DE3781666T2

DE3781666T2 - Elektronenstrahlgeraet und fokussierlinse fuer ein solches geraet.

Info

Publication number: DE3781666T2
Application number: DE8787202651T
Authority: DE
Inventors: Tjerk Gerrit Spanjer; Gerardus Arnoldus Her Vrijssen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-01-21
Filing date: 1987-12-30
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2007-12-31
Also published as: JPS63225464A; EP0275611A3; JP2726421B2; DE3781666D1; EP0275611B1; US4827184A; GB8701289D0; EP0275611A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Wiedergaberöhre mit einem Elektronenstrahlerzeuger, der in koaxialer Aufstellung entlang einer Achse einen Strahlformungsteil mit einer Kathode und einer Anzahl von Elektroden zum Projizieren eines Elektronenstrahls entlang der Achse sowie eine Hauptfokussierlinse enthält, die ein längliches rohrförmiges Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, eine hochohmige Widerstandsschicht auf der Innenfläche des Substrats und elektrische Verbindungen nach zwei axial voneinander getrennten Punkten der Widerstandsschicht enthält, wobei der Widerstandswert der Widerstandsschicht zwischen den axial voneinander getrennten Punkten zum Erzeugen einer vorgegebenen axialen Potentialverteilung zwischen ihnen in Beantwortung des Anlegens einer Fokussierspannung an einen der Punkte und einer davon abweichenden Spannung an den anderen dient.
Bekannte Arten von Fokussierlinsen für Wiedergaberöhren sind elektrostatische Bipotential- und Unipotential Linsen, Kombinationen davon und Magnetlinsen. Im allgemeinen sinkt die sphärische Aberration von Linsen beim Ansteigen des Linsendurchmessers ab.
Bei elektrostatischen Linsen wird der Höchstdurchmesser durch den Durchmesser des Röhrenhalses begrenzt. Jedoch gilt diese Beschränkung nicht für Magnetlinsen, aber diese sind durch ihre hohe Leistungsaufnahme, ihr zusätzliches Gewicht, die Drehung des Elektronenstrahls und Ausrichtprobleme ohnehin unvorteilhaft.
Beispielsweise ist aus der Patentschrift US-A-4 370 594 bekannt, daß sphärische Aberration durch Verwendung einer Elektronenlinse mit einer langen Brennweite verringerbar ist. Diese Beschreibung gibt ein Ausführungsbeispiel einer Bipotentiallinse mit zwei im Abstand voneinander liegenden zylindrischen Linsenelektroden, die auf herkömmliche Weise durch Glasstäbe getragen werden. Zwischen den Linsenelektroden ist ein Widerstandsstapel mit einer Anzahl durch Blöcke aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff elektrisch voneinander isolierter Platten versehen. Eine Widerstandsschicht überbrückt die Isolierblöcke, so daß ihnen ein geringer Strom zum möglichen Aufbauen eines elektrischen Feldes durchfließen kann.
In der amerikanischen Patentschrift US 3 995 194 ist ein weiterer Elektronenstrahlerzeuger mit einer erweiterten Feldfokussierlinse mit wenigstens drei, und vorzugsweise vier, diskreten Fokussierelektroden auf verschiedenen Spannungen beschrieben, die ein einziges, ununterbrochen elektrostatisches Fokussierfeld während des Röhrenbetriebs erzeugen, und dieses Feld sinkt allmählich und monoton von einem relativen Zwischenpotential auf ein verhältnismäßig niedriges Potential und steigt danach allmählich, direkt und monoton vom verhältnismäßig niedrigen Potential auf ein verhältnismäßig hohes Potential an. Eine in der US Patentschrift 4 124 810 beschriebene Elektronenlinse dient zur Verbesserung dieses früheren Elektronenstrahlerzeugers durch die Bildung einer verteilten Elektronenlinse durch drei Elektroden, die progressiv höhere Spannungen im Bewegungsweg des Elektronenstrahls vom Elektronenstrahlerzeuger zum Schirm führen. Dabei wird gesagt, daß ein kleinerer Elektronenfleck als der, der mit dem zuvor beschriebenen Elektronenstrahlerzeuger (USPS 3995104) erhalten wird, wenn die Länge der Zwischenelektrode der drei Elektroden im wesentlichen gleich dem Linsenradius ist, und vorzugsweise die Spannungsänderung an der Zwischenelektrode der drei Elektroden, entlang des Strahlungswegs monoton ansteigt und einer Exponentialkurve sehr nahe kommt.
Alle diese bekannten Linsen erfordern den Präzisionszusammenbau diskreter Elektroden, die mittels Glasstäbe räumlich in bezug aufeinander angeordnet werden. In vielen Fällen erfordert jede der Elektroden eine getrennte Speisespannung, was wieder eine jeweilige externe Verbindung bedeutet. Da der Trend in der Wiedergaberöhrenherstellung in Richtung schmalerer Hälse geht, wird auch die Abmessung der Elektronenstrahlerzeuger kleiner, was zu einer erhöhten sphärischen Aberration führt. Infolgedessen beeinträchtigt die Verwendung diskreter Elektroden mit ihrer eigenen externen Verbindung einen derartigen Trend.
Bei Röhren mit einem einzelnen Strahlerzeuger zur Verwendung für monochromatische Wiedergabe wurden schneckenförmige elektrostatische Elektronenlinsen vorgeschlagen, die durch das Anbringen leitender Wendeln entweder direkt auf der Innenseite der Röhrenumhüllung oder an der Innenseite eines Rohrelements aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff geformt werden, wobei dieses Element ein Teil des Elektronenstrahlerzeugers ist. In der amerikanischen Patentschrift US 3 143 681 wird beschrieben, daß es sich mathematisch nachweisen läßt, daß die Fokussierung eines Elektronenstrahls mit axialer Symmetrie mit einem Mindestwert an sphärischer Aberration durch ein elektrostatisches Feld mit Äquipotentialoberflächen erhalten werden kann, die koasymptotische Umdrehungshyperboloide rotationssymmetrisch um die Bündelachse liegen. Ein Feld mit den gewünschten Hyperboloid-Äquipotentialoberflächen kann durch eine einzelne Elektrode erzeugt werden, die aus einem durchgehend schneckenförmigen Leiter besteht, der einer Bezugsachse koaxial zugeordnet ist, die die Längsachse einer Kathodenstrahlröhre sein kann, und eine physikalische Konfiguration und elektrische Widerstandskennlinien besitzt, um ein Raumpotential auf der Bezugsachse zu erzeugen, das sich als eine Quadratfunktion der Verlagerung entlang der Bezugsachse ändert. Die Beschreibung erwähnt die Möglichkeit einer Spannungsänderung entlang dem Schneckenleiter beispielsweise durch Änderung der wirksamen Widerstandsfähigkeit des Schneckenleiters, wobei seine Querschnittsabmessungen, seine Steigung, das Verhältnis der Windungsbreite zum Windungsabstand, oder zwei oder mehrere der vorgenannten Faktoren in einer Kombination zur Lieferung eines nichtlinearen oder nichteinheitlichen Leiters geändert werden. Zusätzlich gibt die Entgegenhaltung an, daß die gewünschte Spannungsänderung durch eine Reihe gestufter Wendeln erhalten werden kann, wobei jede Stufe oder Erhöhung in sich linear ist, aber das Aggregat einen nichtlinearen Gesamteffekt besitzt, mehr als daß eine Kurve durch eine Reihe von geraden Linien angenähert werden kann. Jedoch ist es zum Erfüllen des erforderlichen Raumpotentials auf der Elektronenstrahlerzeugerachse wünschenswert, daß die oder jede Wendel durch ein physikalisches Feldbegrenzungselement mit einer Form entsprechend im wesentlichen der Umriß des gewünschten benachbarten Feldäquipotentials abgeschlossen wird. Derartige Feldbegrenzungselemente, die Platten oder Maschen enthalten können, können durch Elektronenaufprall örtliche Wärmequellen bilden. Derartige Platten oder Maschen lassen sich verhältnismäßig schwer zusammensetzen und herstellen und sie stellen daher einen zusätzlichen Kostenpost dar. Derartige Platten und Maschen sind ebenfalls unerwünscht in Elektronenstrahlgeräten, da sie einen Teil des Strahlstroms einfangen, was zu einem Helligkeitsverlust führt.
Trotz dieser Vorschläge gibt es keine zufriedenstellende allgemeine Lösung zum Entwickeln von Fokussierlinsen mit einer niedrigen sphärischen Aberration, die in Wiedergaberöhren mit schmalen Hälsen verwendbar sind, wie zum

Beispiel in Projektionsfernsehröhren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektronenstrahlerzeuger mit einer Elektronenlinse mit niedriger sphärischer Aberration zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist die eingangs erwähnte Wiedergaberöhre dadurch gekennzeichnet, daß zum Schaffen einer Fokussierlinse mit einer Potentialverteilung, die sich der optimalen Verteilung nähert, die Widerstandsschicht zwischen den beiden Punkten abwechselnd Spiral- und Zwischensegmente umfaßt, und daß beim Fortschreiten vom einen der Punkte mit der niederen Spannung nach dem anderen der Punkte die Zwischensegmente progressiv kürzer und die Spiralsegmente progressiv länger werden.
Mit dieser Erfindung wird eine erweiterte Feldlinse mit Elektroden geschaffen, die einen gleichen oder kleiner als herkömmlichen Durchmesser haben. Eine Linse wird also mit einem kleineren physikalischen Durchmesser, aber einem größeren wirksamen Durchmesser geschaffen, beispielsweise kann eine Linse mit einem wirklichen Durchmesser von 10 mm derart geschaffen werden, daß ihr wirksamer Durchmesser 40 mm beträgt, was bedeutet, daß sie dieselbe sphärische Aberration besitzt wie eine herkömmliche Bipotentiallinse mit einem physikalischen Durchmesser von 40 mm.
Die Erfindting basiert auf die Optimierung der Linsenpotentialverteilung in bezug auf den Faktor C1/4. In Optik, 72, Nr. 4 (1986) S. 134 ... 136, "A generalized comparison of spherical aberration of magnetic and electrostatic lenses", haben die Autoren A.A. van Gorkum und T.G. Spanjer gezeigt, daß, wenn man ausgeht von einem Gegenstand mit endlicher Breite, die minimal erreichbare Fleckgröße am Schirm linear proportional C1/4 ist, worin C die sphärische Aberrationskonstante in bezug auf die Bildseite der Linse ist, und diese Konstante verhält sich zur objektseitigen sphärischen Aberrationskonstante Cs mit
C = M&sup4;Cs(V&sub2;/V&sub1;)3/2
worin M die lineare Vergrößerung ist,
V&sub1; das Potential an der Gegenstandsseite der Linse, und
V&sub2; das Potential an der Bildseite der Linse ist.
Cs läßt sich aus dem Integral entlang der Achse (Z) von
berechnen, worin R der Radius des paraxialen Weges ausgehend vom Gegenstandspunkt (d.h. Z = P) bei einem 1 Radiantwinkel und V das Achsenpotential, V¹, V¹¹ und V¹¹¹ Ableitungen des Achsenpotentials sind, und Q das Bildpunkt ist, d.h. Z = Q. Eine Elektronenlinse, die die optimale Potentialverteilung annähert und unter Verwendung diskreter Metallelektroden hergestellt wird, jede mit ihrer eigenen Spannungsspeiseleitung, würde eine sehr komplizierte Konstruktion erfordern und nicht besonders geeignet sein für die Herstellung in Großmengen. Der in der erfindungsgemäßen Einrichtens benutzte Elektronenstrahlerzeuger hat einen einfachen Aufbau, der nur zwei externe Verbindungen erfordert und so ausgelegt werden kann, daß er sich die optimale Potentialverteilung stark nähert.
Diese Annäherung wird durch Anbringen einer hochohmischen Widerstandsschicht mit abwechselnden Wendeln und Zwischensegmenten erhalten, wobei die Längen der Wendeln und Zwischensegmente derart sind, daß beim Fortschreiten in einer Richtung vom Punkt, an dem die Fokusspannung angelegt wird, die Zwischenabschnitte progressiv kürzer sind, während die zwischenliegenden Wendeln progressiv länger sind. Die Mindestlänge eines Wendelsegments ist eine Windung. Theoretisch ist die Anzahl von Wendelsegmenten unbeschränkt, aber ein praktisches Maximum liegt in der Größenordnung von 9 Wendelsegmenten, während ein typischer Wert fünf ist, weil die Verbesserung der sphärischen Aberration infolge einer größeren Anzahl von Wendelsegmenten ständig geringer wird.
Insbesondere wurde gefunden, daß eine segmentierte Linse, deren Wendeln eine konstante Steigung haben und durch Bänder aus unstrukturiertem Widerstandsmaterial voneinander getrennt sind, eine zufriedenstellende sphärische Aberration ergeben kann. Der Grund dazu ist, daß die sphärische Aberration vom Achsenpotential abhängig ist, und daß große Schwankungen in der Potentialverteilung entlang der Wendel nur geringfügig in der Änderung des Achsenpotentials ans Licht kommen.
Ein weiterer Vorteil einer segmentierten Wendellinse mit konstanter Steigung ist, daß sie sich sehr einfach anfertigen läßt, beispielsweise durch Rotation des verlängerten Rohrsubstrats mit einer durchgehenden hochohmischen Widerstandsschicht an seiner Innenfläche bei einer konstanten Geschwindigkeit, und durch Ankratzen einer Wendelspur im Bereich der Segmente unter Verwendung eines Meißels, oder durch Ausbilden einer derartigen Spur mit einem Laser, die parallel zur Achse verlagert wird.
Ungeachtet, ob jeder der Wendelsegmente eine abweichende Steigung besitzt, wird der Bereich, über den die Steigung geändert werden kann, dadurch begrenzt, daß die Mindestbandbreite einer Windung der Wendel groß genug sein muß, um den Effekt möglicher Unregelmäßigkeiten an seinen Rändern im Widerstandswert vernachlässigbar zu machen. Weitere Faktoren, die ebenfalls zu berücksichtigen sind, bestehen darin, daß ein zu großer Windungsabstand zu Belastung des Isoliersubstrats des Rohrelements führen kann. Zusätzlich ist eine große Bandbreite unerwünscht, weil das Potential entlang dieses Bandes in der Axialrichtung konstant ist. Jedoch besteht ein Verfahren, bei dem diese Probleme beseitigbar sind, aus der Verwendung von zwei oder mehreren verschachtelten grob gewickelten Wendeln, wobei jede Wendel an ihren beiden Enden mit den Wendeln mit feinerer Steigung verbunden sind, wodurch also diese Kombination grob gewickelter Wendeln eine äquivalente Anzahl parallel verbundener Widerstände darstellt.
Das Rohrsubstrat kann den Hals der Wiedergaberöhre oder ein im Hals montiertes und einen Teil des Elektronenstrahlerzeugers bildendes getrenntes Element enthalten, wobei der andere Teil der Elektronenstrahlerzeugungsabschnitt ist.
Auch gibt es die Möglichkeit einer Vorfokussierungslinse zwischen dem Elektronenstrahlerzeugungsabschnitt und der Hauptfokussierlinse, wobei die Vorfokussierlinse eine weitere Wendel in der Widerstandsschicht enthält.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer monochromen Wiedergaberöhre, beispielsweise einer Projektionsfernsehröhre, mit einem ausgebrochenen Teil der Kolbenwand,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen Elektronenstrahlerzeuger bei Verwendung in der Wiedergaberöhre nach Fig. 1,
Fig. 3 vier graphische Darstellungen zur Veranschaulichung bestimmter Eigenschaften segmentierter Elektronenlinsen,
Fig. 4 die relativen Positionen einer schneckenförmigen Vorfokussierungslinse und die Segmente einer 5-Segment-Bipotentiallinse in großen punktierten Linien zusammen mit graphischen Darstellungen der ersten, zweiten und dritten Differentialen (V¹/V. V¹¹/V und V¹¹¹/V) des Achsenpotentials in ausgezogenen, feinpunktierten und strichpunktierten Linien,
Fig. 5 die relativen Positionen einer schneckenförmigen Vorfokussierungslinse sowie die Segmente einer 5-Segment-Bipotentiallinse in großen punktierten Linien zusammen mit graphischen Darstellungen des Paraxialstrahls als ausgezogene Linie, das Achsenpotential als eine feinpunktierte Linie und den Integrant des sphärischen Aberrationsintegrals als strichpunktierter Linie,
Fig. 6 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Fünfsegment- Wendellinse,
Fig. 7 zur Veranschaulichung eine Teillängsansicht durch eine Einstrahlwiedergaberöhre mit den Wendelsegmenten auf der Wand des Röhrenhalses,
Fig. 8 zur Veranschaulichung eine Teillängsansicht durch einen Wiedergaberöhrenhals und den Elektronenstrahlerzeuger darin mit einer segmentierten Linse, der eine variable Steigungswendel umfaßt, und
Fig. 9 ein Verfahren, mit dem eine grobgewickelte Wendel durch die Verwendung von zwei verschachtelten Wendeln erhalten werden kann.
In der Zeichnungen sind zum Bezeichnen der selben Bauteile die gleichen Bezugsziffern verwendet.
In Fig. 1 enthält die monochrome Wiedergaberöhre einen evakuierten Kolben 10, der aus einer optisch durchsichtigen Vorderplatte 12, einem konischen Teil 13 und einem Hals 14 besteht. Ein Elektronenstrahlerzeuger 15 ist im wesentlichen koaxial im Hals 14 angeordnet. Ein Elektronenstrahl 16 aus dem Elektronenstrahlerzeuger 15 bildet einen Fleck 18 auf einem Kathodolumineszenzschirm 17 auf der Innenfläche der Vorderplatte 12. Ein magnetisches Ablenkjoch 19 tastet den Fleck 18 in den X- und Y-Richtungen über den Schirm 17 ab. Externe Verbindungen mit den Elektroden des Elektronenstrahlerzeugers 15 verlaufen über Stifte 21 in einer mit dem Hals 14 verschmolzenen Glasendkappe 20.
In Fig. 2 ist der Elektronenstrahlerzeuger 15 mit weiteren Einzelheiten dargestellt. Der Elektronenstrahlerzeuger 15 enthält einen Rohrträger aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise ein Glasrohr 22, das durch Erweichen eines Glasrohrabschnitts und durch Ziehen auf einem Dorn ausgebildet wird. Neben einem Ende wird eine Reihe von Ringstufen mit größer werdendem Durchmesser in Richtung auf den Endteil des Röhrenabschnitts vorgesehen und dienen als Angriffsflächen für Elektroden im Strahlbildungsabschnitt des Elektronenstrahlerzeugers. Der Rest des Röhrenabschnitts besitzt eine homogene hochohmische Widerstandsschicht 23, beispielsweise aus Rutheniumoxid, die darauf angebracht ist. Eine Vorfokussierlinse 24 wird zusammen mit einer schneckenförmigen 5-Segment-Bipotential-Fokussierlinse 25 als Wendel in der Widerstandsschicht ausgebildet. Der Linsendurchmesser beträgt 10 mm. In einem Ausführungsbeispiel einer Projektionswiedergaberöhre beträgt der Abstand zwischen dem durch die Überkreuzung im Strahlbildungsteil des Elektronenstrahlerzeugers gebildeten Gegenstands und dem Ende des letzten Wendelsegments 73 mm und der Abstand zwischen dem letzten Segment und dem Schirm 17 beträgt 130 mm.
Der Strahlbildungsteil des Elektronenstrahlerzeugers enthält eine indirekt geheizte Kathode 26, der von einer ausgezogenen dünnwandigen Hülse 27 getragen wird und elektrisch davon isoliert ist, die an einer gelöcherten, gezogenen dünnwandigen Metallhülse 28 befestigt ist, die ein Gitter g&sub1; darstellt. Beim Weitergehen in Richtung des Elektronenstrahlweges von der Kathode 26 gibt es aufeinanderfolgend angeordnete gelöcherte Gitter g&sub2;, g&sub3; und g&sub4; aus gezogenen dünnwandigen Metallhülsen 29, 30 und 31. Möglicherweise kann eine Blende 32 im g&sub4;-Gitter vorgesehen werden. Das Loch in der Blende ist groß genug zum Durchlassen des Hauptteils des Elektronenstrahls, aber klein genug zum Verhindern von Streuelektronen am Erreichen der Wendelsegmente, wodurch vorübergehende Erhöhungen im Stromfluß auftreten, die zu Defokussierung des Elektronenstrahls durch Änderungen in der Spannungsverteilung führen. Durch die Anordnung der Blende 32 zwischen g&sub4; und der Vorfokussierlinse befindet es sich in einem Äquipotentialraum und vermeidet damit Störungen in den elektronenoptischen Eigenschaften des Elektronenstrahlerzeugers.
Die Fünfwendelsegment-Fokussierlinse 25 besteht aus fünf Wendelsegmenten 33 bis 37 mit konstanter Steigung abgewechselt durch einfache zylindrische Zwischensegmente 42 bis 47 aus dem hochohmischen Widerstandsmaterial 23. Eine elektrische Verbindung zum Segment 42 erfolgt über einen Ausgangsdraht 50, der beispielsweise mit einer Fokussierspannung Vf von 3kV geliefert wird. Das Segment 47 führt typisch eine Schirmspannung Vs von 30 kV, die durch einen elektrischen Kontakt mit einer Leitschicht (nicht dargestellt) an der Innenseite des konischen Teils 13 abgeleitet wird, wobei die Leitschicht elektrisch mit einem Anodenknopf (nicht dargestellt) verbunden ist.
Wenn im Betrieb die genannten Spannungen über die Wendelsegmente der Linse zugeführt werden, dienen die Wendelsegmente als Spannungsteiler und erfordern die Zwischensegmente 43, 44, 45 und 46 je ein anderes festes Potential, das durch das Verhältnis der Längen der Wendelsegmente bestimmt wird, wobei davon ausgegangen wird, daß alle Wendeln eine konstante Steigung besitzen. Durch Optimieren des Achsenpotentials in der Fokussierlinse kann eine Linse mit einer minimalen sphärischen Aberration für eine besondere Vergrößerung erreicht werden. Bei einer bipotentialen Fokussierlinse und Wendeln mit konstanter Steigung wurde gefunden, daß die gewünschte Optimierung durch allmähliches Erhöhen der Länge der Wendelsegmente 33 bis 37 vom Gegenstandspunkt, d.h. die Überkreuzung im Strahlbildungsteil des Elektronenstrahlerzeugers, und durch allmähliches Vergrößern der Länge der Zwischensegmente 43 bis 46 erhalten. Die Mindestlänge eines Wendelsegments soll eine Windung betragen. Bei der Entscheidung über die Steigung und die Bandbreite der Wendel ist darauf zu achten, daß der erforderliche Potentialunterschied jedes Wendelsegments, die Reproduzierbarkeit der Segmente erhalten und zu starkes Belichten des Substrats vermieden wird, was zur Gefahr von Ladungsaufbau auf dem Substrat führt. Die Wahl der Bandbreite der Wendeln wird teilweise durch das Maß der Weichheit der Ränder des Bandes oder anders der Unregelmäßigkeiten in den Rändern des Bandes beeinflußt. Da die Wendeln durch Kratzen einer Wendelspur durch die Widerstandsschicht 23 oder durch Entfernen des Widerstandsmaterials unter Verwendung eines Laserbündels gebildet werden, wird die Makroteilchenabmessung des Widerstandsmaterials Einfluß auf die Grobheit der Ränder ausüben. Demzufolge wird die Breite der Wendelspur derart gewählt, daß die Effekte möglicher Unregelmäßigkeiten in den Rändern vernachlässigbar sind. Die Steigung wird derart gewählt, daß die gewünschten Eigenschaften der elektrischen Isolation zwischen Windungen erhalten werden und Ladungsaufbau vermieden wird. Durch die konstante Steigung und den homogenen Widerstandswert steigt oder sinkt das Potential entlang der Segmente linear und ermöglicht eine gleiche Feldstärke bei jedem Segment.
Wenn die Längen der Wendelsegmente und der Zwischensegmente wie anhand der Fig. 2 beschrieben sich ändern, steigt oder sinkt das Achsenpotential allmählich in Richtung auf das Endpotential. Faktisch können axiale Potentiale in Längenwerten ausgedrückt werden. Demnach kann die erste und insbesondere die zweite Ableitung dieses Achsenpotentials niedrig gehalten werden. Wie bereits erwähnt in der Einführung dieser Beschreibung wird die sphärische Aberrration der Elektronenlinse durch das Integral entlang der Achse von
bestimmt, worin R der Radius des paraxialen Weges ausgehend vom Gegenstandspunkt bei einem 1-Radiantwinkel und V, V¹, V¹¹ und V¹¹¹ das Achsenpotential und seine Ableitungen sind. Der Hauptbeitrag zu diesem Integral wird durch den Term mit (V¹¹/V)² bestimmt, obgleich die anderen Beiträge nicht vernachlässigbar klein sind. Wenn dafür gesorgt wird, daß das Achsenpotential allmählich ansteigt oder absinkt, ist gewährleistet, daß diese Beiträge niedrig bleiben.
In Fig. 3 ist die Änderung des berechneten sphärischen Aberrationskoeffizienten Cs, die Vergrößerung M, das erforderliche Spannungsverhältnis Vf/Vs und der Faktor C1/4 (je kleiner umso besser die Linse) dargestellt, der gegen die Anzahl (N) von benutzten Segmenten in bezug auf ein Ausführungsbeispiel mit festen Abständen aufgetragen sind. In Fig. 3 stellt die linke Ordinate die relativen Vergrößerungswerte (M) und den Faktor C1/4 dar, der durch den Linsenradius (R) in der Potenz 1/4 geteilt wird, d.h. (C/R)1 4, und die rechte Ordinate stellt an der linken Seite das Verhältnis von Vf (Fokussierspannung) zu Vs (Schirmspannung) und an der rechten Seite den Koeffizienten Cs der sphärischen Aberration geteilt durch den Linsenradius dar, d.h. (Cs/R).
Für jede Anzahl von Wendelsegmenten N wurde die Längenverteilung der Wendelsegmente und der Zwischensegmente für den kleinsten Wert des Faktors C1/4 optimiert. Der Ausgangspunkt dieser Berechnungen war, den Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Ende des letzten Wendelsegments an 73 mm anzugleichen, wobei der Abstand zwischen dem Schirm und dem letzten Segment gleich 130 mm gemacht wurde, die Gesamtlänge (L) der Wendeln, d.h. der Abstand von der Erzeugerseite der Vorfokussierwendel zur Schirmseite der Wendel 37, beträgt 63 mm, und der Linsendurchmesser wurde 10 mm gemacht. Eine Prüfung nach Fig. 3 zeigt, daß der Faktor (C/R)1/4 bei einer größer werdenden Anzahl von Segmenten abfällt, aber die Abfallgeschwindigkeit ist geringer, wenn mehr als fünf Wendelsegmente verwendet werden. Auch die sphärische Aberration sinkt bei einer größer werdenden Anzahl von Linsensegmenten ab. Für eine feste Schirmspannung Vs sinkt die Fokussierspannung Vf bei ansteigender Anzahl von Segmenten ab, weil die Linse weicher ist und die Vergrößerung sich allmählich vergrößert.
Fünf Wendelsegmente wurden zum Finden eines guten Kompromisses zwischen der Optimierung der Linsenqualität und der Fähigkeit zum Herstellen der Wendellinsensegmente gefunden, wobei nicht nur die vorangehenden Bemerkungen berücksichtigt wurden, aber auch die Tatsache, daß Computersimulierungen spezifiziert haben, daß die Länge des kürzesten Wendelsegments kleiner als die Steigung der Wendel wird, die im Ausführungsbeispiel als 350 µm beschrieben wird.
Aus Fig. 3 läßt sich ableiten, däß für eine 5-Wendelsegmentlinse das Verhältnis Vf/Vs 0,104, die Vergrößerung 2,08, die durch den Radius R geteilte sphärische Aberration 56,41 und der Faktor C1/4, der durch den Radius in der Potenz von 1/4 geteilt wird, 9,36 betragen. Die Länge (1) der Wendelsegmente und der Zwischensegmente, die in bezug auf den Linsenradius R ausgedrückt wird, d.h. 1/R, ist
Segmentnr. 33 43 34 44 35 45 36 46 37
(siehe Fig. 2)
Wendel 0,11 0,19 0,30 0,48 2,68
Zwischen 1,01 0,83 0,64 0,43
Das Rohrverzeichnis gibt die allmählichen Änderungen in den Segmentlängen an.
Jetzt wird anhand der Fig. 4 und 5 die Änderung des Achsenpotentials und seiner Ableitungen sowie die Änderung des paraxialen Weges und des Integranten des sphärischen Aberrationsintegrals veranschaulicht. Die Abszisse in beiden Figuren Z/R ist das Verhältnis des Axialabstandes zum Radius. Die schneckenförmige Vorfokussierlinse 24 und die Wendelsegmente 33 bis 37 der Fokussier- und Beschleunigungslinse sind in Fig. 4 und 5 punktiert dargestellt. In Fig. 4 stellen die Kurven 50, 52 und 54 die ersten, zweiten und dritten Ableitungen der Spannung dar. Eine Prüfung dieser Kurven bestätigt, daß der Hauptbeitrag zum Integral im Ausdruck für Cs die zweite Ableitung ist.
In Fig. 5 zeigt die Kurve 56 die Änderung im Radius des paraxialen Weges und veranschaulicht, wie der Weg auf einen Höchstwert ansteigt und dann abfällt. Eine Prüfung von Linsen mit verschiedenen Segmentzahlen gibt an, daß der Höchstwert bei einem ansteigenden Segmentzahl abfällt. Die Kurve 58 ist die des Achsenpotentials und zeigt, daß es zwischen der Vorfokussierlinse 24 und dem Wendelsegment 33 abfällt und dann ständig auf einen Höchstwert von 30 kV ansteigt, wobei die Ordinatenskalenteilung auf die Endspannung standardisiert wurde. Eine kleinere Anzahl von Wendelsegmenten bedeutet, daß der Spannungsanstieg steiler ist, aber je größer die Anzahl von Wendelsegmenten bedeutet einen allmählicheren Anstieg. Schließlich stellt die Kurve 60 den Integranden des Koeffizienten der sphärischen Aberration dar. Dieser Koeffizient sinkt ab bei ansteigender Anzahl von Wendelsegmenten, was mit der Kurve (Cs/R) in Fig. 3 bestätigt wird.
In Fig. 6 sind die Längen der Wendelsegmente 24 und 33 bis 37 mit konstanter Steigung und der Zwischensegmente 42 bis 46 in Millimeter eines praktischen Ausführungsbeispiels eines Elektronenstrahlerzeugers dargestellt. Auch sind die Spannung V&sub4; an das Gitter g&sub4;, die Fokussierspannung Vf und die Schirmspannung Vs gegeben, sowie der Abstand von der Kathode 26 zur Vorfokussierlinsenwendel, der 10 mm beträgt.
In Fig. 7 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer monochromen Wiedergaberöhre dargestellt, in der die Wendelsegmente der Vorfokussierlinse 124 und der Bipotential-Beschleunigungslinse, der Segmente 133 bis 137, in einer hochohmischen Widerstandsschicht vorgesehen sind, die auf der Innenseite des Halses 14 angebracht ist. Ebenfalls ist in dieser Figur veranschaulicht, daß die Längen der Wendel- und Zwischensegmente wie in Fig. 2 sich ändern und ebenfalls, daß die Steigung jeder Wendel variabel und dazu ausgelegt ist, daß optimale Achsenpotential zu erzeugen, um eine minimale sphärische Aberration zu erzeugen. Im Rohrsubstrat oder im Glasrohr 22 nach Fig. 2 können im Abstand voneinander liegende Segmente mit variabler Steigung vorgesehen werden und umgekehrt können Segmente mit konstanter Steigung im Hals 14 der Röhre nach Fig. 7 vorgesehen werden.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Elektronenstrahlerzeugers 15 dargestellt, in dem eine durchgehende Wendel aus einem hochohmischen Widerstandsmaterial auf der Innenseite des Glasrohrs 22 vorgesehen ist. Die Steigung und die Bandbreite der Wendel werden derart geändert, daß beispielsweise die Wendelsegmente der Vorfokussierlinse und der Beschleunigungselektronenlinse Segmente 224, 233, 234, 235, 236 und 237 mit feiner konstanter Steigung und die Zwischensegmente Segmente 242 bis 247 mit grober konstanter Steigung enthalten. Wie in den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Längen der Wendelsegmente und Zwischensegmente geändert, wie erforderlich war.
In einer alternativen Anordnung des Elektronenstrahlerzeugers nach Fig. 8 kann die Steigung der Windungen in jeder der Wendeln sich ununterbrochen ändern, um das erforderliche Achsenpotential zu erhalten.
In Fig. 9 ist schematisch dargestellt, wie eine grobgewickelte Wendel 60 ohne die Gefahr von Substratbelastung erhalten werden kann. Die Wendel 60 enthält in Wirklichkeit zwei verschachtelte grobgewickelte Wendeln 62 und 64, die an ihren Enden mit den feingewickelten Wendeln 66 und 68 verbunden sind. In Wirklichkeit enthalten die Wendeln 62 und 64 auf wirksame Weise Widerstände in Parallelschaltung, so daß der Spannungsabfall an der Wendel 60 die Hälfte ist von dem Abfall, die auftreten würde, wenn sie nur die Wendeln 62 oder 64 enthielt.
Unter Verwendung von 5-Wendelsegmenten nach der Beschreibung wird eine 24% Verbesserung in C1/4 im Vergleich zu einer Linse verwirklicht, die aus einem Segment konstanter Steigung besteht, wobei die maximal erreichbare Verbesserung 30% beträgt. Jedoch liegt die Beschränkung bei sieben oder mehr Wendelsegmenten darin, daß das kürzeste Segment so klein wird, daß es nur noch eine Windung lang ist. Der Einfluß der Inhomogenität des Widerstandswerts der Schicht wird in diesem Fall ebenfalls beträchtlich.
Die veranschaulichten Ausführungsbeispiele der Erfindung bestanden aus Beschleunigungslinsen vom Bipotentialtyp, jedoch ist es ebenfalls möglich, andere Linsen herzustellen, wie zum Beispiel Unipotentiallinsen in segmentierter Form. Bei einer Unipotentialiinse muß die Wendelsegmentlänge sich allmählich vom Punkt an vergrößern, der die Brennpunktspannung führt, während die Länge der Zwischensegmente kleiner wird.
Ein Verfahren zum Herstellen segmentierter Linsen vom Typ nach der Beschreibung wird jetzt nachstehend näher erläutert.
Ein Glasrohr 22, das ein zylindrisches Isoliersubstrat enthält, wird durch Ziehen auf einem zweiteiligen Dorn ausgebildet, dessen Teile nach dem Ziehen vom Glasrohr in entgegengesetzten Richtungen entfernt werden. Eine derartige Technik ermöglicht es, die Stellen mit sich vergrößerndem Durchmesser mit einer hohen Reproduzierbarkeit und Genauigkeit erhalten zu können. Danach werden elektrische Kontakte an vorgegebenen Positionen in der Röhrenwand eingeführt. Dies erfolgt durch Sandstrahlen konischer Löcher in die Röhrenwand. Indiumkugeln werden in die Löcher zusammen mit den Auslaufdrähten eingeführt und jede Einrichtung wird in dem betreffenden Loch mit Hilfe eines herkömmlichen Kristallisierungsglases verschmolzen. Der Teil der in die Röhre einragenden Drähte und/oder Indiumkugeln werden fluchtend abgeschnitten. Die hochohmige Widerstandsschicht, beispielsweise Rutheniumoxid, wird dabei in Form einer Lösung auf die Innenseite des Glasrohrs angebracht und getrocknet.
Die Wendelsegmente werden durch Rotieren des Glasrohrs um seine Längsachse bei einer konstanten Geschwindigkeit und durch Einkratzen der Wendelform im Bereich der Segmente mittels eines Meißels geformt, der parallel zur Achse langsam verschoben wird. Die Steigung der Wendel beträgt beispielsweise 300 µm und die Unterbrechung in der Widerstandsschicht beträgt beispielsweise 60 µm. Nach einer Brennbehandlung sind die Unterbrechungen hoch spannungswiderstandsfähig. Die Dicke der Schicht ist in der Größenordnung von 1,3 µm.
Die Elektroden des Strahlbildungsabschnitts, die vorgeformte tellerförmige Elemente sind, werden in das Glasrohr eingebracht und legen sich an die in der Röhre vorgeformten engen Toleranzflächen.
Weitere geeignete Werkstoffe für die hochwiderstandsfähige Schicht sind Manganoxid, Nickeloxid und Talliumoxid.
Wie bereits erwähnt können die Wendeln durch die Verwendung eines Lasers gebildet werden, der eine Spur in die Schicht 23 einbrennt.
Obgleich die vorliegende Erfindung in bezug auf Elektronenstrahlerzeuger mit einer Fokussierlinse beschrieben wird, die durch eine Widerstandsschicht auf einem kreisförmigen zylindrichen Substrat gebildet wird, können genau so gut nichtkreisförmige symmetrische Substrate sowie Substrate verwendet werden, deren Querschnittsbereich sich ändert, beispielsweise konische Substrate.
In den veranschaulichten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist eine externe Verbindung mit g&sub4; und dabei mit der Vorfokussierlinse dargestellt. Jedoch kann eine derartige externe Verbindung auf geeignete Weise durch Verbinden des Gitters g&sub4; mit einem geeigneten Punkt in der schneckenförmigen Hauptlinse vermieden werden.
Diese Erfindung beschränkt sich nicht auf Elektronenstrahlgeräten mit einem einzigen Elektronenstrahlrerzeuger. Kombinationen dieser Elektronenstrahlerzeuger können zur Verwendung zum Beispiel in einer Wiedergaberöhre mit einer in-line Elektronenstrahlerzeugerschattenmaske hergestellt werden. Zusätzlich kann ein integraler Mehrfachelektronenstrahlerzeuger mittels eines geeignet geformten Rohrsubstrats und durch Anbringen von Wendeln an der Innenseite dieses Substrats hergestellt werden.

Claims

1. Wiedergaberöhre mit einem Elektronenstrahlerzeuger, der in koaxialer aufstellung entlang einer Achse einen Strahlformungsteil mit einer Kathode und einer Anzahl von Elektroden zum Projizieren eines Elektronenstrahls entlang der Achse sowie eine Hauptfokussierlinse enthält, die ein längliches rohrförmiges Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, eine hochohmige Widerstandsschicht auf der Innenfläche des Substrats und elektrische Verbindungen nach zwei axial getrennten Punkten der Widerstandsschicht enthält, wobei der Widerstandswert der Widerstandsschicht zwischen den axial getrennten Punkten zum Erzeugen einer vorgegebenen axialen Potentialverteilung zwischen ihnen in Beantwortung des Anlegens einer Fokussierspannung an einen der Punkte und einer davon abweichenden Spannung an den anderen dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht zwischen den beiden Punkten abwechselnd Spiral- und Zwischensegmente umfaßt, und daß zum Vorsehen einer Fokussierlinse mit einer der optimalen Potentialverteilung annähernden Verteilung beim fortschreiten vom einen der Punkte mit der niederen Spannung nach dem anderen der Punkte die Zwischensegmente progressiv kürzer und die Spiralsegmente progressiv länger werden.

2. Röhre nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischensegmente zylindrische Bänder aus unstrukturiertem Widerstandsmaterial enthalten.

3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischensegmente konstante Steigungswendeln mit von der Steigung der Spiralsegmente abweichender Steigung besitzen.

4. Röhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Zwischensegmente wenigstens zwei verschachtelte und grob gewickelte Wendel enthält.

5. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Spiralsegmente eine konstante Steigung aufweist.

6. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit fünf Spiralsegmenten.

7. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierlinse außerdem eine Vorfokussierlinse enthält, die aus einer Wendel in der hochohmigen Widerstandsschicht an einer Stelle im rohrförmigen Substrat zwischen dem einen der Punkte und dem Strahlformungsteil besteht.

8. Röhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Verbindung nach der Vorfokussierlinse mit einem Abzweigpunkt zwischen dem einen und den anderen Punkten der Widerstandsschicht verbunden ist.

9. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß hochohmige Widerstandsschicht Rutheniumoxid enthält.

10. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran beim Eingang der Linse angeordnet ist , um Streuelektronen das Erreichen der hochohmigen Widerstandsschicht zu verhindern.

11. Röhre nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter noch mit einem Kolben, in den der Elektronenstrahlerzeuger aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das längliche rohrförmige Substrat einen Teil des Kolbens bildet.