DE2826273A1

DE2826273A1 - Kathodenstrahlroehre mit kaltkathode

Info

Publication number: DE2826273A1
Application number: DE19782826273
Authority: DE
Inventors: Roger Casanova Alig
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-06-15
Filing date: 1978-06-15
Publication date: 1979-01-04
Also published as: US4178531A; JPS546454A

Description

71 669/HO/ba ^

RCA 71,669 ό O Q "? R O 7 *3

US-Serial No. 806,717 IQ LU L

eingereicht am 15. Juni 1977

Kathodenstrahlröhre mit Kaltkathode

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlröhre nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, speziell eine Kathodenstrahlröhre mit einer Feldemissionskathode (Kaltkathode)

Eine Kathodenstrahlröhre enthält grundsätzlich einen evakuierten Kolben, in dem sich ein Target oder Schirm sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines oder mehrerer modulierter Elektronenstrahlen befindet. Der Elektronenstrahl oder die Elektronenstrahlen wird bzw. werden auf dem Schirm fokussiert und tasten diesen ab, um gewünschte Funktionen auszuführen. Ein Strahlerzeuger, der gewöhnlich Teil eines Elektronenstrahlsystems ist, enthält wenigstens eine Kathode als Quelle der Elektronen, die zu einem Strahl geformt werden.

Eine als Glühkathode bezeichnete Kathodenart muß auf hohe Arbeitstemperaturen erhitzt werden. Eine Glühkathode erfordert eine Anheizzeit nach dem Einschalten der Elektronenstrahlröhre und verbraucht außerdem zur Aufrechterhaltung der hohen Arbeitstemperaturen Leistung. Die Zeitverzögerung infolge der Anheizzeit und der Leistungsverbrauch während des Betriebs sind beides unerwünschte Eigenschaften einer Glühkathode. Ein Strahlerzeuger mit einer Glühkathode weist Elektroden auf, die um Bruchteile eines Millimeters von der Kathode und voneinander ge-

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trennt sind. Diese Trennungen werden bei Raumtemperatur eingestellt/ müssen aber beim Betrieb der Röhre beibehalten werden. Um dies zu erreichen, muß der Aufbau eine Kompensation der Wärmeeffekte ermöglichen, die sich aus dem Betrieb der Kathode bei hohen Temperaturen ergeben.

Eine andere als Feldemissionskathode oder Kaltkathode bezeichnete Kathodenart arbeitet bei Raumtemperatur, so daß die sich aus hohen Betriebstemperaturen ergebenden Probleme völlig vermieden werden. Der Einsatz einer solchen Kaltkathode im Strahlerzeuger einer Kathodenstrahlröhre ist bereits vorgeschlagen worden. Bei einer Ausführungsform enthält die Kathode einen einzigen Punkt oder Faden, von dem Elektronen aufgrund eines elektrischen Feldes emittiert werden, das von einer zugehörigen Einrichtung erzeugt wird. Die Stromdichte, die von einer solchen Elektronenquelle auf den Schirm fokussiert werden kann, ist für die meisten Kathodenstrahlröhrenanwendungen ungenügend.

Aus der amerikanischen Patentschrift 3 866 077 ist es bekannt, eine parallele Anordnung von wenigstens tausend Elektronen-emittierenden Fäden zu verwenden, um einen zusammengesetzten Elektronenstrahl mit einem Strahlstrom zu schaffen, der für die meisten der üblichen Anwendungen einer Kathodenstrahlröhre ausreicht. Während aber große Ströme mit diesem Aufbau realisiert werden können, erweisen sich die kombinierten Emissionen mehrerer Fäden als zu divergent, um eine gute Fokussierung des Strahls auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre zu erreichen.

Aus der amerikanischen Patentschrift 3 921 022 ist die Verwendung eines einzigen Vorsprungs bekannt, auf dessen

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Oberfläche mehrere Punkte vorhanden sind, die Elektronen aufgrund eines elektrischen Feldes emittieren, das von einer zugehörigen Einrichtung erzeugt wird. Es sind außerdem Mittel zur Erzeugung eines Fokussierungsfeldes für die emittierten Elektronen vorgesehen. Eine Untersuchung zeigt, daß die kombinierte Emission von dieser Anordnung ebenfalls zu divergent ist, um eine gute Fokussierung des zusammengesetzten Strahls auf dem Schirm zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kathodenstrahlröhre der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß sich bei Verwendung einer Kaltkathode eine ausreichende Elektronenstrahldichte bei gleichzeitig guter Fokussierung des Elektronenstrahls auf dem Schirm ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Kathodenstrahlröhre enthält eine Kaltkathode, die eine Anordnung aus im Abstand befindlichen, zugespitzten VorSprüngen oder Fäden aufweist, die alle im wesentlichen in dieselbe Richtung weisen. Jedem Vorsprung ist eine eigene Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, das die Feldemission von Elektronen aus dem Vorsprung bewirkt, zugeordnet. Jedem Vorsprung ist außerdem eine eigene Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes für die getrennte Fokussierung der von jedem Punkt ausgehenden Emission zu einem Strahl zugeordnet. Die Anordnung erzeugt eine Vielzahl von Strahlen, die als Bündel in im wesentlichen parallelen Bahnen ausgestoßen werden. Das Bündel besteht

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aus einem einzigen zusammengesetzten Strahl, der gut auf den Schirm der Kathodenstrahlröhre fokussiert und zu einer Abtastbewegung über den Schirm abgelenkt werden kann.

Dadurch, daß eine Anordnung von im Abstand befindlicher Vorsprünge vorgesehen wird, von denen jeder im wesentlichen in dieselbe Richtung weist, und zwar vorgesehen wird in Kombination mit getrennten Einrichtungen zur Erzeugung der Feldemission und getrennten Einrichtungen zur Feldfokussierung für jeden Vorsprung ist es möglich , einen modulierten zusammengesetzten Strahl zu erzeugen, der angemessen auf dem Schirm der Röhre fokussiert ist und für die meisten Anwendungsarten der Kathodenstrahlröhren einen ausreichenden Strahlstrom hat. Die Verwendung dieses Feldemissionsaufbaus vermeidet die Nachteile hoher Arbeitstemperaturen, wie sie für eine Glühkathode erforderlich sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise weggebrochenen Aufriß einer Kathodenstrahlröhre mit einem Elektronenstrahlsystem mit Kaltkathode,

Fig. 2 teilweise weggebrochen eine perspektivische Ansicht des Verbundaufbauteils des bei der Elektronenstrahlröhre von Fig. 1 verwendeten Elektronenstrahlsystems,

Fig. 3 teilweise weggebrochen eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 des Verbundaufbaus von Fig. 2,

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Fig. 4 teilweise weggebrochen eine Schnittansicht des Verbundaufbaus von Fig. 3 während der Fertigung, und

Fig. 5 teilweise weggebrochen eine Schnittansicht eines alternativen Verbundaufbaus für das bei der Kathodenstrahlröhre von Fig. 1 verwendete Elektronenstrahlsystem .

Gemäß Fig. 1 enthält eine Kathodenstrahlröhre 11 einen Kolben 13 mit einem Hals 15, einer Frontplatte 17 und einem verbindenden Konus 19. Im Hals 15 ist ein Elektronenstrahlsystem 21 untergebracht, das einen Elektronenstrahl in Richtung auf die Frontplatte 17 aussendet. Der Hals 15 ist an einem Ende mit Hilfe eines Fußes 23 verschlossen, durch den abgedichtet mehrere Sockelstifte 25 hindurchführen, über die Sockelstifte 21 werden geeignete Betriebsspannungen an das Elektronenstrahlsystem 21 angelegt. Auf der Innenfläche des Konus 19 ist eine nicht gezeigte leitende Beschichtung angeordnet. Die leitende Beschichtung ist mit einem Anodenanschluß 27 verbunden, an den beim Betrieb der Röhre 11 eine geeignete Hochspannung angelegt werden kann. Ein Leuchtschirm oder Target (nicht gezeigt) auf der Innenfläche der Frontplatte 17 besteht aus einer oder mehreren Schichten von Partikeln, die in einer oder mehreren Farben lumineszieren, wenn sie vom Elektronenstrahl des Elektronenstrahlsystems 21 angeregt werden. Ein Magnetablenkjoch 29 ist neben der Ver*- bindung zwischen Hals 15 und Konus 19 angeordnet und dient dazu, den Elektronenstrahl zur Abtastung eines Rasters auf dem Schirm abzulenken. Abgesehen vom Elektronenstrahlsystem kann die Röhre in bekannter Weise aufaebaut und betrieben werden.

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Das Elektronenstrahlsystem 21 enthält verschiedene Elekroden oder Gitter, die von Glasrippen 31 getragen werden, einschließlich eines in den Fig. 2 und 3 näher gezeigten Verbundaufbaus 33 zur Erzeugung, Modulierung und zur Parallelrichtung eines zusammengesetzten Elektronenstrahls. Der Verbundaufbau 33 entspricht hinsichtlich seiner Funktion der Kathode, des Steuergitters und des Schirmgitters eines herkömmlichen Elektronenstrahlsystems mit Glühkathode. Das Elektronenstrahlsystem 21 enthält zusätzliche Elektroden 34, die den Fokussier- und Endanodenelektroden eines üblichen Elektronenstrahlsystems zur Fokussierung des zusammengesetzten Elektronenstrahls entsprechen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 besteht der Verbundaufbau 33 aus einem Substrat 35, das aus Keramik-, Saphir- oder Metallmaterial bestehen kann. Das Substrat 35 dient dazu, den darüberliegenden Aufbau zu tragen. Falls der darüberliegende Aufbau selbsttragend ist, könnte das Substrat 35 entfallen. Eine leitende Basis 37 ruht auf der einen Oberfläche des Substrats 35. Die Basis 37 kann ein Metallfilm, etwa aus Molybdän- oder Wolframmetall sein. Ein erster dielektrischer Film 39 etwa aus Aluminiumoxid oder Siliziumoxid ist über der Basis 37 ausgebildet und mit einer Anordnung von öffnungen 41 versehen.

Eine erste Elektrode 43, die dem Steuergitter eines üblichen Elektronenstrahlsystems entspricht, ruht auf dem ersten dielektrischen Film 39. Die erste Elektrode 43 ist aus Metall, etwa aus Molybdän oder Wolfram, und besitzt eine Anordnung von öffnungen, die im wesentlichen koaxial mit den öffnungen 41 im ersten dielektrischen Film 39 sind. Ein zweiter dielektrischer Film 45 ruht

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auf der ersten Elektrode 43 und ist im wesentlichen gleich ausgebildet wie der erste dielektrische Film 39. Eine zweite Elektrode 47 ruht auf dem zweiten dielektrischen Film 45 und ist im wesentlichen gleich ausgebildet wie die erste Elektrode 43. Der Einfachheit halber wird davon ausgegangen, daß sich die öffnung 41 vom ersten dielektrischen Film 39 durch alle darüberliegenden Schichten erstreckt. Wie in Fig. 2 gezeigt, besitzt die Basis 3 7 eine einstückige Anschlußfahne 37a, während die erste Elektrode 43 eine einstückige Anschlußfahne 43a und die zweite Elektrode eine einstückige Anschlußfahne 47a besitzen. Die Anschlußfahne 37a, 43a und 47a stehen vom Verbundaufbau 33 ab.

Ein einzelner zugespitzter Vorsprung 49 ist in jeder der öffnungen 41 zentriert. Die Vorsprünge 49, die sich in einer regelmäßigen Anordnung befinden, sind vorzugsweise aller gleicher Größe und Form und aus demselben Material wie die zweite Elektrode 47.AlIe Vorsprünge ruhen auf der Basis 37 und sind mit dieser elektrisch verbunden, wobei ihre verlängerte Spitze in eine Richtung weist, die im wesentlichen senkrecht zur Basis 37 ist.

2 5 Bei praktischen Aufbauten können allgemein 10 bis 10 Vorsprünge pro Quadratmillimeter verwendet werden. Die Vorsprünge können in einer regelmäßigen Anordnung oder in einer zufälligen Anordnung sein. Zur Erzeugung der erwünschten Feldemission von der Spitze aller Vorsprünge 49 werden eine erste Spannung von einer ersten Spannungsquelle 51 und eine Signalspannung von einer Signalquelle 53 über Leitungen 55 bzw. 57 an die Anschlußfahnen 37a und 43a angelegt. Wenn die erste Spannungsquelle 51 selbst veränderbar ist, könnte die getrennte Signalquelle entfallen. Bei Anlegen der ersten Spannung zwischen die Anschlußfahne 37a und die Anschlußfahne 43a der ersten

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Elektrode wird zwischen der Spitze jedes einzelnen Vorsprungs 49 und dem dichtesten Teil der ersten Elektrode 43 ein elektrisches Feld aufgebaut, das eine Elektronenemission von der Spitze der Vorsprünge durch die öffnung 41 in der ersten Elektrode 43 hervorruft. Die Signalspannung der Signalquelle 53 moduliert den Emissionsstrom aller dieser Elektronenstrahlen gemeinsam mit Spannungen, die niedriger als 500 Volt sind.

Für eine gewünschte Fokussierung der emittierten Elektronen wird über Leitungen 55 und 61 eine zweite Spannung von einer zweiten Spannungsquelle 59 an die Anschlußfahnen 37a und 47a angelegt. Bei Anlegen der zweiten Spannung wird in allen öffnungen 41 zwischen der ersten Elektrode 43 und der zweiten Elektrode 4 7 ein zweites elektrisches Feld aufgebaut. Das zweite elektrische Feld fokussiert die emittierten Elektronen in den öffnungen 41 zu einem im wesentlichen parallelgerichteten Strahl. Im wesentlichen parallele Strahlen treten aus den öffnungen 41 aus und bilden zusammen einen zusammengesetzten, modulierten Strahl, der dann durch die Elektroden 34 des Elektronenstrahlsystems 21 läuft, wo er auf den Schirm der Röhre 11 fokussiert wird und dann weiter durch das Magnetablenkjoch 29 läuft, das veranlaßt, daß der fokussierte, zusammengesetzte, modulierte Strahl den Schirm abtastet.

Bei einer speziellen Ausführungsform ist die Basis 37 ein Film aus Molybdänmetall von ungefähr 0,25 bis 1 μπι Dicke, der auf ein Substrat 35 aus Saphir aufgebracht ist. Die dielektrischen Filme 39 und 45 sind aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 2 μπι. Die Elektroden 43 und 47 sind Filme aus Molybdänmetall mit einer Dicke von etwa 0,25 bis 1 μπι. Die öffnungen 41 haben

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einen minimalen Durchmesser von etwa 2 μπι auf etwa 6 μπι

Mittelpunkten oder etwa 10 Emissionsstellen pro Quadratmillimeter. Die Vorsprünge haben einen Durchmesser von etwa 1 μΐη am Boden und verjüngen sich zu scharfen Spitzen mit einem Radius von weniger als 100 Ä.

Ein großer Teil des Aufbaus der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Metall/Isolator/Metall-Sandwichanordnung kann unter Verwendung bekannter Verfahren zur Herstellung einer Elektronen emittierenden Anordnung hergestellt werden, beispielsweise nach dem in der amerikanischen Patentschrift 3 755 704 beschriebenen Verfahren. Beginnend mit der in Fig. 9 dieser Patentschrift dargestellten Anordnung ist es nur notwendig, die öffnung 41 durch die zweite Elektrode 47 über jedem Vorsprung 49 auszudehnen. Dies kann durch Aufbringen einer licht- oder wärmeempfindlichen Deckschicht 71 auf die Oberseite der zweiten Elektrode 47, wie es hier in Fig. 4 gezeigt ist und anschließendes Anlegen positiver Spannungen bezogen auf die Basis 37, an diese Elektrode 47 und die erste Elektrode 43 erfolgen. Dafür können die erste und die zweite Spannungsquelle 51 und 59 verwendet werden, die über die Anschlußfahnen 37a, 43a und 47a angeschlossen sind. Feldemittierte Elektronen von den Vorsprüngen stoßen an die Unterseite der zweiten Elektrode 47 und erzeugen eine Strahlung, entweder eine Ultraviolettstrahlung oder eine thermische Strahlung, der die Deckschicht über den Teilen der Platte oder Elektrode ausgesetzt wird, die zu öffnungen werden sollen. Die der Strahlung ausgesetzte Deckschicht wird aufgelöst und die freiliegende Oberfläche dann zur Schaffung der öffnungen 41 geätzt. Die zurückbleibende Deckschicht wird dann weggewaschen. Zusätzliche Schichten können dieser Sandwichanordnung durch Dampfabscheidung einer Schicht 73 aus

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Isoliermaterial unter einem streifenden Winkel von allen Seiten der öffnung 41 hinzugefügt werden,um die Anordnung teilweise oder völlig abzuschließen, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Eine Metallschicht 75 wird oben auf diese Isolierschicht 73 aufgedampft und das zuvor beschriebene Verfahren wiederholt. Die amerikanische Patentschrift 3 812 559 offenbart noch ein anderes Verfahren, das zur Herstellung des hier beschriebenen Verbundaufbaus für die Elektronenemission ausgenutzt werden könnte.

Es kommen auch andere Techniken zur Erzeugung dieser öffnungen in Betracht. Beispielsweise ist es bei Verwendung der Ströme und Spannungen, die von C. A. Spindt et al., in "JOURNAL OF APPLIED PHYSICS¹¹ 47, 5248 (1976), angegeben werden, recht wahrscheinlich, daß die öffnung mit Hilfe des von unter der Platte kommenden Elektronenstrahls ausgebrannt werden kann, ohne daß die Verwendung einer Deckschicht nötig wäre. Andere Verfahren, die eingesetzt werden könnten, schließen Schleifen der öffnungen mit Hilfe eines Ionenstroms ein, der auf die Oberseite der letzten Platte gemäß Fig. 9 der amerikanischen Patentschrift 3 755 704 einfällt. Ein einzelnes Element kann als ein Vergleichs- oder Meßpunkt dienen, während die zur Erzeugung der Originalöffnungen verwendete Karte (vgl. Zeilen 50 bis 65 von Spalte 3 der amerikanischen Patentschrift 3 755 704) zur Führung dss Ionenstrahls verwendet werden kann. Ein starkes elektrisches Feld wird Metall anziehen, so daß alternativ ein solches Feld verwendet werden könnte, um das unbefestigte Metall über den Vorsprüngen zu entfernen. Schließlich kann ein Aufbau ähnlich dem hier in den Fig. 2 und 3 gezeigten unter Verwendung der Technologie erzielt werden,wie sie durch J.K. Cochran et al. in "AMER. CER. SOC. BULL." 54_, 426 (1975) beschrieben wurde.

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Der Verbundaufbau 33 kann auf einem Standard Gl Gitterträger befestigt werden. Verschiedene Verbundaufbauten 33 können parallel angebracht werden. Die Verbundaufbauten werden unter Verwendung bekannter Techniken wie Löten oder Schweißen in einer gewünschten Geometrie, etwa in Inline-Anordnung an diesem Träger befestigt. Sie können in diesen Löchern befestigt werden, die normalerweise die Gl Öffnungsplatten tragen; diese Löcher können auch fehlen und die Verbundaufbauten direkt oben auf dem Träger befestigt werden. Falls das Substrat 35 ein Leiter ist, kann ein elektrischer Kontakt der Basis 37 des Verbundaufbaus direkt mit diesem Träger hergestellt werden. Elektrische Drähte, die mit den Anschlußfahnen der Metallschichten verbunden sind, werden durch die Sockelstifte im Röhrenfuß herausgeführt.

Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Kathodenstrahlröhre werden die üblicherweise an eine Kathodenstrahlröhre mit Glühkathode angelegten Spannungen auf gewöhnlichem Weg an alle Röhrenkomponenten angelegt, ausgenommen jene, die an die Heizkathodenanordnung und die ersten beiden Gitter angelegt werden. Mit Hilfe der oben beschriebenen Drähte wird eine gegenüber der Basis 37 positive Spannung an die einzelnen mit öffnungen versehenen Elektroden angelegt. Die Signalspannung, die normalerweise zwischen der Kathode und dem ersten Gitter in einer Kathodenstrahlröhre angelegt wird, wird nun zwischen die erste Elektrode und die Basis 37 gelegt. Für eine Signalspannung unter 150 V hatte sich allgemein bei einer Kathodenstrahlröhre erwiesen, daß die erste Gleichspannung zwischen der Basis 37 und der ersten Elektrode 43 500 V nicht überschreiten sollte. Die anderen Gleichspannungen sowie die Dicken und Trennungen der zweiten Elektrode und der nachfolgenden Elektroden 34 sind danach ausge-

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wählt, daß der größte Anteil (etwa 90 % oder mehr) des vom Verbundaufbau 33 ausgesandten Elektronenstrahls auf einen Konus mit einem spitzen Winkel unter 2° begrenzt wird. Die Spannungen der übrigen Teile des Elektrodenstrahlsystems sind danach ausgewählt, daß alle diese Elektronenstrahlen auf denselben kleinen Bereich des Schirms oder Leuchtschirms fokussiert werden.

Der Feldemissionsaufbau der erfindungsgemäßen Kathodenstrahlröhre unterscheidet sich wenigstens in den nachstehenden Punkten von der einzigen Feldemitterelektrode/ die allgemein in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) verwendet wird: (a) der Radius der emittierenden Spitze eines Elements der Anordnung ist geringer als 500 Ä, während der Spitzenradius bei einem REM etwa 5000 A ist; (b) die Spannung zwischen der Spitze und der dichtesten Elektrode beträgt bei dieser Anordnung etwa 100 V, während sie beim REM um 5000 V liegt; diese große Spannung wäre bei einer Anzeigeröhre nicht möglich, da sie nicht ohne weiteres mit herkömmlichen Schaltungen moduliert werden könnte, um eine Anzeige mit gutem Kontrast auf dem Schirm zu erzeugen; (c) der größte Anteil (mehr als 99%) des Stroms von der Spitze wird bei einem REM durch eine Begrenzungsöffnung im Elektronenstrahlsystem abgefangen, während bei der erfindungsgemäßen Kathodenstrahlröhre der größte Anteil des Stroms von der Spitze das Elektronenstrahlsystem durchläuft.

Die voranstehenden Ausführungen geben Gelegenheit zu einem detaillierteren Vergleich bekannter Elektronen-emittierenden Anordnungen mit der bei der erfindungsgemäßen Kathodenstrahlröhre verwendeten Elektronen-emittierenden Anordnung. Unter den vorhandenen Vorrichtungen, die Kaltkathoden verwenden, entspricht das Rasterelektronen-

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mikroskop einer Kathodenstrahlanzeigeröhre am ehesten. Das Elektronenstrahlsystem eines REM kann aus der feldemittierenden Spitze und einer Reihe von mit Öffnungen versehenen Platten, die Anoden genannt werden und vor der Kathode liegen, bestehen. Diese Anoden werden mit Spannungen beaufschlagt, die bezogen· auf die emittierende Spitze mehrere Kilovolt betragen; sie alle sind Teil einer Linse, die den Elektronenstrahl auf dem Schirm fokussiert.

Dieses REM-Elektronenstrahlsystem unterscheidet sich von einem Elektronenstrahlsystem mit Glühkathode, wie es gewöhnlich in einer Anzeigekathodenstrahlröhre verwendet wird, in verschiedener Weise. Zum ersten liegt der Strahlstrom, des vom REM-System ausgesandten Strahls normalerweise bei etwa einem Mikroampere anstelle von mehr als einem Milliampere wie bei der Kathodenstrahlröhre. Zum zweiten gibt es beim REM-Elektronenstrahlsystem keine Modulation des Strahls, was für eine Anzeigekathodenstrahlröhre jedoch charakteristisch ist. Zum dritten muß die Modulation beim Elektronenstrahlsystem der Kathodenstrahlröhre, da sie mit Frequenzen im MHz-Bereich erfolgen muß, mit Spannungen unter 500 V ausgeführt werden; im Gegensatz dazu liegen die beim REM-Elektronenstrahlsystem verwendeten Spannungen normalerweise bei mehreren Kilovolt. Diese Unterschiede, d.h. die Modulation eines hohen Strahlstroms mit relativ niedriger Spannung, erfordert die hier beschriebene Anordnung von Feldemittern.

Modulation - Der Strom jiird beim Elektronenstrahl von Glühkathoden üblicherweise an der ersten Anode des Elektronenstrahlsystems, die häufig Steuergitter oder Wehnelt-Elektrode genannt wird, moduliert. Für eine möglichst große Kompatibilität mit vorhandenen Anzeigeröhren erscheint es angebracht, die Kaltkathode bzw. ihren

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Elektronenstrahl am Steuergitter zu modulieren, zumal kaum erkennbar ist, wo die Modulation sonst vorgenommen werden sollte. Die Strahlstrommodulation muß ausreichen, um ein Kontrastverhältnis am Schirm von 50:1 zu erzeugen; dies muß mit Spannungsänderungen von etwa 200 V erfolgen.

Die Stromdichte j von einer Spitze einer Kaltkathode ist mit dem Feld F an der Spitze durch die Fowler-Nordheim -Gleichung verbunden, die etwa lautet

j = (1,5 F² /φ) exp (-7 χ 1oV^/2/F) μΑ/cm² (1)

dabei ist φ die Austrittsarbeit an der emittierenden Spitze in eV und F das Feld an der Spitze in V/cm. Das Feld an der Spitze ist angenähert F = V₁ZSR, wobei V.. die Spannung an der ersten Anode und R der Spitzenradius ist.

Der Strom i von einer Spitze ist i = 2 it R j, wenn man annimmt, daß die obere Halbkugel der Spitze emittiert. Bei einer Anordnung von N Spitzen ergibt sich der Strom zu

i = 2TNR²J_m (2)

Es wird angenommen/ daß ein Maximalstrom i_m = 1mA, der für Fernsehbildröhren charakteristisch ist, von der Anordnung gezogen wird, wenn die maximale Stromdichte j von denSpitzen gezogen wird. Da die maximale Stromdichte j , die ununterbrochen von bekannten Spitzenmaterialien

^m 6 2

gezogen werden kann, etwa 10 A/cm beträgt, kann die Gleichung (2) zur Bestimmung des Spitzenradius verwendet werden, d.h.

²J_1n (3)

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Unter Verwendung der Gleichungen (1) bis (3) erhält man

7TNV₁ ²/25(i) exp (-4000 0^3/2/V., -fi) μΑ (4)

i =

Der Wert von ν**ΙΈ muß um wenigstens 30% abnehmen, um den Strom i um einen Faktor 50 zu verringern; folglich kann die maximale Spannung an der ersten Anode den dreifachen Wert der Modulationsspannung nicht überschreiten, d.h. sie kann bei üblicherweise verwendeten Modulationsspannungen nicht 500 V überschreiten. Für i = 1mA übersteigt aber V₁-^N* 500 V, legt man die Austrittsarbeit der meisten Materialien zugrunde. Daher muß N größer als Eins sein, d.h. zur Erzielung des geforderten Stroms von 1mA von einer Kaltkathode muß eine Anordnung von Spitzen verwendet werden.

Sphärische Aberration - Sowohl Kaltkathoden als auch Glühkathoden sind lange Zeit in Rasterelektronenmikroskopen verwendet worden. Bei dieser Anwendung ist es erwünscht, einen bestimmten Strahlstrom auf den kleinstmöglichen Punkt zu fokussieren. Es scheint Übereinstimmung zu bestehen, daß Kaltkathoden bei Strömen unter 1 μΑ auf einen Punkt gleicher Größe mehr Strom als Glühkathoden bringen können. Der Punktdurchmesser beträgt bei diesem Strom etwa 1000 8. Für größere Ströme steigt der Durchmesser des Punkts von einer Kaltkathode mit der 3/2-Potenz des Stroms, während der von einer Glühkathode mit der 3/8-Potenz des Stroms zunimmt. Für beide Kathodenarten ist diese minimale Punktgröße bei hohen Strömen durch die sphärischen Aberrationen der Anodenöffnungen festgelegt.

Der Wunsch nach einer möglichst kleinen Punktgröße bei gegebenem Strahlstrom besteht auch beim Bau von Elektro-

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nenstrahlsystemen für Kathodenstrahlröhren. Für Punktdurchmesser unter 1 mm braucht der Punkt jedoch nicht kleiner als eine Abtastzeilenbreite der Anzeige zu sein. Geht man von dem oben erwähnten 3/2-Potenzgesetz aus, dann kann der Kaltkathodenstrom auf nahezu 1 Milliampere ansteigen, bevor diese untere Grenze der Punktgröße erreicht wird. Da jedoch Kathodenstrahlanzeigen häufig einen Strom erfordern, der größer als ein Milliampere ist, muß entweder eine Anordnung von Kaltkathoden verwendet werden oder die Fokussierlinse muß eine gringere sphärische Aberration als die bei Rasterelektronenmikroskopen üblicherweise verwendeten Linsen aufweisen. Aus dieser Grenze der Punktgröße ergibt sich auch, daß jeder Emitter eine Anordnung von Feldemittern mit seiner eigenen Linse ausgerüstet werden muß, d.h. die Kathodenanordnung eine Anordnung von Linsenelementen einschließen muß.

Punktgröße - Die Größe des fokussierten Punkts ist bei einer Kathodenstrahlröhre sehr wichtig, da, falls sie zu groß ist, sie die Auflösung des auf dem Schirm wiedergegebenen Bildes begrenzt. Bei einem üblichen Elektronenstrahlsystem für Kathodenstrahlröhren mit Glühkathode haben hauptsächlich drei Punkte Einfluß auf die Punktgröße. Dies ist einmal die Raumladungsabstoßung der den Strahl bildenden Elektronen, zum anderen die Vergrößerung der Kathodenabbildung auf dem Schirm und schließlich die sphärischen Aberrationen in der zur Fokussierung des Strahls verwendeten Linse. Da die Raumladungsabstoßung im Bereich zwischen dem 'Elektronenstrahlsystem und dem Schirm auftritt, hat die Art der Kathode offensichtlich wenig Einfluß auf diesen Punkt. Die anderen beiden Punkte sind jedoch für Kaltkathoden und Glühkathoden ganz verschieden.

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Vergrößerung - Bei einem Rasterelektronenmikroskop wird die Abbildung einer einzigen feldemittierenden Spitze auf dem Schirm fokussiert .Das einzige interessierende geometrische Merkmal der Spitzenabbildung auf dem Schirm ist ihre Größe. Wenn jedoch zwei emittierende Spitzen vorhanden sind, gibt es grundsätzlich zwei Abbildungen auf dem Schirm. Zusätzlich zu ihrer Größe interessiert dabei auch ihre Trennung, da diese beiden Größen oder Abstände zur Gesamtpunktgröße beitragen. Da die Abbildungen vorhandener Kaltkathodenanordnungen aus einer Verteilung verschiedener Punkte besteht, scheint es, daß die Trennung der Abbildungen der Spitzen die Gesamtbildgröße bestimmt.

Die Größe der Abbildung der Kathode auf dem Schirm wird zum Teil durch die Vergrößerung des Linsensystems festgelegt. Bei einem Rasterelektronenmikroskop liegt sie normalerweise in der Größenordnung von Eins. Die Größe der Abbildung einer einzelnen feldemittierenden Spitze kann jedoch dennoch recht klein sein, da der scheinbare Quellendurchmesser auch dann noch 50 8 sein kann, wenn die Spitze selbst einen Durchmesser von 5000 A hat. Die scheinbare Trennung von zwei Spitzen ist jedoch gleich der tatsächlichen Trennung dieser Spitzen, so daß der Abstand zwischen ihren Abbildungen auf dem Schirm gleich dieser Trennung multipliziert mit der Linsenvergrößerung ist. Daher ist die Vergrößerung der Fokussierungslinse bei der Definition der Punktgröße von einer Anordnung von feldemittierenden Spitzen von Bedeutung.

Für eine Glühkathode wird der Einfluß der Brennpunktoder Kathodenverstärkung auf den Punktradius häufig ausgedrückt als

ra_t = r_f/ri = (kT/e?5)^1/2 sin"¹ e_f (5)

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wobei r. und r, die Radien von Quelle und Abbildung sind, θ.ρ der Konvergenz winkel des Strahls, wenn er die Linse verläßt, ist, T die Kathodentemperatur ist und φ die Endanodenspannung ist. Diese Beziehung beruht auf dem Abbe'sehen Sinusgesetz, das die Produkte der Anfangsund Endpunktradien, die Konvergenzwinkel und die Elektronengeschwindigkeiten in Beziehung setzt. Der obige Ausdruck ist

r^ sin ©j -{&φ = r. · 1 ·

da die Elektronen in einer Halbkugel über der Kathode emittiert werden.

Bei einer Kaltkathode werden die Elektronen in einem kleineren Konuswinkel über der Kathode als bei einer Glühkathode emittiert, aber die Emissionsenergie, d.h. die Energie,mit der die Elektronen in die Hauptfokussierlinse eintreten, ist viel größer als kT. Der Konushalbwinkel Θ. der Elektronenemission ist gewöhnlich in der Größenordnung von 30°, kann jedoch unter 15° gehalten werden. Unter Stromverlust kann er durch die Öffnung des Steuergitters weiter gesenkt werden. Die Emissionsenergie liegt in der Größenordnung der Spannung V₁ des Steuergitters, oder, wie im vorangegangenen Abschnitt gezeigt, bei einer Kathodenanordnung um 500 V. Daher beträgt für eine Kaltkathode die Kathodenvergrößeruncr nach dem Abbe·sehen Sinusgesetz

^mfe ^{= r}f^/ri ⁼ (V₁/^)^1/2 (sin e_±/sin 6_f) (6)

für θ^ - 15° und kT = 0,1 eV ergeben die Gleichungen (5) und (6) m_f = 20 m. , d.h. die Kathodenvergrößerung ist

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bei einer Kaltkathode wenigstens um einen Faktor 20 größer als bei einer Glühkathode.

Dieser große Unterschied der Vergrößerung eines Elektronenstrahls bei diesen beiden Kathodenarten beruht im wesentlichen auf dem unterschiedlichen physikalischen Mechanismus, nach dem die Emission stattfindet. Feldemission ist feldbegrenzt, wohingegen thermische Emission raumladungsbegrenzt ist. Bei feldbegrenzter Emission werden die Elektronentrajektorien nahe der Kathode durch die Feinstruktur oder -form der emittierenden Oberfläche gesteuert, so daß die Elektronen in die Linse mit einer Geschwindigkeit eintreten, die der Wurzel der Steuergitterspannung proportional ist. Bei einer raumladungsbegrenzten Emission hingegen wird die Feinstruktur der Kathode bzw. die Formeinzelheiten durch das Raumladungsfeld abgedeckt, so daß die Elektronen mit thermischen Geschwindigkeiten in die Linse eintreten. Tatsächlich ändern sich die Anfangsenergien der in die Linse eintretenden Elektronen von 0,1 eV zu einigen eV infolge der Emission von Kathodenunregelmäßigkeiten, wenn die Temperatur einer Glühkathode gesenkt wird, so daß die Emission vom raumladungsbegrenzten System zum feldbegrenzten System übergeht.

Sphärische Aberration - Häufig wird der Einfluß der sphärischen Aberrationen auf den Bildpunktradius durch die Gleichung <$ = C_S6. beschrieben, wobei C_g der Koeffizient der sphärischen Aberrationen ist. Aus Gleichung (6) ergibt sich dann der durch die sphärischen Aberrationen bedingte Punktgrößenanteil zu r = nu <?>; und damit

a ie

^CS = V^mfe⁸i³·

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Da r bei einer Fernsehwiedergabe ein Millimeter nicht

^a 3

übersteigen darf und m_f Θ. in der Größenordnung von 0,1

liegt, wenn Θ. einige Grad beträgt, muß C für die Linse einer Kaltkathode bei einer Fernsehbildröhre kleiner als 1 cm sein. Dieser Koeffizient der sphärischen Aberration ist ähnlich dem Koeffizienten für die Linse des Elektronenstrahlsystems eines Rasterelektronenmikroskops.

Für eine Glühkathode ergibt eine Analyse ähnlich der vorangegangenen Gleichung (7)

wobei oC der Konushalbwinkel ist, mit dem der Elektronen strahl den Brennpunkt verläßt. Da m. = 20 itu ist und oC normalerweise mehrere Grad beträgt, kann C' sehr viel

größer als C_g sein, bevor der fokussierte Punkt deformiert wird.

Daher muß bei einer Fernsehbildröhre die sphärische Aberration der Elektronenlinse wesentlich vermindert werden, wenn die Glühkathode durch eine Kaltkathode ersetzt wird. Die Gleichungen (6) und (7) bestärken die Notwendigkeit für eine Feldemission in einen schmalen Konus, um den Strahl zu einem Punkt annehmbarer Größe zu fokussieren.

Emitter-Linsenanordnung - Aus den oben angegebenen Gründen muß eine Kaltkathode für eine Kathodenstrahlröhre aus einer Anordnung von Emittern bestehen, darf die Spannung des Steuergitters 500 V nicht übersteigen und muß jeder Emitter der Anordnung eine zugeordnete Elementarlinse besitzen. Diese letzte Folgerung ergibt sich auch aus einem anderen Gedankengang, der die Ergebnisse

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des vorhergehenden Abschnitts ausnutzt.

Wenn eine einzige Anode in Verbindung mit einer Feldemitteranordnung verwendet wird, liegt die durchschnittliche von der Anordnung emittierte Stromdichte nahe ihrem Maximum, wenn die Emitterspitzen um etwa 100 Spitzenradien getrennt sind und die Anodenspannung etwa 1 kV beträgt. Diese optimale Spitzentrennung zeigt, daß ein Feld von 10 V/cm für eine sinnvolle Stromemission erforderlich ist und daß zur Erzielung dieses Felds

4 eine Feldkonzentration nötig ist, die 10 mal so groß wie das Anodenpotential ist. Da die maximale Emissionsstromdichte eines Feldemitters 10 A/cm nicht übersteigt

—4
und nur 10 der Kathodenfläche emittiert, beträgt die maximale durchschnittliche Emissionsstromdichte bei die-

2 ser optimalen Trennung 100 A/cm . Die Vergrößerung dieser Kathode ergab sich aus dem vorangegangenen Abschnitt zu zwanzigmal so groß wie die einer Glühkathode, so daß die maximale Durchschnittsstromdichte einer Feldemitteranordnung, zum Vergleich mit einer Glühkathode korrigiert,

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weniger als 1 A/cm beträgt. Dies ist jedoch nicht größer als die Emissionsstromdichte einer üblichen Glühkathode. Aufgrund des Langmuir'sehen Gesetzes kann daher die Stromdichte auf dem Schirm die gegenwärtig mit einer Glühkathode erreichte nicht übersteigen. Es scheint daher wenig Hoffnung zu bestehen, die Leistung einer Glühkathode in einer Fernsehbildröhre mit einer Kaltkathodenanordnung mit einem einzigen Fokussierungsfeld zu erreichen.

Da ein einziges Fokussierungsfeld bei einer Kaltkathodenanordnung nicht verwendet werden kann, muß für jeden emittierenden Punkt ein getrenntes Fokussierungsfeld eingesetzt werden. Das in den Fig. 1 bis 3 gezeigte

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Elektronenstrahlsystem ist eine rohrförmige Anordnung mit einer typischen Bipotentiallinse. Die Basis 37 wird auf Massepotential gehalten. Die erste Elektrode 43 ist auf einem Potential V₁ und die zweite Elektrode 47 auf einem Potential V₃..

Feldemittierte Elektronen durchlaufen auf ihrem Weg von den Spitzen der Anordnung von VorSprüngen 4 9 zum Schirm der Kathodenstrahlröhre zwei Elektronenlinsen. Die erste Linse entsteht, wenn Spannungen an die Emitterlinsenanordnung des Verbundaufbaus 33 angelegt werden. Wenn die Energien, mit denen die Elektronen in diese Linse eintreten bzw. sie verlassen, mit eV.. und eV-. bezeichnet werden, wenn die Winkelgrenzen auf den Elektronentrajektorien Θ. und ©_T sind, wenn ferner der Radius der scheinbaren Elektronenquelle r ist und der Radius seiner Abbildung r. ist, dann ergibt das Abbe'sehe Sinusgesetz

r_e TfV₁ sin θ_± = r_b -[T₁ sin θ_χ (91

Die zweite Linse ist die Bipotentiallinse, die ausgebildet wird, wenn geeignete Spannungen an die zusätzlichen Elektroden 34 angelegt werden. Wenn die Energien, mit denen die Elektronen in diese Linse eintreten bzw. sie verlassen, mit eV_ und e0 bezeichnet werden, wenn die Winkelgrenzen auf den Elektronentrajektorien θ_τ und ©_f sind, wenn ferner der Radius der Emitterlinsenanordnung r, ist, wobei

r. » r, ist, und wenn der Radius des fokussierten Punkts i b

auf dem Schirm r_f ist, dann ergibt das Abbe¹sehe Sinusgesetz

r_± -fvj sin θ_τ = r_f -f? sin e_f (10)

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*·Ί 66

Aus den Gleichungen (9) und {10) ergibt sich die Vergrößerung zu

£_e = (r_e/r_b) (V₁/?*)¹⁷² (sin θ_±/3ίη e_f)

- ^(re^/rb^{} m}fe (11)

wobei der letzte Ausdruck aus Gleichung (6) gewonnen wird. Wie in Gleichung (11) angegeben, unterscheidet sich die Vergrößerung einer Emitterlinsenanordnung ml von der Vergrößerung einer Emitteranordnung um den Faktor r /r,. Dieses Ergebnis ist nicht überraschend, da, falls alle Linsen aberrationsfrei etc. wären und die emittierende Spitze exakt im Brennpunkt ihrer Linse angeordnet werden könnte, der in die zweite Linse eintretende Strahl perfekt parallelgerichtet wäre und die zweite Linse diesen parallelen Strahl zu einem Punkt fokussieren würde, wenn der Schirm in der Brennebene dieser Linse läge.

Da m~ angenähert 20 m, ist, würde die Vergrößerung mi einer Emitter-Linsenanordnung nicht diejenige einer Glühkathode übersteigen, falls r, > 20 r wäre. Wenn die Differenz in V. und V-. vernachlässigt wird, wird diese Ungleichung mit Gleichung (9) zu sin Θ. > 20 sin θ_. Für θ^ = 15° wird diese Ungleichung zu θ_τ< 1j0°. Diese Grenze der Winkeldivergenz des von der Emitter-Linsenanordnung des Verbundaufbaus 33 ausgesandten Strahls setzt Qualitätsgrenzen, beispielsweise hinsichtlich der sphärischen Aberration, für die Elementarlinsen der Anordnung und die Toleranz der Lage der emittierenden Spitzen bezogen auf die Anodenöffnungen. Das bedeutete daß r tatsächlich der Radius eines Kreises am Mittelpunkt jeder Elementarlinse ist, innerhalb dessen die Emission stattfinden muß.

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-ZG-

i-eerseife

Claims

Patentansprüche

Kathodenstrahlröhre, umfassend einen evakuierten Kolben mit einem Target und einem ElektronenStrahlsystem, das mehrere voneinander im Abstand befindliche, zugespitzte und im wesentlichen in dieselbe Richtung gerichtete Vorsprünge aufweist, dadurch gekennzeichnet ,daß jedem Vorsprung (49) eine eigene gesonderte erste Einrichtung (51) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zur Erzielung einer Feldemission von Elektronen aus dem Vorsprung zugeordnet ist, daß jedem Vorsprung außerdem eine eigene gesonderte zweite Einrichtung (59) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zur Fokussierung der vom Vorsprung emittierten Elektronen zu einem Strahl zugeordnet ist und daß die Strahlen entlang eng beabstandeten, im wesentlichen parallelen Bahnen zur Bildung eines zusammengesetzten Strahls aussendbar sind, wobei weitere Einrichtungen (34) entlang den Bahnen angeordnet sind, um den zusammengesetzten Strahl auf dem Target zu fokussieren.
2. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet , daß die Vorsprünge (49) Spitzen mit einem Radius von weniger als 500 8 haben.

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ORIGINAL INSPECTED
3. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorsprünge (49)

2 5 in einer regelmäßigen Anordnung mit etwa 10 bis 10 Vorsprüngen pro Quadratmillimeter angeordnet sind.
4. Elektronenstrahlröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Anordnung zur Erzeugung der Elektronenstrahlen umfaßt:

a) eine leitende Basis (37) mit einer Hauptoberfläche/

b) eine Vielzahl von im Abstand stehenden, zugespitzten VorSprüngen (49) auf der Oberfläche, wobei die Vorsprünge in eine zur Oberfläche im wesentlichen senkrechte Richtung weisen,

c) wenigstens zwei leitende Elektroden (43, 47), die isoliert im Abstand voneinander und im wesentlichen parallel zueinander und zur Oberfläche angeordnet sind und von denen jede eine Vielzahl durchgehender Öffnungen (41) aufweist, wobei jede Öffnung in einer Elektrode im wesentlichen koaxial mit einer der Öffnungen in der anderen Elektrode und außerdem im wesentlichen koaxial mit einem der Vorsprünge ist und eine der Elektroden isoliert im Abstand und im wesentlichen parallel zur leitenden Basis angeordnet ist,

d) Einrichtungen (51) zum Anlegen einer ersten Spannung zwischen die leitende Basis und die eine der Elektroden, und

e) Einrichtungen (59) zum Anlegen einer zweiten Spannung zwischen die beiden leitenden Elektroden.

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