DE3008893C2 - Kathodenstrahlröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlröhre, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Eine Farbfernseh-Bildröhre ist eine Kathodenstrahlröhre mit einem evakuierten Glaskolben, der ein einen Leuchtschirm tragendes Sichtfenster hat und einen Hals aus Glas aufweist, in dem ein Strahlsystem-Aufbau untergebracht ist, um einen oder mehrere Elektronenstrahlen zur selektiven Abtastung des Leuchtschirms zu erzeugen. Jedes einzelne Strahlsystem setzt sich zusammen aus einer Kathode und mehreren weiteren Elektroden, die, im Abstand hintereinanderliegend, als Einheit durch mindestens zwei langgestreckte, axial orientierte Haltestäbe zusammengehalten werden, bei welchen es sich gewöhnlich um Glasschmelzstücke handelt.

Aus der US-PS 41 43 298 ist eine Kathodenstrahlröhre mit einem evakuierten Kolben, der einen Hals aus elektrisch isolierendem Material aufweist, bekannt.

wobei innerhalb des Röhrenhalses ein Strahlsystem-Aufbau in dichtem Abstand von der Innenfläche des Halses sitzt und eine Vielzahl von Elektroden aufweist, die an mindestens zwei Haltestäben aus elektrisch isolierendem Material befestigt sind und von denen jeder im Bereich der Fokussierelektroden an zumindest einem Teil seiner im Röhrenhals zugewandten Oberfläche elektrisch leitend ist Bei dieser Röhre, von welcher die Erfindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1

ίο ausgeht, bilden die Haltestäbe mit ihrer elektrisch leitenden Oberfläche Spannungsteiler, die zwischen eine relativ hohe Anodenspannung der Röhre und einen Niederspannungsanschiuß geschaltet sind und zumindest eine temperaturkonstante Abgriffsspannung Hefern.

Die Haltestäbe einer solchen Bildröhre haben ausgedehnte Oberflächenbereiche, die der inneren Oberfläche des gläsernen Röhrenhalses zugewandt sind und in dichtem Abstand dazu liegen. Die Haltestäbe erstrecken sich gewöhnlich vom Bereich nahe dem Röhrenfuß, wo die umgebenden elektrischen Felder gering sind, bis zum Bereich derjenigen Elektrode, an die das höchste Betriebspotential gelegt wird und wo die umgebenden elektrischen Felder während des Betriebs der Röhre stark sind. Die Zwischenräume zwischen den Haltestäben und den Innenflächen des Röhrenhalses bilden Kanäle, in denen Leckströme vom Bereich des Röhrenfußes bis hoch in den Bereich der mit dem höchsten Potential beaufschlagten Elektrode fließen können. Diese Leckströme gehen einher mit einem blauen Glimmen im Glas des Röhrenhalses, mit einer Aufladung der Halsoberfläche und mit Lichtbogenbildung oder Überschlägen im Hals. Das treibende Feld für diese Ströme ist die Längskomponente des elektrischen Feldes im besagten Kanal.

Es sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden, um diese Leckströme fernzuhalten oder zu vermindern. Beläge auf dem Glas des Röhrenhalses können Überschläge nur teilweise verhindern und

brennen durch, wenn tatsächlich einmal ein Überschlag stattfindet. Ein im Kanal eingebrachter Draht oder Streifen aus Metall (den Aufbau teilweise oder vollständig umgebend) ist ebenfalls nur zum Teil wirksam, weil er häufig infolge seiner begrenzten

■♦5 Ausdehnung in Längsrichtung überbrückt bzw. nebengeschlossen wird, ferner weil der begrenzte Zwischenraum zwischen den Haltestäben und der Halswandung Kurzschlußprobleme mit sich bringt, und schließlich weil häufig eine Feldemission von der Metallstruktur stattfindet.

Aus der GB-PS 15 05 563 ist es bekannt, eine leitende Schicht auf die Außenseite von Haltestäben aufzubringen, die in einer Zweistrahl-Kathodenstrahlröhre die Horizontalablemkplattenpaare der beiden getrennten Elektronenstrahlsysteme und eine zwischen diesen liegende Abschirmplatte tragen. Die leitende Schicht dient dabei zur Vervollständigung der Abschirmung der getrennten Systeme sowie zur Vermiderung der Kapazität bezüglich der Ablenkplatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kathodenstrahlröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine Glimmentladung im Zwischenraum zwischen den Haltestäben und den Innenflächen des Röhrenhalses, und damit Überschläge in diesem Bereich, wirksamer zu verhindern. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Besondere Ausführungsformen der Erfindung gehen

aus den Unteransprüchen hervor.

Die leitenden Gebiete sind ohne festes Potential (»elektrisch schwebend«) oder sie sind mit einer Elektrode des Aufbaus verbunden oder an eine andere feste Spannung angeschlossen. Vorzugsweise verdünnen sich die leitenden Gebiete zu ihren Rändern hin, insbesondere zu denjenigen Rändern, welche zu der das höchste Potential führenden Elektrode weisen.

Jedes leitende Gebiet hat die Wirkung, das längsgerichtete elektrische Feld im zugehörigen Kanal zu neutralisieren und damit den Längsstrom im betreffenden Kanal zu reduzieren, zumindest so weit, daß Oberschläge praktisch verhindert werden.

Jedes leitende Gebiet beansprucht in jeder seiner möglichen Formen nur ein Minimum an Raum. Durch das Verjüngen der Dicke des Gebiets auf einen dünnen glatten Rand läßt sich die vom leitenden Gebiet ausgehende Feldemission auf unerhebliche Werte reduzieren, so daß das Gebiet sehr nahe an die das höchste Betriebspotential führende Elektrode reichen kann, wodurch die Unterdrückung von Durchschlägen noch besser wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert:

F i g. 1 zeigt, teilweise aufgebrochen, den Hals einer Kathodenstrahlröhre, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgebildet ist;

F i g. 2 ist eine Schnittansicht gemäß der Linie 2-2 in

F i g. 3 zeigt, teilweise aufgebrochen, eine Ansicht des Röhrenhalses gemäß der Linie 3-3 in F i g. 1;

F i g. 4 zeigt in einer graphischen Darstellung einige Bedingungen für Sekundäremission an einer Glasoberfläche;

Fig.5 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung eine an der Innenwandung des Röhrenhalses hochwandernde Elektronenlawine;

F i g. 6 zeigt mittels einiger Kurven vergleichend die Wahrscheinlichkeit für Überschläge unter vier verschiedenen Umstanden;

F i g. 7 ist eine Teilansicht des Halses einer Kathodenstrahlröhre und veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung.

in den Fig. 1, 2 und 3 sind strukturelle Einzelheiten des Halses einer speziellen Farbfernseh-Bildröhre vom Schatienri/askentyp dargestellt. Die Struktur dieser Kathodenstrahlröhre, bei der es sich um eine Rechteckröhre der Größe 25 V mit 110°-Ablenkung handelt, ist mit Ausnahme des Strahlsystem-Aufbaus herkömmlicher Art

Die Kathodenstrahlröhre hat einen evakuierten Glaskolben 11, bestehend aus einer rechteckigen Frontpiatte (nicht dargestellt), einem sich an die Frontplatte dichtend anschließenden Röhrentrichter (ebenfalls nicht dargestellt) und einem sich an den Trichter einstückig anschließenden Röhrenhals 13. Ein Glasfuß 15, durch den mehrere Zuleitungen oder Stifte 17 hindurchgeführt sind, ist vakuumdicht an den Hals 13 angesetzt und schließt das eine Ende des Halses ab. Mit den Stiften 17 ist außerhalb des Kolbens 11 ein Sockel 19 zusammengefügt. Die Frontplatte der Röhre hat ein Sichtfenster, das auf seiner inneren Oberfläche einen Leuchtschirm aus Leuchtstofflinien trägt. Die Leuchtstofflinien des Schirms laufen in Richtung der kleineren Hauptachse des Schirms, die im Normalfall der Vertikalrichtung des wiedergegebenen Bildes entspricht.

Zentral innerhalb des Röhrcnhalses 13 sitzt ein durch Haltestäbe zusammengehaltener Strahlsystem-Aufbau 21, der drei Zweipotential-Strahlsysteme in sogenannter InJine-Anordnung enthält, um drei Elektronenstrahlen zu erzeugen und sie auf koplanaren Wegen konvergierend zum Leuchtschirm zu senden. Der Aufbau enthält zwei Haltestäbe oder Stützen 23a und 236 aus Glas, welche die verschiedenen Elektroden halten, um eine zusammenhängende Einheit zu bilden, wie es allgemein bekannt ist Diese Elektroden umfassen drei Kathoden

ι» 25 (jeweils eine zur Erzeugung jeden Strahls), die in gemeinsamer Ebene (»koplanar«) und in Querrichtung im wesentlichen gleich beabstandet angeordnet sind, ferner eine Steuergitter-Elektrode (auch als Gi-Elektrode bezeichnet) 27, eine Schirmgitter-Elektrode (auch als G2-Elektrode bezeichnet) 29, eine erste Beschleunigungs- und Fokussierungselektrode (G₃-Elektrode) 31, eine zweite Beschleunigungs- und Fokussierungselektrode (Gt-Elektrode) 33 und schließlich einen Abschirmbecher 35. Diese Elektroden werden in der genannten . 20 Reihenfolge durch die Haltestäbe 23a und 23b in der genannten Reihenfolge im AbsU;id hintereinander gehalten. Die verschiedenen Elektrode« des Strahlsystem-Aufbaus 21 sind mit den Stiften 17 elektrisch verbunden, entweder direkt oder über Metallstreifen 37.

Der Aufbau 21 wird in einer vorbestimmten Position im Röhre;.hals 13 auf den Stiften 17 und mit Hilfe von Anlagestücken 39 festgehalten, wobei letztere gegen einen elektrisch leitenden inneren Belag 41 an der Innenfläche des Halses 13 drücken und Kontakt damit

jo bilden. Der innere Belag 41 erstreckt sich über die innere Oberfläche des Trichterteils der Röhre und ist mit einem Hochspannungsanschluß (nicht dargestellt) verbunden.

jeder der Haltestäbe 23a und 23b ist ungefähr 10 mm breit und 25 mm lang und hat auf einem Teil seiner Oberfläche, die der inneren Oberfläche 45 des Röhrenhalses 13 im Abstand zugewandt ist, ein elektrisch leitendes Gebiet 43a und 436. Beim hier beschriebenen Beispiel ist jedes Gebiet 43a und 43b ein Belag aus Chrommetall, der nach dem Zusammensetzen de? Aufbaus im Vakuum aufgedampft wurde. Jedes leitende Gebiet 43a und 43b hat eine im wesentlichen rechteckige Form mit einer Länge von etwa 15 mm und einer Breite von etwa 10 mm, die der vollen Breite des betreffenden Haltestabes entspricht. Jedes Gsbiet ist etwa 100 nm dick, mit Ausnahme an den Rändern, wo es auf eine Dicke von etwa 50 nm verjüngt ist. Jedes ieitende Gebiet ist »elektrisch schwebend«, d. h. ohne festes Potential. Jedes Gebiet hat einen spezifischen.

so Widerstand (Flächenwiderstand) von etwa 50 Ohm pro Quadrat, gemessen mit Silberpaste-Kontakten, die entlang dem oberen und unteren Rand des Gebiets in einem gegenseitigen Abstand von etwa 12 mm angelegt wuraen.

Zum normalen Betrieb der Röhre können an die Stifte 17 und an den inneren Belag 41 (über den Hochspannungsanschluß) Betriebsspannungen gelegt werden, und zwar typischerweise weniger als 100 Volt an die Gi-Elektrode, etwi 600 Volt an die G₂-Elektrode, etwa 5000 Volt an die G₃- Elektrode und etwa 30 000 Volt an die G₄-Elektrode. Wegen der beschriebenen Struktur mit den Haltestäben verhalten sich die Bereiche zwischen den Stäben und dem Röhrenhals, die im folgenden kurz als »Hinterstabkanäle« 47 bezeichnet werden, anders Us dip Bereiche zwischen dem Röhrenhals und den anderen Teilen des Strahlsystem-Aufbaus, die im folgenden »Seitenkanäle« genannt werden und in den Zeichnungen mit der Bezugszahl 49

bezeichnet sind. Wenn die Röhre in Betrieb ist und keine leitenden Gebiete 43a und 43b vorhanden sind, dann erscheinen Lichtbogenentladungen (Überschläge), falls sie auftreten, in den Hinterstabkanälen 47. Sind die leitenden Gebiete jedoch vorhanden, wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt, dann werden Überschläge in diesen Kanälen praktisch völlig unterdrückt.

Bei Strahlsystem-Aufbauten des oben beschriebenen Typs sind mehrere verschiedene Arten von Durchschlagserscheinungen beobachtet worden. Je nach Art der zu treffenden vorbeugenden Maßnahmen kann man diese Erscheinungen in zwei Hauptklassen einteilen, nämlich erstens Überschläge direkt von einer zur anderen Metallelektrode (hauptsächlich zwischen der Gj- und der Ci-Elektrode und in geringerem Maß zwischen der Gr und der Gj-Elektrode) und zweitens Überschläge, bei denen Isolatoren (hauptsächlich das Glas des Röhrenhalses) als vermittelndes Medium beteiligt sind.

Ein direkter Überschlag von Elektrode zu Elektrode hat seine Ursache gewöhnlich darin, daß an einer Elektrode ein oder mehrere kleinste vorstehende Teile (Mikrospitzen) oder Staub vorhanden ist oder daß Materialpartikel von einer auf die andere Elektrode überwanden. Scharfe Spitzen oder Kanten und Schweißspritzer an der Gj-Elektrode können kalte Emission (Feldemission) hervorrufen, die zu Durchbruchserscheinungen führt. Die hauptsächliche vorbeugende Maßnahme hiergegen ist eine Hochspannungsbehandlung, in erster Linie das sogenannte Abfunken, bei dem intensive Entladungen zum Schmelzen, Verdampfen oder Abstumpfen scharfer Spitzen führen. Die Hochspannung spürt auch Staub und andere Partikel auf. und diese werden zerstäubt oder zu weniger beanspruchten Bereichen des Strahlsystems transportiert. Bei dem gewöhnlichen Abfunken können auf polierten Oberflächen Krater mit scharfen Rändern zurückbleiben, insbesondere an Stellen, die den Randfeldern ausgesetzt sind. Durch Abfunken unter Hochfrequenz lassen sich Krater wegwischen, womit eine viel glattere Oberfläche erhatten wird. Wenn man bei der Herstellung von Bildröhren ohne Abfunken auskommen will, dann muß man bei der Bearbeitung und Handhabung der Teile sehr pedantisch vorgehen, außerdem muß das Zusammenbauen des Strahlsystems und sogar die Herstellung in hochreinen Räumen erfolgen. Dieses Vorgehen wäre extrem kostspielig. Somit ist das Abfunken nicht nur eine hervorragende Methode zum Unterdrücken der Überschläge von Elektrode zu Elektrode, sondern es ist auch kosteneffektiv.

Ein Überschlag, der über das Glas des Röhrenhalses geht, setzt eine Aufladung der Innenfläche des Halsglases voraus, und ihm voran geht gewöhnlich ein gut sichtbares blaues Glimmen des Glases. Diese Erscheinung kann am oberen Ende und an den Flanschteilen der G3-Elektrode auftreten und kann durch wirksames Abfunken unter Hochfrequenz (HF-Abfunken) verhindert werden. Eine ernstere Form der Glasüberschläge wird durch kalte Emission (Feldemission) im Fußbereich des Strahlsystems verursacht wo das Abfunken weniger wirksam ist Man nimmt an, daß sich ein Glasüberschlag durch folgende Kette von Ereignissen ergibt:

1. Wegen der kleinen, aber endlichen Leitfähigkeit des Glases des Röhrenhalses macht sich die an die Gi-Elektrode gelegte Spannung (etwa 3OkV) an der Stelle gegenüber dem unteren Teil des Strahlsystems fühlbar.

2. Wenn in diesem Bereich Spitzen oder Vorsprünge vorhanden sind, schlagen Elektronen, die von diesen Punkten durch Feldemission ausgesandt werden, gegen das Glas des Röhrenhalses.

3. Es findet eine Sekundärelektronenemission und eine Elektronenaufladung am Röhrenglas statt, was dazu führt, daß Elektronenlawinen längs des

to Röhrenglases laufen, und zwar in erster Linie entlang dem relativ abgesondert liegenden Hinterstabkanal, der zwischen dem Haltestab und dem Röhrenglas gebildet ist. Diese Lawinen, die das blaue Glimmen des Glases infolge Elektronenbombardierung verursachen, enden an einer Stelle gegenüber der &»-Elektrode. Die Lawinen können ziemlich stabil sein und führen Leckströme bis zu einigen wenigen Mikroampere während der gesamten Lebensdauer der Kathodenstrahlröhre.

4. Die in den Lawinen längs des Glases fließenden Elektronen können zur Desorption der am Glas absorbierten Gasatome führen. Dieses Gas kann durch die Elektronen ionisiert werden, und die Ionen können unter dem Einfluß der vorhandenen elektrischen Felder zur Feldemissionsquelle wandern und dort eine verstärkte Emission hervorrufen (lonenrückkopplung). Auf diese Weise kann der ZrMand »durchgehen«, was schließlich zum Überschlag (Lichtbogenbildung) führt.

Nachdem sich der Überschlag gelöscht hat, wird das Gas aus dem Hinterstabkanal abgezogen, das Glas wird entladen, und die ganze Abfolge der Ereignisse (1) bis (4) kann sich wiederholen. Nach jedem Überschlag werden jedoch die vorhandenen Feldemissionsquellen stumpfer, auch kann das Glas des Röhrenhalses dabei mehr und mehr entgast werden. Es ist also möglich, daß sich die Röhre durch solche Überschläge selbst stabilfeuert, wie es häufig beobachtet wird. Ein solches Stabilfeuern ist jedoch ein Prozeß, der viel Zeit verbraucht, da jeder Zyklus von Aufladung und Überschlag minutenlang bis zehnminutenlang dauern kann.

Im Prinzip eignet sich zur Verhinderung von Überschlägen jede Maßnahme, die irgendeines der

Ereignisse im Verlauf des Auflade-Überschlag-Zyklus verhindert. Nachfolgend seien einige solcher vorbeugender Maßnahmen angeführt.

Zunächst könnte man durch Verwendung eines Glases niedriger Leitfähigkeit, also eines im wesentlichen ionenfreien Glases, die Stärke des am unteren Ende des Strahlsystems vorhandenen elekr Jchen Feldes klein halten. Da jedoch aus verschiedenen praktischen Gründen für den Bau des Kolbens ionenreiches Glas erforderlich ist, wird man diese Lösung nicht praktizieren können. Eine zweite Möglichkeit wäre, durch das Fehlen jeglicher Feldemissionszentren zu verhindern, daß sich Elektronenlawinen aufbauen. Hierzu müssen Mikrospitzen vermieden werden, was eine pedantische Genauigkeit und Mühe beim Herstellen und Zusammensetzen der Teile erfordert Ein rigoroses Abfunken im Bereich des Fußes wird kaum möglich sein, da elektrische Felder dort nicht gut durchdringen und weil empfindliche Teile (Heizung und Dichtungen) in diesem Bereich die Behandlung einschränken. Ein Säubern dieses Bereichs durch Anwendung der Zerstäubungstechnik im Wege der Röhrenbehandlung ist nicht zu empfehlen, da die starke Materialabtragung, die hierbei zum Abstumpfen von

Lmissionszentren erforderlich wäre, zu Leckproblemen im Fuß führen würde. Ein«: andere Möglichkeit wäre, das oben beschriebene Stabilfeuern der Röhre durch Laserzündung zu beschleunigen, jedoch müssen hierzu notwendigerweise spezielle Emissionszentren eigens aufgesucht werden, was sehr zeitraubend und daher ungeeignet für die Massenfertigung ist. Drittens ist vorge-.thlagen worden, Hindernisse im Weg der Elektroienlawinen längs des Glases vorzusehen. Solche Hindernisse (sogenannte »Suppressoren«) haben sich als wirksames Mittel erwiesen, um die 8ildung von Lawinen zu verhindern. Ein Suppressor kann aus einem Metalldraht oder -stresfen bestehen, der an der Gj-Elektrode befestigt ist und den Kanal zwischen dem Haltestab und dem Glas des Röhrenhalses durchquert. Andere Hindernisse, die sich als wirksam gezeigt haben, sind leitende Beläge am Glas des Röhrenhalses längs dieses Kanals. Die am Glas entlang laufenden Lawinen selbst sind harmlos. Jedoch können Überschläge, insbesondere wenn sie häufig auftreten, einen solchen Belag durchbrennen und unerwünschte Trümmer hinterlassen. Eine vierte vorbeugende Maßnahme besteht darin, das Glas des Röhrenhalses während der Röhrenbehandlung effektiver zu entgasen, denn die Glasüberschläge hängen mit Gasdesorption zusammen. Erforderlich hierzu ist längeres Ausheizen und Kathodenaktivierung während des Evakuierens der Kathodenstrahlröhre. Beide Maßnahmen sind zu kostspielig. Die Mechanismen, die bei der Bildung von Elektronenlawinen eine Rolle spielen, sind in der Literatur ausführlich diskutiert worden. Wichtig sind zwei Arten von Elektronenemission, nämlich die Feldemission und die Sekundärelektronenemission. Die Feldemission ist ein Kaltemissionsvorgang, der sehr starke Felder (in der Größenordnung von 10⁷ Volt/cm) am Emitter (d.h. an der Emissionsquelle) erfordert. Die Elektronenemissions-Stromdichte j ist durch folgenden Ausdruck gegeben:

j = 3a ■ 10"⁶ — exp [-6,8 · ΙΟ⁷ Φ³'² £~'] A/cm².

(1)

In diesem Ausdruck bedeutet E (Volt/cm) das elektrische Feld am Emitter, und Φ ist die Austrittsarbeit am Emitter. Häufig ist Eviel größer als V/d. wobei Vdie Spannung zwischen Emitter und Sammelelektrode (Kollektor) ist und d der Abstand zwischen den Elektroden ist Diese Verstärkung des Feldes ergibt sich durch kleinste vorstehende Spitzen und Kanten (Mikrospitzen) am Emitter. Für jeden gegebenen Fall jedoch steigt j mit V an und nimmt mit d ab. Eine Sekundärelektronenemission findet statt, wenn irgendein Objekt (Metall oder Isolator) mit einem Primärstrahl von Elektronen bombardiert wird. Die Sekundäremissionsausbeute α ist definiert durch

Vn = 2500 Volt und V₀ = 5 Volt.

Wenn die Sekundäremissionsquelle ein Isolator ist (z. B. das Glas des Röhrenhalses), ist eine besondere Betrachtung erforderlich, da die Zahl der am Emitter auftreffenden Elektronen gleich der Zahl der den Emitter verlassenden Elektronen sein muß. Ausgenommen bei V= Vi oder Vn. lädt sich die Isolatoroberfläche immer auf irgendein Potential auf, um diese Forderung zu erfüllen.

ίο Zunächst sei der Fall betrachtet, daß Elektronen durch Feldemission an einer nahe der Isolatoroberfläche liegenden scharfen Spitze oder Kante ausgesandt werden und mit einer Energie V₁ die größer ist als V₁ und kleiner ist als Vu, auf die Oberfläche schlagen. Da in diesem Fall o>\ ist, verlassen mehr Elektronen die Oberfläche als Elektronen dort ankommen, und das Glas lädt sich positiv auf. Hiermit wird Vund somit der Strom größer (gemäß der obigen Gleichung (I)). Die Aufladung dauert an, bis V= Vn. Falls V über Vn ansteigen sollte, wurde die Aufladung des Giases negativer werden und das Oberflächenpotential wieder auf Vn einstellen, was ein stabiler Punkt ist.

An zweiter Stelle sei der Fall betrachtet, daß die emittierten Elektronen an einem anderen Punkt des Glases wieder zum Glas zurückkehren. Dies erfordert ein bremsendes Feld E, für die emittierten Elektronen und ein elektrisches Feld E₁ parallel zur Oberfläche. Ein annäherndes mechanisches Analogen zu diesem Fall ist die Situation, die sich ergibt, wenn man einen Ball eine schiefe Ebene hinabwirft. Die Auftreffenergie des Elektrons am zweiten Punkt ist

Anzahl der Setaindäretefctrenen Anzahl der Primärelektronen

und ist eine Funktion der Auftreffenergie V der Primärelektronen. Diese Beziehung zwischen σ und V entspricht gewöhnlich einer Kurve, wie sie mit 71 in F i g. 4 dargestellt ist Von besonderer Bedeutung sind die Werte der Auftreff energie V₁ und Vh, für die σ=1 ist Ebenfalls wichtig ist die mittlere Anfangsenergie Va, mit welcher die Sekundärelektronen aus den Emittern austreten. Typische Werte für Glas sind Vi=30 VpIt, V+

'·[■♦« ©Ί-

Unter der Voraussetzung, daß V etwas größer ist als Vi, gilt o> 1. Die Oberfläche lädt sich an diesem Punkt positiv auf, wodurch E,- größer wird. Gemäß dem vorstehenden Ausdruck (2) nimmt Vdann ab, womit das Potential auf Vi zurückkehrt. In ähnlicher Weise wird, wenn V kleiner ist als Vi, der Wert für V ansteigen und sich wieder dem Wert V| nähern, der ein stabiler Punkt ist. Aufgrund gleicher Überlegungen läßt sich zeigen, daß Vn instabil ist. Für Stabilität gilt also:

y,+V₀

oder
El

J7

Als typisch für Glas gilt \EJE,\~ 1.12.

Bei dem in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Aufbau werden die Elektroden durch zwei längliche gläserne Stützen, die Haltestäbe 23a und 23b. gehalten, die sich entlang den Hauptteilen des Aufbaus erstrecken. In einer axialen Ebene 51 (Fig.2), die durch die Mitte der Haltestäbe 23a und 236 und der Hinterstabkanäle geht und als »Haltestabebene« bezeichnet sei, sind die Metallteile vom Glas des Röhrenhalses durch die gläsernen Haltestäbe getrennt Zwischen dem Glasstab 23a und 236 einerseits und dem Glas des Röhrenhalses 13 andererseits bildet sich jeweils ein relativ isoliert liegender Hinterstabkanal 47 (Fig. 11 In einer axialen Ebene 53 (Fig.2), die senkrecht zur Haltestabebene liegt und im folgenden als »Strahlsystemebene«

bezeichnet sei, liegen die Metallteile des Strahlsystems nahe am Glas des Röhrenhalses 13. Experimentelle Beobachtungen haben ergeben, daß Elektronenlawinen fast ausschließlich in den Hinterstabkanälen 47 vorkommen und nur entlang dem Glas des Röhrenhalses 13 laufen.

Das Zustandekommen einer Lawine sei anhand des folgenden, in Γ ig· 5 schematisch dargestellten Modells betrachtet: durch Feldemission an Mikrospitzen 55 am unteren Ende des Strahlsystem-Aufbaus werden Primärelektronen abgegeben. An einer Auftreffstelle 57 am Glas des Röhrenhalses 13, beispielsweise in der Nähe des unteren Endes des Haltestabes 43b oder irgendwo entlang der Seite des Haltestabes 43i> im Gi -Gj-Bereich, schlagen Primärelektronen auf. Elektronenlawinen 59 schreiten längs des Röhrenglases 13 im Hinterstabkanal 47 fort und enden bei oder nahe der Gt-Elektrode. Der primäre Aufschlag und Strom sind durch die Gleichung (1) bestimmt, leder Schritt oder Sprung in der Elektronenlawine wird durch die Gleichung (4) beherrscht. Die notwendigen, durch die Gleichung (4) bestimmten elektrischen Felder sind ein Ergebnis der Überlagerung der ursprünglichen Felder E_n und E_n, mit den durch die Aufladung des Röhrenglases erzeugten Feldern E„, und E„_r Es gilt somit:

£p. und E„_t stehen in direkter Beziehung zur Ladungsdichte ρ an der Oberfläche des Röhrenglases, und zwar in folgender Weise:

\E,)-KE_Pr, und |£„J=-£_. (7)

2 Cq

Hierin ist K eine Konstante, und eo ist die Dielektrizitätskonstante des Vakuums. Falls die ungestörten Felder E_n und E_n, bekannt sind, kann aus den Gleichungen (4). (5) und (6) die zur Aufrechterhaltung der Elektronenlawinen notwendige Ladungsdichte entlang des Röhrenglases errechnet werden.

Die Größen E_n und E_n, für einen Strahlsystem-Aufbau des in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Typs sind berechnet worden, und zwar sowohl für die »Haltestabebene« als auch für die »Strahlsystemebene«. Betrachtet wurde erstens eine Anordnung ohne Suppressor, zweitens eine Anordnung mit einem Suppressorring und drittens eine Anordnung mit metallisiertem Haltestab. Die Fig.6 zeigt in graphischer Darstellung die Ladungsdichte, die zur Unterstützung einer Elektronenlawine (blaues Glimmen) am Glas des Röhrenhalses erforderlich ist, als Funktion des Ortes längs der Glasoberfläche des Röhrenhalses. Diese Darstellung offenbart quantitativ die zur Aufrechterhaltung von Elektronenlawinen erforderliche Verteilung der Ladungsdichte an der Glasoberfläche des Röhrenhalses für den oben beschriebenen speziellen Typ des Strahlsystems. Wenn diese Ladung nicht aufrechterhalten werden kann, können keine Lawinen existieren. Da das Glas ein wenig leitend ist, fließen Ladungsmengen aus Bereichen groBer Ladungsdichte ab. Wo also große Ladungsdichten und -gradienten erforderlieh sind, ist das Auftreten von Lawinen weniger wahrscheinlich.

Die Kurve 73 in Fig.6 gilt für die Haltestabebene ohne SuppressQ.. Hier ist ρ relativ niedrig, und es werden keine steilen Gradienten gefordert, so daß die Bildung von Lawinen begünstigt ist. Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve 75, die für die Strahlsystemebene ohne vorhandenen Suppressor gilt, daß dort große Werte von ρ und steile Gradienten notwendig sind: daher sind hier Lawinen unwahrscheinlich, wie auch das Experiment zeigt.

ic Als nächstes sei die Kurve 77 betrachtet, die für die Haltestabebene im Falle eines vorhandenen Suppressors in Form eines Drahtringes gilt. Hier müssen in der Nähe des Suppressorrings sehr große Werte für ρ erreicht werden, was die Wirksamkeit eines solchen Suppressors zur Verhinderung von Lawinen erkennen läßt. Eine Schwachstelle bei dieser Struktur ist der Bereich zwischen dem Suppressorring und der Gi-Elektrode. Mikrospitzen am Suppressorring selbst könne:i zur Feldemission führen, so daß sich im Bereich zwischen der Gt-Elektrode und dem Suppressorring, wo relativ kleine Werte für ρ erforderlich sind, Lawinen bilden können. Diese Erscheinung wird häufig beobachtet und erfordert zu ihrer Verhinderung eine rigorose Hochspannungsbehandlung des Suppressorrings selbst.

Die in F i g. 6 dargestellte Kurve 79 schließlich gilt für die Haltestabebene im Falle, daß ein metallisierter Haltestab wie bei der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten

(5) Kathodenstrahlröhre verwendet wird. Diese Kurve 79 ist ähnlich der für die Strahlsystemebene ohne

jo vorhandenen Suppressor geltenden Kurve 75. Der metallisierte Haltestab macht, daß die Haltestabebene

(6) für eine Lawinenbildung ebenso ungünstig wird wie die Strahlsysiemebene. Außerdem läßt sich ein aufgedampfter Meiallfilm mit einer sehr glatten Kante ausstatten, die ungünstig für Feldemission ist.

Wie sich aus den vorstehenden Überlegungen ergibt, kann das elektrisch leitende Gebiet jede beliebige Größe und/oder Form haben, und in derselben Röhre können gleiche oder verschiedene Größen und/oder Formen an verschiedenen Haltestäben verwendet werden. Die wirksamste Unterdrückung von Überschlägen erhält man. wenn das elektrisch leitende Gebiet so breit und so lang wie möglich ist und keine Quellen für kalte oder heiße Emission bildet. Der Ausdruck »elektrisch leitend« bedeutet hier, daß jedes sogenannte Gebiet vorzugsweise den spezifischen Widerstand eines Metalls hat, aber auch einen höheren spezifischen Widerstand aufweisen kann, der noch nicht die Gefahr mit sich bringt, daß sich elektrische Ladungen an lokal begrenzten Stellen des Gebiets ansammeln, wenn die Röhre in Betrieb ist. Im allgemeinen soll das leitende Gebiet einen spezifischen Widerstand von weniger als 50 000 Ohm pro Quadrat haben. Die Gebiete sind nicht angeschlossen, d.h. sie sind »elektrisch schwebend«, oder sie sind an ein festes Potential wie z. B. an die G3-Elektrode angeschlossen.

Vorzugsweise sollten die elektrisch leitenden Gebiete, insbesondere wenn es Metallbeiäge sind, so frei wie möglich von Spitzen und Vorsprüngen sein, damit an ihnen keine wirksamen Feldemissionsquellen gebildet werden. Die höchste Spannung liegt an der G4- Elektrode, d.h. an der zweiten Fokussierungselektrode. Je näher die Ränder der elektrisch leitenden Gebiete an dieser Elektrode sind, desto höher sind die an diesen Rändern vorhandenen elektrischen Felder und desto mehr besteht dort die Gefahr einer Feidemission. Daher ist es vorteilhaft, die Dicke der Gebiete zu ihren Rändern hin abnehmen zu lassen, insbesondere zu dem

der G₁- elektrode zugewandten Rand, so daß der Rand dort sehr glatt und dünn ist. Hierdurch wird es möglich, daj leitende Gebiet näher an die auf der höchsten Spannung liegende Elektrode (hier die G<-Elektrode) reichen zu lassen.

Die elektrisch leitenden Gebiete können durch eine Oberflächenbehandlung der Haltestäbe gebildet werden, oder sie können ein Belag oder eine Beschichtung auf den Haltestäben sein. Vorzugsweise verwendet man für die leitenden Gebiete einen Metallbelag, z. B. aus Chrommetall, Aluminiummetall, Silbermetall, Inconel-Legierung oder Platinmetall. Chrom. Aluminium. Silber und Inconel können im Vakuum aus den Dämpfen dieser Metalle niedergeschlagen werden. Die leitenden Gebiete können auch durch ein Metallisierungsverfahren geschaffen werden, etwa durch Aufstreichen oder Aufsprühen einer Schicht eines Platinresinates auf die Haltestäbe und anschließendes Erhitzen der Stäbe zum Aushärten der Schicht. Die leitenden Bereiche können

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gC'LHiuci wciucif vwi uuci tiacii uctii ^üSariirricnSCiZCn 2C des Aufbaus, vor oder nach dem Einschließen des Aufbaus in dtn Hals der Kathodenstrahlröhre und vor oder nach dem Evakuieren und Abdichten des Kolbens. In einer Aus^führungsform wird ein Maskenaufsatz, bestehend aus einem Metallrohr mit zwei rechteckigen Fenstern, über den Aufbau gesetzt, so daß die Fenster an Orte zu liegen kommen, wo die leitenden Gebiete gebildet werden sollen. Zwischen den Haltestäben und den Fenstern ist ein Abstand von etwa 1 mm. Diese Anordnung wird dann in einen Glocken-Verdampfapp.r.rat gebracht, mit einem verchromten Wolframdraht gegenüber jedem Fenster. Die Verdampferglocke wird evakuiert, und der Draht wird auf etwa 1000°C erhitzt, wobei das Chrom vom Draht verdampft und sich als Belag von etwa 100 nm Dicke auf den Haltestäben niederschlägt. Wegen des Abstandes zwischen den Haltestäben und den Fenstern bekommen alle Ränder der Beläge sich verdünnende Kanten. Bei einer anderen Ausführungsform wird nach dem gleichen Verfahren vorgegangen, wobei jedoch Aluminium statt Chrom verwendet wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird jeder Haltestab metallisiert, d. h. er erhält sein leitendes Gebiet, bevor er mit dem Rest des Aufbaus zusammengesetzt wird. Bei dieser Ausführungsform wird der Haltestab im gewünschten Bereich mit einem Metallresinat beschichtet. Eine Resinatbeschichtung kann auf irgendeine bekannte Weise erfolgen, z. B. durch Aufstreichen, Siebdruck, Aufsprühen oder Kontaktabzug. Der mit Resinat beschichtete Haltestab wird dann auf etwa 500⁰C in Luft erhitzt, um die organische Material zu verflüchtigen und die Schicht auszuhärten, und dann auf Zimmertemperatur abgekühlt. Der metallisierte Haltestab kann dann in irgendeiner bekannten Weise mit den Teilen des Strahlsystems zusammengeheftet werden.

Bei einer wieder anderen Ausführungsform wird der elektrisch leitende Belag auf dem Haltestab ers gebildet, nachdem der Strahlsystem-Aufbau in den Röhrenhals eingeschlossen und die Kathodenstrahlröhre svsku'^r' v.'ⁿr^^en '^cf rMo c;» 7 ~*ο\η* Aon Woic ti At>r Röhre und den in Fig. I dargestellten Strahlsystem-Aufbau 21 ur>d einen hitzebeständigen Metallstreifen 81. der in Höhe der G3-Elektrode vollständig um den Aufbau gelegt ist. An dem Streifen 81 sind lappenförmige Trägerflächen 83a und 836 angeformt, die sich an den Steller; der Haltestäbe 23a bzw. 23i> befinden und in Richtung zur Gj-Elektrode weisen. Jeder Lappen bildet einen spitzen Winkel mit der Oberfläche des betreffenden Haltestabes. Die zum Haltestab weisende Oberfläche jedes Lappens ist vorher mit einem verdampfbaren Metall beschichtet worden. Nach dem Evakuieren der Kathodenstrahlröhre wird Hochfrequenzenergie auf den Streifen 81 gekoppelt, wodurch der Streifen 81 heiß wird und die daran befindliche Metallbeschichtung verdampft, so daß sich das Metall als leitendes Gebiet 85 auf der gegenüberliegenden, verhältnismäßig kalten Oberfläche des Haltestabes niederschlägt.

Um auf diese Weise Chrom oder Silber niederzuschlagen, kann ein verchromter Wolframstreifen oder ein versilberter Streifen aus -ostfreiem Stahl verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Kathodenstrahlröhre mit einem evakuierten Kolben (ti), der einen Hals (13) aus elektrisch isolierendem Material enthält, und mit einem Strahlsystem-Aufbau (21), der innerhalb des Röhrenhalses in dichtem Abstand von der Innenfläche des Halses sitzt und eine Vielzahl von Elektroden aufweist, die an mindestens zwei Haltestäben (23a, 23b) aus elektrisch isolierendem Material befestigt sind, von denen jeder im Bereich der Fokussierelektroden (31, 33) an zumindest einem Teil seiner dem Röhrenhals zugewandten Oberfläche ein elektrisch leitendes Gebiet (43a, 436; 85) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Gebiet jedes Haltestabs einen unterhalb von etwa 50 kOhm/Quadrat liegenden Flächenwiderstand aufweist und daß es ohne festes Potential ist oder an ein einziges fesies Potential angeschlossen ist

2. Kathodenstrahlröhre nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der elektrisch leitenden Gebiete (43a, 436; 85) im wesentlichen aus einem Metallbelag besteht, der an der Oberfläche eines Haltestabes (32a, 23b) haftet.

3. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß um den Strahlsystem-Aufbau (21) ein Metallstreifen (81) gelegt ist, der in spitzem Winkel zu jeder der besagten Haltestaboberflächen jeweils eine Trägerfläche (83a, &3b) aufweist, von der aus das Meta!' für den Belag aufgedampft ist.

4. Kathodenstrahlröhre nsHi einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes der elektrisch leitenden G~biete (z. B. 43a, 43b) zu mindestens einem seiner Ränder hin abnimmt, um Feldemission von dem betreffenden Rand minimal zu halten.

5. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Belag im wesentlichen aus metallischem Chrom besteht.

6. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Belag im wesent!*- chen aus metallischem Aluminium besteht.

7. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Belag im wesentlichen aus metallischem Platin besteht.