, dass sie im Idealfall ein unendlich kleines Kathodenbild in jeder gewünschten Lage hinter der Kathode erzeugt werden kann. Das wird durch die gestrichelte Linie 6l angedeutet, die hinter der Kathode in Fig. 6 bezeichnet ist. Praktisch ist jedoch die Grosse des virtuellen Kathodenbildes durch thermische Quergeschwindigkeiten und verschiedene Unvollkommenheiten begrenzt, wie z.B. sphärische Aberrationen und Astigmatismen. Die Laminarströmkanone minimalisiert jedoch diese Begrenzungen auf drei Arten: Das virtuelle Kathodenbild wird viel weiter entfernt von dem Brennpunkt der Sammellinse erzeugt als bei einer Überkreuzungskanone; die Auswirkungen der thermischen Geschwindigkeit werden durch gleichförmiges Beschleunigen des Strahls auf seine Endgeschwindigkeit oder Endspannung mit den Elektroden 41, 47 und 49 in vergleichsweise kurzeml Abstand vermindert; und die Aberrationseffekte werden durch die Benutzung von Linsen mit langer Brennweite ohne Begrenzungsöffnungen vermindert.

Die virtuelle Lage und Grosse der Kathode sind primär von Bedeutung, da die Sammellinsen die virtuelle Kathode direkt proportional zu den Abständen des Objektbilds

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von den Linsenbrennpunkten vergrössern. Im Vergleich hierzu müsste eine Überkreuzungskanone durch ihre Ausbildung stets ein Kathodenbild nahe bei der Kathode erzeugen. Dies verursacht eine übermässige Vergrösserung des überkreuzungsleuchtflecks und daher müssen sie, wenn Geräte mit hoher Auflösung erforderlich sind, sehr lang gestaltet werden, wobei verhältnismässig von dem Strahlquerschnitt durch die öffnungen in den Pokussierelektroden abgefangen wird.

- Der Brennpunkt und die emittierende Kathodenfläche bleiben relativ unbeeinflusst durch Änderungen der Spannung ν an der Steuerelektrode 37. Ferner werden relativ niedrige Spannungen benötigt, um beträchtliche Änderungen des Strahlstromes zu erhalten. Der primäre Effekt von Änderungen der Gitterspannung besteht bei der Laminarstromkanone darin, dass die Kathodenstromdichte und nicht die emittierende Kathodenfläche gleichförmig geändert wird. Die Gleichförmigkeit der Stromdichte und die Brennpunktlagen werden bedeutend weniger durch Änderungen der Gittersteuerung beeinflusst, die vorgenommen werden, um den gesamten Strahlstrom zu ändern. Wenn der Strahlstrom äusserst klein ist wie bei den bereits vorhandenen Kathodenstrahlröhren, braucht der Strahl - wenn überhaupt - im Kanonenbereich nicht bedeutend aufgeweitet zu werden, und er kann dennoch durch die Sammellinse auf dem Schirm fokussiert werden, um dort einen äusserst kfeinen Leuchtfleck mit hoher Stromdichte zu bilden.

Das Kathodenabbild ist bei der Laminarstromkanone gemäss der Erfindung geradezu ideal wegen der gleichförmigen

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Dichte des EmissionsStroms aus der Kathode und der Parallelität des Elekttronenstroms im Bereich zwischen Kathode und Anode. Das optische Analogon besteht darin, dass der Strahl von einer punktförmigen Quelle mit unendlichem Abstand beginnt_s se ass die Beleuchtung an der Kathode vollkoBmen gleichförmig und parallel ist. Insgesamt ist das Ergebnis der Erfindung ein Strahl auf dem Schirm mit bedeutend gleiehmässigerer hoher Stromdichte. Das wird erreicht mit einer verbesserten Lebensdauer der Kathode und einer bedeutend kleineren Gesamtlänge der Kanone. Dabei kann die Ausbildung Jenseits der Anode in bekannter Weise grundsätzlich aus zwei zylindrischen Elektronenfokussierlinsen bestehen. Eine einzige elektrostatische Linse oder eine magnetische Linse kann gleichfalls benutzt werden. Das einzige Erfordernis ist, dass das in dem Bereich zwischen Kathode und Anode erzeugte virtuelle Kathodenbild auf dem Schirm mit minimaler Aberration oder Bildverzerrung abgebildet wird. Magnetische oder elektrostatische Ablenkvorrichtung können mit dem Strahl, nachdem man die Kanone verlassen hat, zusammenwirken, um seine Ablenkung oder seinen Auftreffpunkt auf dem Schirm zu steuern. Solche zusätzlichen Einrichtungen sind der Einfachheit der Darstellung halber und weil sie an sich bekannt sind nicht gezeigt.

Eine Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone gemäss der Erfindung, die praktisch gebaut und erprobt wurde, hatte folgende Abmessungen und Daten:

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d, O,3o5 mm

d₂ 1,651 mm

d₃ 0,889 mm

I^ 4 ί'800 mm

1₂ ' 8,128 mm

1₃ 15.748 mm K 88,9oo mm D₁ 0,711 mm D₂ 1,524 mm D-, I,ol6 mm D₄ 4.826 mm Ο,- 7.62ο mm 0_± 12°

0₂ 22° 3O¹

Die angelegten Spannungen waren folgende:

e (Gitterspannung) 0 V (normale volle Einschaltung) e_a 48o V

e₂ 1.7oo V

e₃ . 12.500 V

Die Gitter-Sperrcharakteristik für eine solche Elektronenkanone ist in Fig. 8 gezeigt. Bei einem Gitterhub von 15 V wird der Kathodenstrom über einen Bereich von 0 bis Mikroampere gesteuert. Es ist auch zu beachten, dass praktisch der ganze Kathodenstrom den Film erreicht und somit einen Kathodenwirkungsgrad von annähernd 100J5 ergibt. Das Kurvenbild von Flg. 9 zeigt die Zeilenbreite als Funktion des Strahlstroms für die zur Rede stehende Elektronenkanone.

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Die Zeilenbreite wird in einer Röhre erhalten, in welcher die Ablenkung des Strahls 5o8o cm pro Sekunde bei einer Polgefrequenz von 60 Hz betrug. Bei einer Änderung des Strahlstroms um das Vierfache ändert sich die Leuchtfleckgrösse nur um 4656.

Es wurde ferner noch eine andere Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone gemäss der Erfindung gebaut, die folgende Daten hatte:

d₁ 0,152 mm

dp 3.8I0 mm

d-, 0,762 mm

I₁ 5.080 mm

Ip 31.700 mm

1, 41.OOO mm

ljj 88.900 mm

D₁ 0,254 mm

D₂ 0,457 mm

D₃ 4.o64 mm

Dj₁ 9,525 mm

D₁. 19.o5o mm

Q₁ 0°

0₂ 22° 30»

Bei einer Gitterspannung e von minus 10 V einer Anodenspannung e* von 48o V und einer Spannung e₂ von 17oo V war der Strahl sehr stark konvergierend im Bereich der Anodenöffnung 42, und die Zeilenbreite lag zwischen 0,356 und 0,381 mm, praktisch unabhängig von der Schirmspannung e-,. Dies zeigt, dass die Strahlabmessung nur eine begrenzte

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Aberration aufweist. Bei einer Gitterspannung e
von 0 V, einer Anodenspannung ^₁ von 145 V und einer
Spannung e₂ von 17oo V betrug die Zeilenbreite 0,152 mm für e-, = 12500 V, und sie schwankte zwischen 2,4Io mm
und 1,397 mm bei Schirmspannungen, die zwischen 6.5oo V und l4.5oo V lagen. Dies zeigt, dass die Strahlabmessung nach Langmuir begrenzt ist.

Eine Elektronenkanone gemäss der Erfindung kann auch in Verbindung mit anderen beladenen Teilchen benutzt werden, um auch diese von einer Quelle aus zu beschleunigen und einen Strahl auf einen Schirm od.dgl. zu richten und zu fokussieren.

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Claims

Patentansprüche

JU/ Elektronenkanone zur Bildung eines Elektronenstrahls, bei der die Elektronenquelle von einer Fläche der Kathode gebildet wird, die von einer mit öffnung versehene« Steuerelektrode umgeben, ist, deren Oberfläche die Portsetzung der Kathodenfläche bildet, und bei der in einem Abstand von der Kathodenfläche und der Steuerelektrode eine mit öffnungen versehene Anode angeordnet ist, die mit ihnen zusammenarbeitet, indem sie Elektronen an der Oberfläche beschleunigt und eine im wesentlichen gleichförmige laminare Elektronenströmung in einem Strahl von der Kathodenfläche gegen die Anode hin bildet, wobei die Anode längs der Bahm des Strahles ein divergierendes Feld bildet und zusätzliche Elektronenanordnungen zum Auffangen und Beschleunigen des Strahles sowie zu seiner Fokussierung vorgesehen sind.
2. Elektronenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenöffnung wesentlich grosser als der Strahldurchmesser ist.
3. Elektronenkanone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode einen höhten zylindrischen Teil aufweist, dessen offenes Ende der Kathode und der Steuerelektrode gegenüber steht.
4. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der mit öffnungen vers.eh.ene Steuerelektrode einen Winkel mit einer zur Achse

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der Röhre senkrechten Ebene bildet, der zwischen 0 Grad und 45 Grad beträgt.
5. Elektronenkanone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Elektrodenanordnung eine hohlzylindrische Elektrode zur Beschleunigung des Strahls und eine Endbeschleunigungseinrichtung für den Strahl aufweist, welche beide zusammen zugleich ein Pokussierungsfeld bilden.
6. Elektronenkanone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die letztgenannte Einrichtung auch einen feldfreien Bereich längs des Strahlweges bildet, nach dem dieser die Zylinderelektrode verlassen hat.
7. Elektronenkanone nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Anode und die Zylinderelektrode durch Kreiszylinder gebildet sind.
8. Elektronenkanone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zur Bildung eines Magnetischen Fokussierfelds vorgesehen sind, die mit der zusätzlichen Elektrodenanordnung zusammenarbeiten.
9. Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie in eine geschlossene Kathodenstrahlröhre derart eingebaut ist, dass sie einen Elektronenstrahl auf einen ebenfalls innerhalb der Umhüllung angeordneten Bildschirm richtet.

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