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Kathodenstrahlröhre, insbesondere Projektionsröhre Die Erfindung betrifft
Kathodenstrahlröhren für hohe Anodenspannungen, insbesondere Projektionsröhren.
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Eine der heute vielfach verwendeten Kathodenstrahlröhren hat zwei
Anoden, eine erste und eine zweite Anode. In solchen Röhren wird der Kathodenstrahl
elektrostatisch durch geeignete Einstellung des Verhältnisses der Spannung an der
ersten Anode zu der Spannung an der zweiten Anode zu einem kleinen Leuchtfleck auf
einem am Ende der Röhre befindlichen Leuchtschirm fokussiert. Die erste Anode wird
von einem Teil der Strahlelektronen getroffen, so daß zu ihr ein Anodenstrom fließt.
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Dieser Anodenstrom erschwert den Aufbau einer Projektionseinrichtung
für Fernsehzwecke, da sich dieser Anodenstrom mit dem Bildsignal oder mit anderen
Spannungsänderungen am Steuergitter ändert. Hieraus ergibt sich wegen der geringen
Spannungskonstanz der zur Erzeugung der Hochspannung, beispielsweise 5o kV, verwendeten
Netzgeräte eine Änderung der Anodenspannung der ersten Anode, so daß der Kathodenstrahl
nicht mehr auf dem Leuchtschirm fokussiert bleibt.
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Ein weiterer Nachteil ist, daß die Gestehungskosten einer Hochspannungsquelle
mit höherer Belastbarkeit derselben zunehmen. Daher können diese Kosten dann zu
einem Minimum gemacht werden, wenn der gesamte bei hoher Spannung entnommene Strom
Nutzstrom ist, d. h. wenn der gesamte Strom Strahlstrom ist.
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In manchen Fällen wird die magnetische Fokussierung der elektrostatischen
vorgezogen. Dann hat
auch die Kathodenstrahlröhre keine zweite Anode.
Jedoch kann die noch vorhandene Anode des Kathodenstrahlerzeugungssystems als erste
Anode bezeichnet werden, wie dies im folgenden geschehen ist. Die Erfindung ist
sowohl auf Kathodenstrahlröhren der letzten Art als auch auf solche der ersten Art
anwendbar.
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In jeder der beschriebenen Kathodenstrahlröhren kann die Güte des
Bildes dadurch beeinflußt werden, daß der Leuchtfleck auf dem Leuchtschirm seine
Größe ändert, wenn die Steuergitterspannung positiver odernegativer wird. Diese
Leuchtfleckvergrößerung wird durch eine Defokussierung des Kathodenstrahles bewirkt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Kathodenstrahlerzeugungssystem,
bei welchem die Defokussierung des Kathodenstrahles durch Änderung der Steuergitterspannung
weitgehend herabgesetzt ist. Gleichzeitig fließt zur ersten Anode kein Strom, so
daß der gesamte Kathodenstrom als Strahlstrom ausgenutzt wird, wodurch für einen
gegebenen Strahlstrom die Lebensdauer der Kathode erhöht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung hat das Kathodenstrahlerzeugungssystem
ein Schirmgitter, das ein bestimmtes Verhältnis von Länge zum Durchmesser hat. Das
Verhältnis der Spannung an der ersten Anode zu der am Schirmgitter liegt dabei oberhalb
eines bestimmten Wertes. Ist das Schirmgitter z. B. ein Zylinder, bei dem das Verhältnis
seiner Länge zum Durchmesser innerhalb bestimmter Grenzen liegt, und liegt das Verhältnis
der Spannung an der ersten Anode zu der am Schirmgitter oberhalb eines bestimmten
minimalen Werte, dann ist es möglich, den Anodenstrom der ersten Anode gleich Null
zu machen und den Leuchtfleck klein zu halten. Die axiale Länge des Zylinders wird
im folgenden als Randlänge (Skirt-Length) des Schirmgitters bezeichnet. Das Schirmgitter
braucht jedoch nicht zylinderförmig zu sein, sondern kann verschiedene andere Formen
haben, solange es nur mit einem Rand von geeigneter Länge versehen ist. So kann
das Schirmgitter z. B. eine konische Form haben.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Abb. i zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Projektionsröhre für hohe
Anodenspannungen, z. B. 5o bis 7o kV an der zweiten Anode. Die Röhre besteht aus
einem evakuierten Glasgefäß i, in welchem sich ein nach innen ragender Teil :z befindet,
der die zweite Anode trägt. Dieser nach innen ragende Teil verhindert einen Überschlag
zwischen der zweiten Anode und dem Ablenkjoch q., da als Isolation zwischen beiden
ein Hochvakuum verwendet wird.
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Das Kathodenstrahlerzeugungssystem besteht aus einer indirekt geheizten
Kathode 6, einer Steuerelektrode oder einem Steuergitter 7, einem Schirmgitter 8
und einer ersten Anode g. Die verschiedenen Elektroden werden in der Röhre von den
Haltestreben ii und i2 und den Glasknüppeln 13 in festen Abständen zueinander gehalten.
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Am Ende des Vakuumgefäßes i gegenüber dem Kathödenstrahlerzeugungssystem
befindet sich ein z. B. auf die innere Oberfläche des Gefäßes selbst aufgebrachter
Leuchtschirm 21, auf den vorzugsweise eine dünne durchsichtige Schicht aus Metall
aufgedampft ist, um Aufladungen des Schirmes durch den Kathodenstrahl zu vermeiden.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. x hat das Schirmgitter 8 sowie
die anderen Elektronen zylindrische Gestalt. Es hat eine Randlänge s und einen Durchmesser
d, die in der Abbildung eingezeichnet sind. Es kann mit einer Blende 8' versehen
sein, die vorzugsweise am Ende oder in der Nähe des dem Steuergitter 7 zugekehrten
Endes des Schirmgitters angeordnet ist. Diese Blende ist jedoch nicht notwendig,
sie ist aber in den meisten Kathodenstrahlerzeugungssystemen vorteilhaft. Durch
geeignete Bemessung der Randlänge s des Schirmgitters 8 gegenüber dem Durchmesser
d und durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses der Anodenspannung der ersten
Anode zur Schirrngitterspannung kann der Anodenstrom zur ersten Anode bis auf Null
verkleinert und gleichzeitig erreicht werden, daß der Leuchtfleck nicht größer wird,
wenn die Steuergitterspannung negativer wird. An verschiedenen Kathodenstrahlerzeugungssystemen,
die gebaut und geprüft wurden, hat sich herausgestellt, daß die Randlänge s größer
als 1/1o des Schirmgitterdurchmessers d und kleiner als das 2,5fache des Durchmessers
d sein muß und däß das Verhältnis der Spannung an der ersten Anode zur Schirmgitterspannung
größer als 8 sein muß und vorzugsweise in den meisten Fällen 15 oder 2o beträgt.
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Der Grund für die untere Grenze des Verhältnisses der Spannung an
der ersten Anode zur Spannung am Schirmgitter liegt im folgenden: Um den Anodenström
zu Null zu machen ohne eine unzulässige sphärische Aberration zu erhalten, ist es
notwendig, den Strahldurchmesser am Ende der ersten Anode unterhalb 55°/o, vorzugsweise
unterhalb 35 oder 40 ')/" des Durchmessers der ersten Anode zu halten. Der Anodendurchmesser
ist an dem Ende der Anode gemessen, an dem der Strahldurchmesser ebenfalls gemessen
wird. Um nun den Strahldurchmesser in Kathodenstrahlerzeugungssystemen mit kurzer
erster Anode mit großem Durchmesser, wie sie z. B. die Abb. 2 .zeigt, unterhalb
dieses Wertes zu halten, ist ein Spannungsverhältnis von wenigstens io erforderlich.
Für das Kathodenstrählerzeugungssystem gemäß Abb. i, in welchem eine längere erste
Anode verwendet wird, liegt die untere Grenze des Spannungsverhältnisses bei etwa
15.
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Der Grund für die obere Grenze der Länge s des Schirmgitters ist,
daß die Strahldivergenz beim Eintritt in das Schirmgitter so hoch ist, daß im Falle
eines langen Schirmgitters der Strahldurchmesser i an der Linse zwischen Schirmgitter
und erster Anode so groß ist, daß sich eine starke Aberration ergibt, wodurch ein
sehr großer Brennfleck entsteht.
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Die untere Grenze der Schirmgitterabmessung s ist dadurch gegeben,
daß für kleinere Werte von s das Kathodenstrahlerzeugungssystem nur wenig besser
arbeitet als ein Kathodenstrahlerzeugungssystem mit dem üblichen scheibenförmigen
Schirmgitter. Die kleineren Werte von s innerhalb der Grenzen können mit Vorteil
nur verwendet werden, wenn die erste Anode kurz ist, so z. B. wenn ihre Länge nur
etwa
das i- bis il./,fache ihres Durchmessers beträgt. Andernfalls
würde die Divergenz des Strahles das Verhältnis vom Strahldurchmesser zum Durchmesser
der ersten Anode zu groß machen, so daß eine unerwünschte sphärische Aberration
entsteht.
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Bei Verwendung der obengenannten Schirmgitterabmessungen und Spannungsverhältnisse
ergibt sich eine elektrostatische Linse mit auf der Gegenstands-(Kathoden-) Seite
kurzer Brennweite. Diese Brennweite wird so gewählt, daß der Gegenstand im wesentlichen
im Brennpunkt der Linse liegt. Hierdurch ergibt sich ein durch die erste Anode mit
geringer Divergenz hindurchgehender Kathodenstrahl, welcher, wie die Abb. 4 zeigt,
einen Strahldurchmesser x am Ende der ersten Anode hat. Die Divergenz des Strahles
ist so klein, daß der Strahl die erste Anode nicht trifft, so daß der Strom zur
ersten Anode gleich Null ist.
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Der Strahldurchmesser ist nicht größer als er sein würde, wenn innerhalb
der ersten Anode eine Blende zur Begrenzung des Strahldurchmessers angeordnet ist,
wie sie die Abb. 5 zeigt und wie es in anderen Kathodenstrahlerzeugungssystemen
gemacht wird, um einen geeignet fokussierten Leuchtfleck zu erhalten. Wie in dem
Buch von Maloff und Epstein »Electron Optics in Television« Kapitel 7, S. 128 bis
133 beschrieben ist, soll der Strahldurchmesser am Ende der ersten Anode
kleiner als 55 % des Durchmessers der ersten Anode sein, um eine unerwünschte
Aberration, und unterhalb 35 ofo liegen, um eine Aberration vollständig zu vermeiden.
Anderenfalls wird die Fokussierung durch die Linse zwischen erster und zweiter Anode
ernstlich gestört und auf dem Leuchtschirm ein großer Leuchtfleck erzeugt.
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In der Röhre gemäß Abb. i ist der Gegenstand der Strahlüberkreuzungspunkt.
Dies ist auf den Seiten i2o und 121 des obengenannten Buches erklärt.
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Die Form des Schirmgitters beeinträchtigt die Krümmung oder Form der
elektrostatischen Linse, während das Verhältnis der Spannung an der ersten Anode
zu der des Schirmgitters ihre Brechkraft bestimmt. Die Brennweite der Linse, wie
sie durch das Spannungsverhältnis beeinflußt wird, ist durch die Gleichung
gegeben, in der f1 die Gegenstandsweite, f2 die Bildweite, E"1 die Spannung
der ersten Anode und E$ die Schirmgitterspannung bedeuten.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. i beträgt die Randlänge s 3/4
des Durchmessers d. Geeignete Betriebsspannungen sind folgende
| Schirmgitter + 0,45 kV |
| erste Anode + ii,oo kV |
| zweite Anode + 56,oo kV |
Das Steuergitter kann mit einer negativen Vorspannung von etwa ioo Volt betrieben
werden. Diese Spannung ändert sich jedoch in Abhängigkeit von dem Hintergrund des
gesendeten Bildes. Abb. 4 zeigt, daß, wenn das Verhältnis der Spannung an der ersten
Anode zur Schirmgitterspannung vergrößert wird, der Durchmesser x des Kathodenstrahles
am Ende des Kathodenstrahlerzeugungssystems abnimmt. Von einem Spannungsverhältnis
von etwa 2o ab ist die Verkleinerung des Strahldurchmessers nur noch sehr gering,
und es wurde festgestellt, daß, wenn die Röhre mit einem Spannungsverhältnis in
dieser Größenordnung betrieben wird, die sich ergebende Brennfleckgröße sehr zufriedenstellend
ist. Aus der Kurve geht hervor, daß bei niedrigeren Spannungsverhältnissen der Strahl
genügend divergiert, um Elektronen auf die erste Anode auftreffen und damit einen
Anodenstrom fließen zu lassen.
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In Abb. 2 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kathodenstrahlröhre dargestellt, in welcher das Verhältnis der Randlänge s ' zum
Schirmgitterdurchmesser d kleiner ist als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb.
i. Diese Röhre ist ähnlich der eben beschriebenen und besteht aus einem evakuierten
Gefäß 31 mit einer nach innen ragenden Anode 32 und einem Kathodenstrahlerzeugungssystem,
bestehend aus einer Kathode 33, einem Steuergitter 34, einem Schirmgitter 36 und
einer ersten Anode 37. Das Schirmgitter 36 hat eine Scheibe 36', welche zur Erleichterung
des Aufbaues vorgesehen ist und die Elektroden des Strahlerzeugungssystems trägt.
Sie kann aber auch weggelassen werden und das Schirmgitter, wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß Abb. i, gehaltert werden.
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Die Scheibe 36' kann in bestimmten Röhren zur Abschirmung dienen.
Wenn z. B. der Schirmgitterdurchmesser im Verhältnis zu dem der ersten Anode klein
ist, kann das Feld der ersten Anode bis in die Gegend zwischen Steuergitter und
Schirmgitter hindurchgreifen, und zwar außen um das Schirmgitter herum. Die Vermeidung
dieses Umgriffes kann vorteilhaft sein, weil sonst das Feld zwischen den beiden
Gittern durch die Haltestreben und/oder die Elektrodenzuführungen außerhalb der
zylindrischen Elektroden unsymmetrisch gemacht werden kann. Am Ende der Röhre befindet
sich ein Leuchtschirm 38.
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Obgleich bei Röhren dieser Art zwei Ablenkspulenpaare verwendet werden,
ist zur Vereinfachung der Abbildung nur ein Spulenpaar dargestellt und mit 39 bezeichnet.
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Das Schirmgitter 36 und die Anoden 37 und 32 erhalten geeignete Betriebsspannungen
aus den mit 41, 42, 43 bezeichneten Spannungsquellen. Im praktischen Betrieb werden
später natürlich Hochspannungstransformatoren, Gleichrichter und Filter verwendet.
Das Bildsignal wird dem negativ vorgespannten Steuergitter 34 über die Leitung 44
zugeführt.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 2 beträgt die Randlänge s''/"
des Schirmgitterdurchmessers d. Als Betriebsspannungen sind folgende Werte geeignet:
| Schirmgitter + 0,4 kV |
| erste Anode + ii,o kV |
| zweite Anode + 56;o kV |
Aus den Kurven gemäß Abb. 4 und 5 geht hervor, daß das Verhältnis der Spannung an
der ersten
Anode zur Schirmgitterspannung nicht kritisch ist, aber
daß es innerhalb bestimmter Grenzen liegen muß.
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Die Kurve gemäß Abb. 5 gilt allgemein für die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Oberhalb eines bestimmten Verhältnisses der Spannung an der ersten Anode zur Schirmgitterspannung
wird der Gesamtstrom Strahlstrom oder Strom der zweiten Anode. Hieraus folgt, daß
oberhalb dieses Spannungsverhältnisses zur ersten Anode kein Strom fließt. Ebenfalls
ist natürlich auch der Schirmgitterstrom gleich Null.
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Die Kurve gemäß Abb. 5 gilt für das Kathoden strahlerzeugungssystem
gemäß der gleichen Abbildung, in dem die erste Anode mit einer Blende versehen ist.
Wegen dieser Blende nimmt die erste Anode bei einem niedrigeren Verhältnis der Spannung
an der ersten Anode zur Schirmgitterspannung als in dem Fall, in dem die Blende
nicht vorhanden ist, etwas Strom auf. In dieser besonderen Ausführungsform ist die
Größe und Lage der Blenderöffnung so, daß der Strahldurchmesser am Ende der ersten
Anode genügend klein ist, daß der sich ergebende Leuchtfleck nicht durch eine auftretende
Aberration verschlechtert wird, und zwar auch dann nicht, wenn die erste Anode Strom
aufnimmt. Im allgemeinen liegt bei einer erfindungsgemäßen Kathodenstrahlröhre kein
Grund zur Verwendung einer ersten Anode mit einer Blende vor, da der Gesamtstrom
durch die Blenderöffnung hindurchgehen würde.
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Abb. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem das Schirmgitter
eine konische Gestalt hat. Auch fehlt bei diesem Ausführungsbeispiel die zweite
Anode, und die gewünschte Elektrodenbeschleunigung wird durch Anlegen einer hohen
Spannung an die erste Anode erzeugt. Die Strahlfokussierung wird in diesem Fall
elektromagnetisch vorgenommen.
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Diese Röhre besteht aus einem Vakuumgefäß 51, innerhalb dessen sich
ein Kathodenstrahlerzeugersystem befindet, bestehend aus einer Kathode 52, einem
Steuergitter 53, einem Schirmgitter 54 und einer Anode 56. Das Schirmgitter 54 ist
konisch ausgebildet und hat eine wirksame Randlänge s und einen Durchmesser
d. Die Werte von s und d entsprechen den Werten der Ausführungsbeispiele
gemäß Abb. i und 2. Die dabei gemachten Festsetzungen im Hinblick auf das Verhältnis
s zu d und auf das Verhältnis der Spannung an der ersten Anode zur Schirmgitterspannurig
gelten ebenfalls für das Ausführungsbeispiel gemäß Abb: 3.
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Obgleich die Erfindung im Zusammenhang mit Kathodenstrahlröhren beschrieben
wurde, die mit hohen Anodenspannungen betrieben werden, kann die Erfindung auch
auf Röhren jener Art angewendet werden, wie sie in dem obergenannten Buch von Maloff
und Epstein beschrieben und auf S.94, Abb. 5, 3b, dargestellt sind. Die Erfindung
läßt sich auch auf eine Röhre anwenden, in welcher die Endfokussierung des Strahles
mittels einer Einzellinse (unipotential electrostatic lens) an Stelle einer Immersionslinse
(bipotential lens), wie sie die Abb. i und 2, oder an Stelle einer elektromagnetischen
Linse, wie sie die Abb. 3 zeigt, vorgenommen wird. Bei Anwendung der Einzellinse
auf eine Kathodenstrahlröhre gemäß der Erfindung muß aber das Potential der mittleren
Elektrode niedriger als das der Endelektroden sein.