DE2408835A1 - Kathodenstrahlroehre fuer die bildwiedergabe - Google Patents

Description

PHN.

Deen/VG/IEVER r. : . 5 Jan.

'">■· ^- .hi vom; 09. Fetor. 1974

"Kathodenstrahlröhre . für die Bildwiedergabe"

Die Erfindung betrifft eine Kathodenstrahlröhre für die monochrome Wiedergabe, insbesondere Schwarz-Weiss-Wiedergabe, von Bildern.

Bei der Schwarz-Weiss-Wiedergabe von Bildern mit Hilfe von Kathodenstrahlröhren verwendet man eine Leuchtschicht, die auf dem Bildschirm der Röhre angebracht ist und im allgemeinen aus einem Gemisch zweier Lichtstoffe besteht, die jeweils in einem bestimmten Bereich-des Spektrums emittieren, so dass das gesamte ausgestrahlte Licht dem Auge weiss erscheint. Die beiden Leuchtstoffe werden meist aus der Gruppe der Sulfide gewählt, weil diese eine sehr hohe Energieumwandlungsausbeute ergeben. Eine häufig angewandte Kombination ist z.B. ein gelb emittierendes silberaktiviertes Zinkkadmiümsulfid und ein blau emittierendes silberaktiviertes Zinksulfid.

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Ein Nachteil der Verwendung eines derartigen Gemisches zweier Leuchtstoffe ist, dass auf dem Leuchtschirm stellenweise Unterschiede in der Farbe des ausgestrahlten Lichts infolge einer nicht vollkommen homogenen Schirmstruktur auftreten können. Diese Inhomogenität kann selbstverständlich entstehen, wenn beim Herstellen des Schirmes von einem inhomogenen Gemisch von Leuchtstoffen ausgegangen wird. Das Anbringen des LeuchtSchirmes in einer Kathodenstrahlröhre erfolgt meistens mit Hilfe einer Suspension, die die beiden Leuchtstoffe enthält. Dabei"zeigt es sich, dass die Sedimentationsgeschwindigkeit der zwei Leuchtstoffe verschieden sein können, was die Inhomogenität des Schirmes verursacht. Eine wesentliche Ursache von Farbschwaiikungen im ausgestrahlten Licht ist das Auftreten von Dickenschwankungen der abgelagerten Leuchtschicht. Im allgemeinen ist die Leuchtschicht im Zentrum de.s Schirmes dicker als an den Rändern des Schirmes. 'Je dieser die Schicht ist, umsomehr wird die vom Blau lumineszierenden Stoff ausgesandte Strahlung absorbiert. Diese Erscheinung verursacht eine äussert störende Gelbverfärbung des Bildes in der Schinnmi 11 e.

Die obigen Nachteile können, wenigstens teilweise, beseitigt werden, wenn besondere Vorkehrungen bei der Herstellung der Leuchtschirme getroffen werden. Diese Zusatzmassnahmen erhöhen jedoch die Produktionskosten dieser Schirme bedeutend.

Die leuchtenden Sulfide weisen weiter eine Anzahl Nachteile auf die eine Folge der chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Stoffe sind. Sie sind z.B. gegen Kupferveru: reinigungen äusserst empfindlich, die eine unerwünschte

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S¹BS

Verschiebung der Spektralverteilung des ausgestrahlten Lichtes zur Folge haben. Veiter zeigen sie bei höheren Stromdichten der anregenden" Elektronen eine rasche Sättigung, was sehr hohe Helligkeiten ausschliesst. Ausserdem erweist sich der Farbpunkt der ausgesandten Strahlung bei schwankender Exzitationsdichte als nicht konstant, so dass Farbdifferenzen zwischen den äusserst hellen und den weniger.hellen Teilen des wiedergegebenen Bildes auftreten.

Um die Nachteile, die mit den mit einem Gemisch von. leuchtenden Sulfiden versehenen Leuchtschirmen verknüpft sind, zu vermeiden, hat man Leuchtstoffe mit einer derartigen Spektralverteilung der ausgesandten Strahlung gesucht, dass die Emissionsfarbe gleich weiss ist. Mit derartigen Leuchtstoffen kann man Schirme herstellen, die nur eine lumineszierende !Components besitzen und die ein dem Auge weiss erscheinendes Licht ausstrahlen. Um weiter die Nachteile, die den lumineszierenden Sulfiden inhärent verbunden sind, zu vermeiden* soll dieser weiss lumineszierende Stoff vorzugsweise kein Sulfid sein.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, für den erwähnten Zweck ein lumineszierendes terbiumaktiviertes Oxysulfid einer oder mehrerer der Seltenen Erden Yttrium, Gadolinium, Lanthan und Lutatium anzuwenden·» Die lumineszierenden Sulfide der seltenen Erden (Yttrium wird hier gleichfalls zu den seltenen Erden gerechnet) sind an sich bekannt, z.B. aus den britischen Patentschriften 1 121 055 und 1 131 956.

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Die dort beschriebenen Oxysulfide enthalten als Aktivator eines der Elemente Dysprosium, Erbium, Europium, Holmium, Neodym, Praseodym, Samarium, Terbium oder Thulium. Das mit Terbium aktivierte Oxysulfid, das eine hohe Energieumwandlungsausbeute ergibt, weist bei aüsserst niedrigen Terbiumkonzentrationen eine blaue Emission auf. Eine Anwendung höherer Terbiumgehalte ergibt jedoch Stoffe, deren Emissionsfarbe mehr zum grünen Bereich des. Spektrums verschoben ist. Bei verhältnismässig hohen Terbiumkonzentrationen werden Stoffe mit einer sehr hellen Grünemission erzielt. Zwischen den beiden erwähnten Grenzwerten der Terbiumkonzentration findet man einen Zwischenbereich von Konzentrationen, bei denen das Oxysulfid eine nahezu weisse Emissionsfarbe aufweist. Diese Stoffe könnte man in der Leuchtschicht einer Kathodenstrahlröhre für die Schwarz-Weiss-Viedergabe von Bildern anwenden.

Ein grosser Nachteil der Oxysulfide mit Terbiumgehalten im erwähnten Zwischenbereich ist, dass das ausgestrahlte Licht einen von vielen als unangenehm empfundenen Farbaspekt besitzt. Faktisch hat die ausgesandte Strahlung eine äusserst ungesättigte grünblau Farbe, deren Farbpunkt im CIE-Farbpunktdiagramm ausserhalb des Gebietes liegt, in dem man sich vorzugsweise den Farbpunkt der ausgesandten Strahlung für monochrome Bildwiedergabe wünscht. Dies macht eine Anwendung dieser Oxysulfide für den beabsichtigten Zweck in der Praxis nicht gut möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, lumineszierende

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terbiumaktivierte · Oxysulfide zu schaffen, deren ausgesandte Strahlung eine weisse Farbe mit.einem Farbpunkt besitzt, der sich für Kathodenstrahlröhren für die Schwärz-Weiss-Bildwiedergabe besonders eignet.

Die erfindungsgemasse Kathodenstrahlröhre für die monochrome Wiedergabe, insbesondere Schwarz-¥eiss-¥iedergabe, von Bildern mit einem Leuchtschirm, der ein leuchtendes terbiumaktiviertes Oxysulfid von minstens einem der Elemente Yttrium, Gadolinium, Lanthan und Lutetium enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Oxysulfid ausserdem Samarium als Aktivator enthält und der Formel (M₁ Tb Sm )_o O„S

^v 1-x-y χ y'2 2

entspricht, worin M mindestens eines der Elemente Yttrium, Gadolinium, Lanthan und Lutetium darstellt, und worin

0,003 ^.x .£10,030 ·

0,0001^_y ^_-O,005.

Die erfindungsgemässe Kathodenstrahlröhre enthält ein Oxysulfid, das sowohl mit Terbium als auch mit Samarium aktiviert ist. Dieser Leuchtstoff weist bei Elektronenanregung eine Emissionsfarbe auf, deren Farbpunkt in dem für die Schwarz-Weiss-Bildwiedergabe erwünschten Bereich liegt, wenn man die Konzentrationen des Terbiums und das Samariums, χ bzw. y, im obengenannten Bereich wählt. Die erfindungsgemässe Kathodenstrahlröhre weist die Vorteile auf, die mit dem Gebrauch einer einzigen lumineszierenden Komponente verknüpft sind, nämlich eine vollkommen homogene Schirmstruktur. Die mit einer derartigen Kathodenstrahlröhre erreichbaren Helligkeiten sind denen vergleichbar, die mit Röhren mit

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einem Gemisch aus lumineszierenden Sulfiden erzielt werden. Die erfindungsgemässe Kathodenstrahlröhre weist den weiteren Vorteil einer neutralen weissen Tageslichtfarbe des· Schirmes auf, was im allgemeinen sehr erwünscht ist. Weiter zeigen sich die Leuchtstoffe in der erfindungsgemässen Röhre gegen Kupferferunreinigungen unempfindlich. Ein weiterer Vorteil dieser Stoffe ist, dass sie, im Vergleich zu den -Sulfiden, eine geringe Stromsättigung besitzen, so dass in den erfindungsgemässen Röhren höhere Exzitationsdichten zugelassen werden können, wodurch höhere Helligkeiten möglich sind.

Es wurde gefunden dass der Zusatz von Samarium zu

einem lumineszierenden mit einer gewissen Terbiummenge aktivierten Oxysulfid einen Stoff ergibt, der bei Anregung durch Elektronen verhältnismässig mehr Strahlung im roten Bereich des Spektrums aussendet. Es zeigt sich, dass bei zunehmendem Samariumgehalt vorwiegend der X-Jiert des Farbpunktes der vom Oxysulfid ausgesandten Strahlung ansteigt. Für das-als Aktivator hinzugesetzte Terbium gilt, dass mit steigendem Terbiumgehalt die grüne Terbiumemission bei ungefähr 5^5 und 550 m verhältnismässig stark zunimmt. Diese Zunahme geht vorwiegend auf Kosten der blauen Terbiumlinien im Bereich zwischen 385 und 4°-0 m und in bedeutend geringerem Masse auch auf Kosten der Terbiumlinien im orangeroten Bereich von 585 bis 625 nm. Der Effekt eines zunehmenden Terbiumgehalts ist deshalb vorwiegend eine Zunahme des Y~- Wertes des Farbpunktes der ausgesandten Strahlung.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Ka-

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thodenstrahlrohre ist, dass man den .Farbpunkt der ausgesandten Strahlung durch geeignete ¥ahl des Terbium- und Samariumgehalts beliebig in dem für die Schwärz-Veiss- ¥iedergabe gewünschten Bereich einstellen kann.

Das Samarium selbst liefert im erfindungsgemässen lumineszierenden Oxydsulfid nur einen geringen Beitrag zur Emission im roten Bereich .des Spektrums. Die Farbpunktverschiebung, die durch den Zusatz von Samarium zu den mit Terbium aktivierten Oxysulfid verursacht wird, ist denn auch nicht die Folge einer Ergänzung des Terbiumspektrums mit dem SamariumSpektrum. Überraschenderweise hat sich herausgesetzt, dass das Samarium vielmehr .eine Schwächung der blauen Terbiumemission zugunsten der grünen und roten Terbiumemission verursacht . Bei höheren Samariumgehalten zeigt sich auch eine Schwächung der grünbaluen Terbiumemission und gegebenenfalls sogar der grünen Terbiumemission zugunsten der roten Terbiumlinien.

Eine vorzugsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Kathodenstrahlröhre enthält ein mit Terbium und Samarium aktivierte . Oxysulfid, in dem ein Teil, nämlich bis zu maximal 90 At^, des Terbiums durch eine nahezu entsprechende Dysprosiummenge ersetzt ist. Dabei hat sich, gezeigt, dass das Dysprosium die grüne Terbiumemission (5^5 bis 550 nm) stark erhöht, wobei die blauen Terbiumlinien und in viel geringerem Masse die roten Terbiumlinien abnehmen. Ein.zunehmender Dysprosiumgehalt hat nahezu den gleichen Effekt wie ein steigender Terbiumgehalt, nämlich eine Erhöhung

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des Y-Vertes des Farbpunktes der ausgesandten Strahlung. Auf diese Weise können äusserst wirksame, grün lumineszierende Stoffe gewonnen werden. Ein mit Terbium und mit Dysprosium aktiviertes Oxysulfid weist jedoch, ebenso wie die mit Terbium aktivierten Oxysulfide, einen Farbpunkt auf, der für die Schwarz-Veiss-Viedergabe von Bildern weniger geeignet ist. IJm den erwünschten Farbpunkt zu erreichen, ist auch in diesem Falle ein Zusatz von Samarium erforderlich. Ein teilweiser Ersatz des Terbiums durch Dysprosium im erfindungsgemässen Leuchtstoff weist den Vorteil auf, dass Dysprosium bedeutend billiger ist als Terbium. Ein Ersatz von mehr als 90 At^ Terbium wird nicht angewandt, weil dann eine Korrektor des Terbiumspektrums durch den Samariumzusatz weniger gut möglich ist.

Bevorzugt wird eine Kathodenstrahlröhre nach der

Erfindung, die ein lumineszierendes Oxysulfid der obenerwähnten allgemeinen Formel enthält, wobei das mit M bezeichnete Element Yttrium und/oder Gadolinium ist. Mit den Oxysulfid von Yttrium und/oder Gadolinium werden nämlich die höchsten Helligkeiten erreicht.

Die lumineszierenden pxysulfide nach der Erfindung können nach den für die Herstellung derartiger Stoffe allgemein bekannten Verfahren hergestellt werden. Man kann z.B. von einem Gemisch der Oxide der mit bezeichneten Elemente und von Terbium und Samarium, oder von einem Mischoxid der erwähnten Elemente zusammen mit einem Sulfid und/oder Polysulfid eines Alkalimetalls ausgehen. Dieses Gemisch wird dann in einem geschlossenen Tiegel auf z.B. 800 bis 1^00°C erhitzt,

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wobei der Leuchtstoff durch eine Feststoffreaktion gebildet wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung und einer Anzahl Beispiele, und Messungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch und teilweise im Schnitt eine erfindungsgemässe Kathodenstrahlröhre, und

Fig. 2 in einem Farbpunktdiagramm den Einfluss des Terbium- und des Samariumgehalts auf den Farbpunkt der von den Oxysulfiden nach der Erfindung ausgesandten Strahlung.

In Fig. 1 ist mit 1 die evakuierte Glashülle einer erfindungsgemässen Kathodenstrahlröhre bezeichnet. Die Hülle weist an einem Ende einen Bildschirm 2 und an anderen Ende einen zylindrischen eingesengten Teil 3 auf, an dessen Ende ein Röhrensockel h befestigt ist. Der Teil 3¹- enthält die Elektroden eines Elektronenstrahlerzeugungssystems 5· Der Bildschirm 2 ist an der Innenseite mit einer Leuchtschicht 6 bedeckt, die ein mit Terbium und Samarium aktiviertes Oxysulfid nach der Erfindung enthält und vom Elektronenstrahl aus dem Elektronenstrahlerzeugungssystem 5 angeregt wird.

Um den Einfluss des Terbiumgehalts auf die Emission eines lumineszierenden Oxysulfids zu untersuchen, wurde eine Anzahl Oxysulfide hergestellt, die nur mit Terbium aktiviert sind (nicht erfindungsgemäss), z.B. die Stoffe:

^A- ^(YO,997 ^Tbo,OO3^}2 °2^S

^Tb0,010>2 °2^S-Veiter wurden erfindungsgemässe Stoffe hergestellt,

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*' ^(YO,996 ^Th0,003 ^Sm0,001*

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die sowohl Terbium als"auch Samarium als Aktivator enthalten, z.B.

^Sm*2

Der Einfluss von Dyprosium auf die Terbiumemission kann mit einer samariumfreien Verbindung (nicht erfindungsgemäss) analog zum Stoff A nachgewiesen werden, bei der jedoch 33 At$ des Terbiums durch Dysprosium ersetzt worden sind: .

^D' ^^Yo997 ^Tb

o,oo2

o₂s.

Von den Stoffen A bis D wurden die Emissionsspektren bei Elektronenanregung gemessen. In der nachstehender Tabelle sind die relativen Energien der Terbiumemissionslinien im sichtbaren Spektrum aufgeführt. Die Spitzenhöhe der Terbiumlinie bei 545 nm ist dabei für jeden Stoff auf 100 festgelegt.

K Sto	(mn)	385	41	7	5	44o	457	5	475	485	490	545	46	550	587	18	591	i 620	j	623
A		55,5	139	5	107	29,	5	^3,5	32	26,5	100	46	47	33		,5	19,5	23	,5
B		23	46,	5	31,5	8,	5	16	10,5	22,5	100	46	30,5	20	17	18	20	,5
C		36	81,	54,5	17,	5	27,5	20,5	22	100	,5	35		,5	22		26
D		38	84,	68	18,	26,5	18,5	25	100	,5	33	19	21	22	»5

A und B zeigt, dass eine Erhöhung des Terbiumgehalts in einem mit Terbium aktivierten Oxysulfid eine verhältnismässige Zunahme der grünen Terbiumemission zur Folge hat. Diese

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Zunahme geht auf Kosten der blauen Terbiumemission und zu einem geringen Teil auch auf Kosten der roten Terbiumemission. Auf einem Vergleich zwischen den Messungen an den Stoffen A und C geht der Einfluss von Samarium in den erfindungsgemässen Stoffen auf die Terbiumemission deutlich hervor. Die Terbiumemission wird von der ultravioletten Seite des Spektrums" her zugunsten der grünen Terbiumlinie, aber auch zugunsten der roten Terbiumlinie (585 bis 625 nm) abgebaut. Vergleicht man schliesslich·die Messungen an den Stoffen A und D, dann stellt sich heraus, dass ein teilweiser Ersatz; von Terbium durch Dysprosium nahezu den gleichen Effekt hat wie eine Erhöhung der Terbiumkonzentration: die Intensität der blauen Terbiumlinien wird geringer, wobei die grüne Terbiumemission vernal tnismässig stark ansteigt. Die Strahlungsintensität im roten Bereich des Spektrums im Verhältnis zur grünen Terbiumlinie ist für den Stoff D nahezu gleich der für den Stoff A.

Von einer Anzahl samariumfreier Yttriumoxysulfide (nicht erfindungsgemäss) mit den folgenden Terbiumgehalten:

χ = 0,0005 χ = 0,0010 χ = 0,0020 χ = 0,0030 (Stoff A) X= 0,0050 χ = 0,0075 χ = 0,0100 (Stoff B)

wurde der Farbpunkt bestimmt. Ausserdem wurde der Farbpunkt der folgenden lumineszierenden Oxysulfide nach der Erfindung gemessen:.

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^TbO,OO3O ^SmO,0005^2 °2^S

^Tbo,oo3o ^Smo,0010)2 °2^S (^stoff °) ^Tbo,oo3o ^Srao,ooi5^2 °2^S

^Tb0,0030 ^Sm0,0020^2 °2^S

^Tb0,0030 ^Sm0,0030^2 °2^S Die X- und Y-Koordinaten der Farbpunkte dieser Stoffe wurden in das Farbpunktdiagramm nach Fig. 2₎ eingetragen. Im Diagramm ist auf der horizontalen Achse die X-Koordinate und auf der vertikalen Achse die Y-Koordinate aufgetragen. Die Linie 1 verbindet die Farbpunkte der Stoffe,' die nur Terbium enthalten, und die Linie 2 die Farbpunkte der Stoffe nach"'der Erfindung, die alle 0,003 Mol Terbium und eine steigende Samariummenge enthalten. Aus dem Diagram ergibt sich, dass eine Zunahme des Terbiumgehalts vorwiegend eine Zunahme der Y-Koordinate und eine Zunahme des Samariumgehalts vorwiegend eine Zunahme der X-Koordinate des Farbpunktes zur Folge hat. Veiter zeigt das Diagramm deutlich, dass durch geeignete Wahl des Terbium- und Samariumgehalts jeder beliebige Farbpunkt in einem verhältnismässig grossen Bereich erzielt werden kann.

Es sei bemerkt, dass mit den erfindungsgemässen

Stoffen Farbpunkte der ausgesandten Strahlung erreicht werden können, die einen bedeutend grösseren Bereich im Diagramm umfassen, als im allgemeinen für die Schwarz-Weiss-Wiedergabe von Bildern wünschenswert ist. Diese grosse Wählmöglichkeit ist an sich selbstverständlich ein Vorteil und zeigt sich in der Praxis als besonders wünschenswert, weil man den Einfluss der Transmission des Glases des Bildschirmes leicht ausschalten kann. Farbpunktverschiebungen als Folge der· erwähn-

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ten Transmission kann man nämlich durch Anwendung eines lumineszierenden Oxysulfids mit einer derartiger. Zusammensetzung korrigieren", dass der Farbpunkt zwar nicht im gewünschten Bereich liegt, dass aber dessen Licht nach Passieren des Glasbildschirmes doch die richtige Farbe hat.

Schliesslich sei noch erwähnt, dass die erfindungsgemässe Kathodenstrahlröhre ausser für die Schwärz-Weiss-Wiedergabe auch für die Monochromfarbwiedergabe von Bildern geeignet ist. Mit Hilfe verschiedener, geeignet gewählter Filter kann man nämlich Bilder in verschiedenen Farben erzeugen.

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Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

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   Kathodenstrahlröhre für die monochrome Wiedergabe, insbesondere Schwarz-Weiss-Wiedergabe, von Bildern mit einem Leuchtschirm, der ein leuchtendes mit Terbium aktiviertes Oxysulfid von mindestens einem der Elemente Yttrium, Gadolinium, Lanthan und Lutetium enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxysulfid ausserdem Samarium als Aktivator enthält und der Formel (M₁ Tb Sm )„ O~S entspricht, worin M mindestens eines der Elemente Yttrium, Gadolinium, Lanthan-und Lutetium darstellt, und worin 0,003^ x^ 0,030 und 0,0001 Z xZ. 0,005.
2. 2. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu 90 At^ des Terbiums durch Dysprosium ersetzt sind.

   3· Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass M Yttrium und/oder Gadolinium ist.

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