DE2738928A1

DE2738928A1 - Elektronenstrahlerzeugungs-einrichtung mit einer den elektronenstrahl formenden struktur

Info

Publication number: DE2738928A1
Application number: DE19772738928
Authority: DE
Inventors: Bozidar Janko
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1976-09-07
Filing date: 1977-08-30
Publication date: 1978-03-09
Also published as: FR2363879A1; JPS5333046A; NL7708154A; US4075533A

Description

Dr-In₉- Ernst Sti uhnann 27 389 2

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 26. Aug. 1977

PF 2388-4

Tektronix, Inc.

Beaverton, Oregon» V. st. A.

Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtung mit einer den Elektronenstrahl formenden Struktur

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtung mit einer den Elektronenstrahl formenden Struktur.

Für Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtungen, insbesondere bei Anwendung bei Kathodenstrahlröhren, sind Ionen-Fallen bereits bekannt, siehe die US-Patentschriften 2 81o o91, 2 836 752 und 2 921 212. Die Ionen-Fallen, die in diesen Patentschriften offenbart werden, werden dazu verwendet, das Auftreffen von negativen Ionen, die zusammen mit dem Elektronenstrahl fortgetragen werden, auf Gebiete des fluoreszierenden Schirmes zu verhindern, damit keine Verdunkelung oder Verfärbung dieser Gebiete, bekannt als Ionen-Flecken, auftreten.

Positive Ionen werden ebenfalls in den Elektronenröhren erzeugt, wobei sie typischerweise durch das Auftreffen von Elektronen des von der erhitzten Kathode ausgehenden Elektronenstrahls auf Metallteile der Anode erzeugt werden, wodurch positive Metallionen entstehen. Die Elektronen des Elektronenstrahls können auch zum Austreten von Gasmolekülen aus den Metallteilen Veranlassung geben, auf die sie aiftreffen, wobei diese Gasmoleküle positive Ionen bilden. Schließlich erzeugen Elektronen des Elektronenstrahls

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sowie auch davon herrührende Sekundärelektronen positive Gasionen aus freien Gasmolekülen, die innerhalb der Umhüllung der Elektronenröhre vorhanden sind.

Diese positiven Ionen können in der Nähe der Kathode kinetische Energie aufnehmen und auf die Kathode auftreffen und dabei Kathodenmaterial abschlagen, wodurch eine chemische Vergiftung verursacht wird, die die Kathodenstruktur verändert und die Lebensdauer der Kathode vermindert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Elektronenröhre, insbesondere eine Kathodenstrahlröhre, die so ausgebildet ist, daß positive Ionen nicht auf die Kathode auftreffen können, und zwar durch Anwendung einer Ionen-Falle, die die positiven Ionen sammelt.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, also durch eine Elektronenröhre, die im allgemeinen eine Kathodenstrahlröhre sein wird, welche eine Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtung mit den üblichen Kathode-, Gitter-, Anoden- und Fokussierelementen aufweist. Alle diese Elemente mit Ausnahme des Anodenelementes sind von herkömmlicher Bauart. Das Anodenelement ist gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung ein becherartiges Glied mit einer strahldurchläsagen öffnung in dem zur Kathode hin gerichteten Ende, während das andere Ende dieses Gliedes von einer Platte einen Abstand besitzt, die eine strahlbegrenzende öffnung aufweist und Teil der elektrostatischen Linse sein kann und üblicherweise auch ist. Dieses becherartige Glied ist mit einem positiven Potential verbunden, das von 1o Volt bis zu einem Werte reicht, der die Elektronenoptik nicht stört, während die die strahlbegrenzende öffnung enthaltende Platte mit einem Bezugspotential verbunden ist. In dieser Ausführungsform werden positive Ionen, die von den Elektronen des Elektronenstrahls oder von dessen Sekundärelektronen erzeugt werden, aus dem Elektronenstrahl heraus gelenkt und von den geerdeten Platten

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gesammelt, wodurch diese Ionen daran gehindert werden, auf die Kathode aufzutreffen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Anodenelement eine Platte mit einer strahlendurchlässigen öffnung darin, die mit einem positiven Potential verbunden ist, wie es bei dem weiter oben geschilderten becherartigen Glied der Fall war. Die Platte ist in einem Abstand zu einem Zylinder angeordnet, der ein ringförmiges Glied umfaßt, das in diesem befestigt ist und eine strahlbegrenzende öffnung aufweist. Der Zylinder ist mit einem Bezugspotential verbunden, so daß von ihm positive Ionen gesammelt werden.

Durch diese besondere Ausbildungsform des Anodenelementes entsteht eine Elektronenröhre oder sonstige Entladungseinrichtung, die eine Ionen-Falle zur Sammlung von positiven Ionen aufweist, die von Elektronen des Elektronenstrahls oder von dessen Sekundärelektronen erzeugt werden. Besonders günstig ist dabei, daß durch die an einem positiven Potential liegende Anode die erzeugten positiven Ionen zurückgestoßen werden, so daß sie nicht auf die Kathode auftreffen können. In-dem Anode und Linse mit unterschiedlichen Potentialen zur Abstoßung und Anziehung von positiven Ionen verbunden werden, wird das Auftreffen derartiger erzeugter Ionen auf die Kathode noch sicherer verhindert.

Insbesondere kann die Anodeneinrichtung mit einem positiven Potential verbunden werden, das von 1o Volt bis zu einem Wert reicht, der die Arbeitsweise der elektronischen Optik der Einrichtung nicht stört. Durch dieses positive Potential werden die von dem Elektronenstrahl oder dessen Sekundärelektronen erzeugten positiven Ionen aus dem Elektronenstrahl herausgelenkt und auf diese Weise daran gehindert, die Kathode zu erreichen, wodurch deren Beschädigung durch die Ionen verhindert wird, was zu einer höheren Kathodenbeladung und zu längerer Kathodenlebensdauer führt.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind und insbesondere eine elektronenstrahlformende Struktur umfassen, die eine Anode mit einem ersten und einem davon entfernt angeordneten zweiten Abschnitt aufweisen, wobei der erste Abschnitt der Kathode am nächsten liegt und eine strahlhindurchlassende Öffnung aufweist und mit einem positiven Potential verbunden ist, während der zweite Abschnitt eine strahlbegrenzende Öffnung besitzt und bezüglich des ersten Abschnittes mit Masse verbunden ist. Der erste Abschnitt stößt positive Ionen, die angrenzend zur strahlbegrenzenden Öffnung erzeugt werden, ab, und lenkt sie von der Elektronenstrahlquelle in der Weise ab, daß sie von dem zweiten Abschnitt gesammelt werden können.

Es zeigt

Fig. 1 eine axiale Querschnittsansicht zur Darstellung der inneren Struktur einer Kathodenstrahlröhre gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 eine axiale Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der den Elektronenstrahl formenden Struktur, die eine Ionen-Falle verwendet, dargestellt. Sie umfaßt eine Kathode 1o, die typischerweise mit einem negativen Potential von beispielsweise - 2.ooo Volt verbunden ist. Ein Heiselement 12 ist innerhalb der Kathode 1o angeordnet, um die Kathode 1o aufzuheizen und dieser zu ermöglichen, einen Elektronenstrahl 14 auszusenden. Die Kathode 1o ist innerhalb eines becherförmigen Gitters 16 angeordnet, das mit einem negativen Potential von beispielsweise - 2.o5o Volt verbunden ist. Das Gitter 16 ist mit einer Öffnung 18 versehen, durch die der Elektronenstrahl 14 hindurchläuft.

Die Anode 2o ist ein becherförmiges Glied und besitzt eine strahl-

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zuführende öffnung 22, um einen Elektronenstrahl 14 hindurchzulassen. Anode 2o ist mit einem positiven Potential verbunden, das bezüglich einem Bezugspotential von ungefähr 0 Volt im Bereich von 1o bis 1oo Volt liegt. Die Anode 2o ist von einer Platte in einem Abstand angeordnet, welche mit einer strahlformenden öffnung 26 versehen ist. Die Platte 24 ist Teil eines elektrostatischen Linsensystems 28 von herkömmlicher Bauart, welches mit einer Fokussierspannung V, verbunden ist, um den Elektronenstrahl 14 zu fokussieren, während dieser durch die Linse 28 hindurch und durch die öffnung 3o aus dieser herausläuft.

Nachdem der Elektronenstrahl 14 durch die öffnung 3o in der Linse 28 hindurchgelaufen ist, durchläuft er die vertikale Ablenkplatte 32, deren Funktion darin besteht, den Elektronenstrahl 14 in vertikaler Richtung gemäß dem an diese Platten angelegten Signalspannungen zu bewegen. Der Elektronenstrahl 14 läuft dann zwischen horizontalen Ablenkplatten 34 hindurch, die den Elektronenstrahl 14 in horizontaler Richtung in Übereinstimmung mit an diesen Platten angelegten horizontalen Ablenksignalen bewegen. Der Elektronenstrahl 14 trifft auf den Schirm 36 auf, der ein herkömmlicher Leuchtstoffschirm zur Aussendung von Licht an solcher Stelle ist, auf denen der Elektronenstrahl 14 auftrifft, wobei diese Stelle von den an den vertikalen und horizontalen Ablenkplatten angelegten Ablenksignalen abhängt. Der Schirm 36 kann irgendeine gewünschte Form annehmen, auf die Elektronen auftreffen können.

Da der Elektronenstrahl 14 durch die strahlzulassende öffnung htidurch in die Anode 2o hineinläuft, und zwar in Form eines Kegels, trifft er auf die Platte 24 um die strahlformende öffnung herum auf. Der Strahl, der durch die strahlformende öffnung 26 hindurchtritt, ist der Elektronenstrahl, der in der Linse 28 fokussiert wird, damit er weiter durch die öffnung 3o, die vertikalen Ablenkplatten 32 und die horizontalen Ablenkplatten

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hindurchläuft, um schließlich in seiner endgültigen Form auf dem Schirm 36 aufzutreffen. Wenn der Elektronenstrahl 14 auf die Platte 24 auftrifft, besitzen die Elektronen des Elektronenstrahls 14 ziemlich hohe Energie und erzeugen daher positive Ionen aus dem Material der Platte 24 wie auch aus Gasmolekülen, die innerhalb der Platte 24 vorhanden sein mögen. Außerdem erzeugen die energiereichen Elektronen des Elektronenstrahls 14 beim Auftreffen auf die Platte 24 Sekundärelektronen e- mit einer Rate, die um den Wert 1 liegt oder geringfügig größer als 1 ist. Die von den Primärelektronen des Elektronenstrahls 14 erzeugten Sekundärelektronen besitzen geringere Energiepegel als die Primärelektronen und bewegen sich daher mit einer geringeren Geschwindigkeit. Die langsam sich bewegenden Sekundärelektronen, insbesondere bei derartigen niedrigen Energiepegeln, können mit freien Gasmolekülen in Wechselwirkung treten und diese zu positiven Ionen 39 ionisieren. Die von den Sekundärelektronen erzeugten Ionen werden von den Gasmolekülen entfernt und auf der Anode gesammelt.

Die positiven Ionen 38, die von den Primärelektronen des Elektronenstrahls 14 oder von dessen Sekundärelektronen erzeugt werden, sind im wesentlichen langsam sich bewegende positive Ionen, die von dem Elektronenstrahl 14 mittels der von diesen Elektronen erzeugten Raumladung zum Elektronenstrahl 14 hingezogen werden und im wesentlichen keine Energie gewinnen, bis sie das Gebiet zwischen dem Gitter 16 und der Anode 2o erreichen. In diesem Gebiet nehmen sie jedoch kinetische Energie auf, weil sie zur Kathode 1o hin stark angezogen werden und beim Auftreffen schlagen sie Kathodenmaterial ab und/oder bewirken eine chemische Vergiftung der Kathode, wodurch die Kathodenstruktur verändert und eine verminderte Ladungskapazität und Lebensdauer der Kathode bewirkt wird.

Dadurch, daß die Anode 2o ein positives Potential von 1o bis 1oo Volt besitzt, wird über dem zwischen Anode 2o und Platte 24

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liegenden Raum eine Spannungsbarriere erzeugt, die mit Masse verbunden ist, wobei eine derartige Spannungsbarriere 39 positive Ionen 39 aus dem Elektronenstrahl 14 heraus und weg von der Kathode 1o lenkt. Diese abgestoßenen positiven Ionen werden auf der Platte 24 gesammelt, wie durch den gebogenen Pfeil erläutert wird, der sich zwischen den positiven Ionen 39 und der Platte 24 erstreckt. Auf diese Weise bewirkt die Ionenbarrierenvorspannung, die an der Anode 2o angeschlossen ist, daß positive Ionen, die von den Primärelektronen des Elektronenstrahls 14 oder von dessen Sekundärelektronen erzeugt werden, statt aus dem Elektronenstrahl 14 herausgelenkt zu werden, daß diese mit hoher kinetischer Energie auf die Kathode zugetrieben werden und diese dadurch zerstören oder vergiften und damit die Belastung der Kathode erhöhen und deren Lebensdauer erniedrigen.

Zwar ist die Anode 2o so dargestellt, daß sie von der Platte 24 einen Abstand aufweist, jedoch kann die Anode 2o auch mit der Platte 24 verbunden sein, wenn sie in zwei Teilen aufgespalten wird, wobei mit dem Teil der Anode 2o, der am nächsten zum Gitter 16 liegt, das positive Potential von 1o bis 1oo Volt verbunden wird, während an den anderen Teil, natürlich, das Bezugspotential V_n angeschlossen wird, das ansonsten mit der Platte 24 verbunden wäre.

Die Ausfuhrungsform der Fig. 2 ist mit der der Fig. 1 identisch, mit der Ausnahme, daß eine Platte 38 zwischen Gitter 16 und Anode 2g angeordnet ist und daß eine Platte 24 im ringförmigen Glied in Stellung gehalten wird, das die Anode 2o und einen Teil der Linse 28 bildet. Die Platte 38 ist mit einer strahlzulassenden öffnung 4o versehen, die einen Elektronenstrahl 14 ermöglicht, durch die öffnung in die Anode 2o hineinzulaufen, wo der konisch geformte Elektronenstrahl auf die Platte 24 auftrifft, wobei ein Teil des Elektronenstrahls 14 durch die strahlformende öffnung 26 hindurchtritt und dadurch den Elektronenstrahl bildet, der in die Linsen 28 hineingeleitet wird.

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Die Primärelektronen des Elektronenstrahls 14 erzeugen positive Ionen, wenn sie auf die Platte 24 um die strahlbegrenzende öffnung 26 herum auftreffen, und zwar entstehen diese Ionen entweder aus dem Material der Platte 24 oder aus den Gasmolekülen, die innerhalb des Materials der Platte 24 enthalten sind. Die Ionen können aber auch von den Sekundärelektronen aus freien Gasmolekülen gebildet werden, die sich im Bereich der Platte 24 befinden. Die nahe der Platte 24 gebildeten positiven Ionen 39 werden zu dieser Platte angezogen, da die Platte mit Bezugspotential V_R verbunden ist. Positive Ionen 39, die von der Platte 24 nicht angezogen werden, beginnen langsam zur Platte 38 innerhalb des Elektronenstrahls zu wandern, und da die Platte 38 ein positives Potential von 2o-1oo Volt besitzt, werden die positiven Ionen 39 von dem positiven Potential der Platte 38 zur Anode 2o hin abgestoßen, wo sie gesammelt werden. Diese Wirkung verhindert, daß positive Ionen zwischen der Anode 2o und der Platte 38 kinetische Energie gewinnen, so daß sie von der Kathode 1o angezogen werden und von dieser Kathodenmaterial abschlagen oder die Kathode vergiften und so deren LastkapazitMt wie auch deren Lebensdauer verringern könnten.

Aus dem vorangegangenen ist leicht zu erkennen, daß die zwischen Teilen der Anode bzw. zwischen einer Platte und der Anode vagesehene positive Vorspannung eine Ionen-Falle bildet, die von Primärelektronen des Elektronenstrahls oder von dessen Sekundärelektronen erzeugte positive Ionen daran hindert, von der Kathode angezogen zu werden und dabei Teile der Kathode wegzuschlagen oder das Kathodenmaterial zu vergiften, was zu verminderter Kathodenbelastung oder verringerter Kathodenlebensdauer führen würde.

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Leerseite

Claims

Dr-^9. ernst Startmann 971892 8 4 D κ s s e I d ο r f 1 S c h a <1 ο w ρ I a t ? \t Tek tron ix, Ine. Beaverton, Oregon P a t e η t a η s ρ r ü c h e;

1.) Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtung mit einer den Elektronenstrahl formenden Struktur, gekennzeichnet durch eine Kathode (1o) mit einem daran angeschlossenen negativen Potential zur Aussendung eines Elektronenstrahls (14); durch eine angrenzend zur Kathode (1o) angeordnete Gitterelektrode (16), einschließlich einer öffnung (18), durch die der Elektronenstrahl (14) hindurchläuft, wobei die Gitterelektrode (16) mit negativen Potential verbunden ist, das geringfügig größer ist, als das Potential der Kathode (1o); Anodeneinrichtungen (2o - 26), die angrenzend zur Gitterelektrode (16) angeordnet sind und einen ersten Abschnitt (2o) mit einer strahlzulassenden öffnung (22) zur Zulassung des Elektronenstrahls (14) von der Gitterelektrode (16) in die Anodeneinrichtungen (2o - 26) sowie einen zweiten Abschnitt (24) umfassen, welcher eine strahlgrenzende öffnung (26) zur Begrenzung des Elektronenstrahls (14) besitzt, während dieser durch die öffnung (26) hindurchläuft, wobei der zweite Abschnitt (24) mit einem Bezugspotential (V-) verbunden ist; und durch positive Vorspannungseinrichtungen (+), die mit dem ersten Abschnitt (2o) der Anodeneinrichtungen verbunden ist, um positive Ionen (39) von der strahlzulassenden öffnung (22) wegzu-

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stoßen, während diese positiven Ionen (39) sich der strahlzulassenden öffnung (22) nähern, um zu verhindern, daß die positiven Ionen (39) die Kathode (1o) erreichen.

2. Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt der Anodeneinrichtungen (2o - 26) ein becherförmiges Glied (2o) ist, das von dem zweiten Abschnitt (24) einen Abstand aufweist, und das die strahlzulassende öffnung (22) im Boden des becherförmigen Gliedes (2o) angeordnet ist.

3. Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt der Anodeneinrichtungen (2o - 26) eine Platte (38) ist, die von dem zweiten Abschnitt (2o, 24), die eine röhrenförmige Ausbildung besitzt, einen Abstand aufweist,

4. Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Vorspannung (+) von etwa 1o Volt bis zu einem Wert reicht, der die Elektronenoptik (24 - 3o) der Einrichtung nicht stört.

5. Ionen-Falle zur Verwendung bei einer elektronenstrahlformenden Struktur einer Elektronenstrahlerzeugungs-Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Kathodeneinrthtungen (1o), an denen ein negatives Potential angeschlossen ist, um einen Elektronenstrahl (14) auszusenden; Anodeneinrichtungen (2o - 26), die von den Kathodeneinrichtungen (1o) in einem Abstand angeordnet sind und einen ersten Abschnitt (2o bzw. 38), der von einem zweiten Abschnitt (24 bzw. 2o, 24) einen Abstand aufweist, umfassen, wobei der erste Abschnitt eine strahlzulassende öffnung (22 bzw. 4o) zur Zulassung des Elektronenstrahls (14) in die Anodeneinrichtungen (2o - 26)

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besitzt und ein positives Potential (+) aufweist, das von etwa 1o Volt bis zu einem Wert reicht, der die Elektronenoptik (24 - 3o) der Einrichtung nicht stört, um positive Ionen (39) weg von der strahlzulassenden öffnung (22, 4o) zu stoßen, und der zweite Abschnitt eine strahlbegrenzende öffnung (26) aufweist, um den Elektronenstrahl (14) zu begrenzen, während dieser durch die öffnung (26) hindurchläuft, wobei der zweite Abschnitt mit einem Bezugspotential (Vp) verbunden ist.

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