FR2803431A1

FR2803431A1 - Electron gun micropoint cathode ray tube having micropoint cathode electron beam forming and beam collimator/electrodes focussing beam.

Info

Publication number: FR2803431A1
Application number: FR9916739A
Authority: FR
Inventors: Christophe Constancias
Original assignee: Thomson Tubes and Displays SA
Current assignee: Thomson Tubes and Displays SA
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 1999-12-30
Publication date: 2001-07-06
Anticipated expiration: 2019-12-30
Also published as: FR2803431B1

Abstract

The electron gun has micropoint cathodes (10) transmitting an electron beam to an optical system. There is a collimator (20) which collimates the electron beam and two electrodes (30) forming an electrostatic lens.

Description

L'invention concerne un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques incorporant un système de cathode dite à micro pointes plus particulièrement la structure dudit canon la mieux adaptée à l'utilisation de ce type de cathode. The invention relates to an electron gun for cathode ray tube incorporating a cathode system called microtip, more particularly the structure of said gun best suited to the use of this type of cathode.

Un canon à électrons conventionnel, utilisant une ou des cathodes thermoïniques à filaments chauffants possède après la cathode une succession d'électrodes nécessaires pour former le faisceau électronique puis pour le focaliser en permanence sur l'écran du tube sur lequel sont reproduite les images à visualiser. A conventional electron gun, using one or more thermoinic cathodes with heating filaments, has after the cathode a succession of electrodes necessary to form the electron beam and then to focus it permanently on the screen of the tube on which the images to be displayed are reproduced. .

Cette succession d'électrodes fait que le canon présente une longueur importante qui participe à la valeur de la profondeur finale du tube. This succession of electrodes means that the barrel has a significant length which contributes to the value of the final depth of the tube.

par le fait que l'angle de déflexion des faisceaux électroniques qui balaient l'ecran du tube reste sensiblement autour de 110 , cette profondeur augmente rapidement avec la taille de la diagonale dudit écran, alors que le choix actuel d consommateur évolue vers des écrans de dimensions importantes, mais avec une profondeur minimale. by the fact that the deflection angle of the electron beams which sweep the screen of the tube remains substantially around 110, this depth increases rapidly with the size of the diagonal of said screen, while the current consumer choice is evolving towards screens of important dimensions, but with a minimum depth.

L'invention se propose d'amener une solution à ce problème par l'utilisation de cathodes à micro pointes pour former les faisceaux électroniques, cathodes i en association avec une structure d'électrodes adaptée permet de diminuer plusieurs centimètres la longueur du canon par rapport à un canon selon l'etat de la technique. The invention proposes to provide a solution to this problem by the use of micro-tip cathodes to form the electron beams, cathodes i in combination with an adapted electrode structure makes it possible to reduce the length of the barrel by several centimeters relative to to a barrel according to the state of the art.

Pour cela le canon selon l'invention comprend moins une cathode à micropointes pour émettre un faisceau d'électrons et système optique associé à cet émetteur pour mettre en forme le faisceau vue du balayage de l'écran dudit tube à rayons cathodiques, caracterisé en que le système optique comprend les éléments suivants: - des moyens de collimation du faisceau d'électrons issu de la cathode à micro pointes - des moyens de focalisation du faisceaux collimaté consistant en au moins deux électrodes formant lentille électrostatique L'invention ainsi que ses multiples avantages seront mieux compris à l'aide de la description ci-aprés et des dessins parmi lesquels La figure 1 est une vue de coté d'un canon à électrons selon l'état de la technique. For this, the barrel according to the invention comprises less a microtip cathode for emitting an electron beam and optical system associated with this emitter for shaping the beam seen from the scanning of the screen of said cathode ray tube, characterized in that the optical system comprises the following elements: - means for collimating the electron beam coming from the cathode with microtips - means for focusing the collimated beam consisting of at least two electrodes forming an electrostatic lens The invention as well as its multiple advantages will be better understood with the aid of the description below and of the drawings among which FIG. 1 is a side view of an electron gun according to the state of the art.

La figure 2 représente, en coupe, une structure de cathode à micro pointes La figure illustre le principe de collimation d'un faisceau d'électrons. La figure montre un premier mode de réalisation de l'invention La figure représente un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure illustre un mode de réalisation particulier des moyens de collimation Comme indiqué la figure 1, un canon à électrons selon l'état de la technique comprend au moins une cathode thermo-émissive 1 chauffée par un filament 2, à une température suffisamment haute pour permettre l'émission d'électrons. Cette émission forme un nuage d'électrons qu'il est nécessaire d'accélérer et de contrôler afin de le transformer en un faisceau. Pour cela les électrodes 3 et 4 forment avec la cathode une triode , dans l'intervalle de laquelle les électrons vont tous passer par une zone appelée "cross over point" avant diverger à nouveau et être focalisés par exemple par l'intermédiaire électrodes 5, 6, 7 formant lentille de pré focalisation et 7, 8 formant lentille de focalisation principale. FIG. 2 represents, in section, a cathode structure with microtips. The figure illustrates the principle of collimation of an electron beam. The figure shows a first embodiment of the invention The figure shows a second embodiment of the invention. The figure illustrates a particular embodiment of the collimation means As indicated in FIG. 1, an electron gun according to the state of the art comprises at least one thermo-emissive cathode 1 heated by a filament 2, at a temperature high enough to allow the emission of electrons. This emission forms a cloud of electrons which it is necessary to accelerate and control in order to transform it into a beam. For this, the electrodes 3 and 4 form with the cathode a triode, in the interval of which the electrons will all pass through an area called "cross over point" before diverging again and being focused for example by means of electrodes 5, 6, 7 forming a pre-focusing lens and 7, 8 forming a main focusing lens.

L'utilisation de structure de cathode à micro pointes permet de raccourcir la longueur du canon nécessaire à la formation d'un faisceau électronique adapté à balayer l'écran d'un tube à rayons cathodiques. La figure 2 illustre, dans une vue en coupe effectuée perpendiculairement au plan de cathode, une structure connue qui peut être utilisée à cette fin. La cathode 10 comprend un réseau de micro pointes 11 reliées entre elles par une électrode conductrice 12 déposée sur un substrat 13 par exemple en verre, lesdites micro pointes étant généralement portées à un potentiel de référence Vp. Une couche isolante 15 percée de trous dans lesquels se trouvent les micro pointes 11 sépare l'électrode conductrice 12 d'une grille 14 portée à un potentiel d'extraction Vg des électrons par rapport à celui des micro pointes .Les électrons sont alors émis avec une énergie cinétique initiale égale à -e.(Vg-Vp). Une telle cathode est par exemple décrite en détail dans le brevet français FR2679653, notamment en ce qui concerne les matériaux constituant une telle cathode. Cependant les électrons d'une telle cathode sont émis dans un cone d'émission important ce qui rend difficile l'utilisation de cette cathode dans un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques en compliquant fortement le système optique à mettre en oeuvre pour former le faisceau. The use of a cathode structure with microtips makes it possible to shorten the length of the barrel necessary for the formation of an electron beam suitable for scanning the screen of a cathode ray tube. FIG. 2 illustrates, in a sectional view made perpendicular to the cathode plane, a known structure which can be used for this purpose. The cathode 10 comprises a network of microtips 11 connected together by a conductive electrode 12 deposited on a substrate 13, for example made of glass, said microtips generally being brought to a reference potential Vp. An insulating layer 15 pierced with holes in which the microtips 11 are located separates the conductive electrode 12 from a grid 14 brought to an extraction potential Vg of the electrons relative to that of the microtips. The electrons are then emitted with an initial kinetic energy equal to -e. (Vg-Vp). Such a cathode is for example described in detail in French patent FR2679653, in particular as regards the materials constituting such a cathode. However, the electrons of such a cathode are emitted in a large emission cone which makes it difficult to use this cathode in an electron gun for cathode ray tubes by greatly complicating the optical system to be used to form the beam.

La présente invention permet l'utilisation de ce type de cathode en disposant après la cathode des moyens de collimation des électrons émis par ladite cathode afin que la trajectoire de ces électrons soit sensiblement parallèle à l'axe du canon. The present invention allows the use of this type of cathode by having after the cathode means for collimating the electrons emitted by said cathode so that the trajectory of these electrons is substantially parallel to the axis of the barrel.

Comme illustré par la figure 3, ces moyens de collimation sont par exemple constitués une électrode percée d'un orifice 21 traversé par le faisceau d'électrons emis par les micro pointes 11. L'orifice 21 est obturé par exemple par un treillis métallique 22 pratiquement transparent pour les électrons. L'électrode 20 est portée à un potentiel Va supérieur au potentiel de grille Un électron émis sur un axe de propagation Z avec une énergie Vg (eV) un angle de divergence maximum de OR,ax , soumis à un champ électrique accélérateur constant parallèle à l'axe Z, atteint une position radiale R a une distance d de la grille 14 ; à cette distance d est disposée l'électrode de collimation portée au potentiel Va. As illustrated in FIG. 3, these collimating means are for example constituted by an electrode pierced with an orifice 21 traversed by the electron beam emitted by the microdots 11. The orifice 21 is closed for example by a metallic trellis 22 practically transparent to electrons. The electrode 20 is brought to a potential Va greater than the gate potential An electron emitted on a propagation axis Z with an energy Vg (eV) a maximum divergence angle of OR, ax, subjected to a constant accelerating electric field parallel to the axis Z, reaches a radial position R at a distance d from the grid 14; at this distance d is placed the collimation electrode brought to the potential Va.

Apres traversée de l'électrode de collimation, l'angle OS entre la trajectoire de l'électron direction de l'axe Z va s'exprimer de la façon connue suivante

Dans une structure de canon adapté pour être utilisé dans un tube à rayons cathodiques, l'électrode de collimation est portée à un potentiel de 10kv et disposée à distance de 5mm de la grille d'extraction 14, cette dernière étant portée à un potentiel de 100 volts. II en résulte que si l'ouverture 21 de la grille de collimation est sensiblement circulaire avec un rayon de 0.525mm, l'angle maximum de divergence du faisceau d'électrons ' la sortie de l'électrode de collimation a été réduit à OS = 3.3 . After crossing the collimation electrode, the angle OS between the trajectory of the electron direction of the Z axis will be expressed in the following known manner

In a barrel structure suitable for use in a cathode ray tube, the collimation electrode is brought to a potential of 10kv and placed at a distance of 5mm from the extraction grid 14, the latter being brought to a potential of 100 volts. As a result, if the opening 21 of the collimating grid is substantially circular with a radius of 0.525mm, the maximum angle of divergence of the electron beam 'the output of the collimating electrode has been reduced to OS = 3.3.

Le treillis métallique qui obture l'ouverture de l'électrode de collimation peut avantageusement être remplacé par une membrane fine réalisée dans un matériau composite de type Sic, SiNX, BN, BXC , dont la permittivité diélectrique supérieure à celle de l'air . Ce type de membrane , dont l'épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres, transparent aux électrons d'énergie suffisante, de l'ordre de quelques elle permet de diminuer la courbure des équipotentielles au voisinage l'orifice de l'électrode de collimation pour obtenir un effet identique à celui du treillis métallique précédent. The metal mesh which closes the opening of the collimating electrode can advantageously be replaced by a thin membrane made of a composite material of Sic, SiNX, BN, BXC type, whose dielectric permittivity greater than that of air. This type of membrane, the thickness of the order of a few tens of nanometers to a few micrometers, transparent to electrons of sufficient energy, of the order of a few it makes it possible to reduce the curvature of the equipotentials in the vicinity of the orifice. the collimating electrode to obtain an effect identical to that of the preceding wire mesh.

Une fois obtenu un faisceau d'électrons dont la trajectoire sensiblement parallèle à l'axe de propagation Z, il suffit alors de focaliser faisceau sur l'écran du tube à rayons cathodiques en disposant à la suite de l'électrode de collimation 20 moins une lentille de focalisation Une structure complète de canon à électrons selon l'invention est ainsi illustrée par la figure 4. Dans ce premier mode de réalisation, le faisceau d'électrons collimaté traverse une lentille de focalisation principale constituée par deux électrodes 30 et 31. L'électrode finale 31 est portée à une haute tension, par exemple la tension d'anode, et l'électrode 30 à un potentiel inférieur VF dit potentiel de focalisation. Afin de simplifier la structure du canon, l'électrode 30 et l'électrode collimation peuvent être connectées l'une à l'autre. Once an electron beam has been obtained, the trajectory of which is substantially parallel to the axis of propagation Z, it then suffices to focus the beam on the screen of the cathode ray tube by arranging after the collimation electrode 20 minus one focusing lens A complete structure of the electron gun according to the invention is thus illustrated in FIG. 4. In this first embodiment, the collimated electron beam passes through a main focusing lens constituted by two electrodes 30 and 31. L the final electrode 31 is brought to a high voltage, for example the anode voltage, and the electrode 30 to a lower potential VF called the focusing potential. In order to simplify the structure of the barrel, the electrode 30 and the collimation electrode can be connected to each other.

Dans un deuxieme mode de réalisation illustré par la figure 5, la structure de formation de faisceau d'électrons selon l'invention est complétée par - un étage de préfocalisation constitué par une lentille unipotentielle formee par les électrodes successives 30, 32, 33, les électrodes 30 et étant portées à un potentiel VF de focalisation, l'électrode 32 à un potentiel intermédiaire plus faible. - étage de focalisation principale constitué par une lentille bipotentielle formée les électrodes 33 et 31, l'électrode 31 étant portée à une haute tension, par exemple la tension d'anode. In a second embodiment illustrated by FIG. 5, the structure of electron beam formation according to the invention is completed by - a pre-focusing stage constituted by a unipotential lens formed by the successive electrodes 30, 32, 33, the electrodes 30 and being brought to a focusing potential VF, the electrode 32 to a lower intermediate potential. - main focusing stage constituted by a bipotential lens formed by the electrodes 33 and 31, the electrode 31 being brought to a high voltage, for example the anode voltage.

Les tubes rayons cathodiques actuels fonctionnent avec une tension d'anode de l'ordre 27Kv à 35Kv. Suivant la structure du canon à électrons dans laquelle utilisé un dispositif de formation d'un faisceau électronique selon l'invention, il sera préférable de choisir une tension à appliquer sur l'electrode de collimation comprise entre 5 et 15Kv, soit en pourcentage de tension d'anode entre 15% et 55% de cette tension. Current cathode ray tubes operate with an anode voltage of the order of 27Kv to 35Kv. Depending on the structure of the electron gun in which a device for forming an electron beam according to the invention is used, it will be preferable to choose a voltage to be applied to the collimation electrode of between 5 and 15Kv, ie as a percentage of voltage. anode between 15% and 55% of this voltage.

Ces exemples ne sont pas limitatifs, l'invention peut être utilisée dans un canon à électrons comportant par exemple un étage supplémentaire de focalisation dynamique du faisceau sur tout l'écran du tube. These examples are not limiting, the invention can be used in an electron gun comprising for example an additional stage of dynamic focusing of the beam on the whole screen of the tube.

De même la structure de l'invention est aussi bien adaptée à des canons à électrons mono faisceau pour tube monochrome, comme à des canons à trois faisceaux pour tubes à rayons cathodiques en couleurs, l'électrode de collimation comportant alors trois ouvertures obturées par un treillis ou une membrane. Similarly, the structure of the invention is equally well suited to single-beam electron guns for monochrome tubes, as to three-beam guns for color cathode ray tubes, the collimation electrode then comprising three openings closed by a trellis or membrane.

De cette façon la longueur de la partie basse du canon à électrons qui est généralement d'au moins 2 cm peut être réduite d'au moins 1 cm. Par ailleurs la structure de l'électrode de collimation, comportant des ouvertures obturées soit par un treillis métallique soit par une membrane matériau composite est telle que qu'elle joue un rôle de protection de la cathode elle même vis à vis des arcs électriques et du bombardement ioniques des ions positifs revenant de l'anode qui en provoqueraient la destruction pendant le fonctionnement du tube. In this way the length of the lower part of the electron gun which is generally at least 2 cm can be reduced by at least 1 cm. Furthermore, the structure of the collimation electrode, comprising openings closed either by a wire mesh or by a composite material membrane, is such that it plays a protective role for the cathode itself against electric arcs and the ion bombardment of positive ions returning from the anode which would destroy them during the operation of the tube.

Comme illustré par la figure 6, la surface du treillis ou de la membrane obturant l'ouverture de l'électrode de collimation peut présenter une surface courbe 40 faisceau d'électrons incident ; cette caractéristique permet d'apporter degré de liberté supplémentaire dans la conception de l'optique électronique associée au canon, en fournissant par exemple un effet de pré focalisation du faisceau.As illustrated in FIG. 6, the surface of the lattice or of the membrane closing off the opening of the collimation electrode may have a curved surface 40 incident electron beam; this characteristic makes it possible to provide an additional degree of freedom in the design of the electronic optics associated with the gun, by providing for example a beam pre-focusing effect.

Claims

CLAIMS 11 Electron gun for cathode ray tube comprising at least one microtip cathode (10) for emitting an electron beam and an optical system associated with this emitter for shaping the beam for scanning the screen of said tube with cathode rays, characterized in that the optical system comprises the following elements: - collimation means (20, 21, 22) of the electron beam coming from the microtip cathode - focusing means (30, 31, 32, 33) of the collimated beams consisting of at least two electrodes forming an electrostatic lens 21 electron gun according to the preceding claim characterized in that the collimating means comprise an electrode brought to potential intermediate between the grid voltage of the microtip cathode and the most voltage high applied to one of the electrostatic lens electrodes 31 electron gun as claimed previous action characterized in that the collimating means comprise an electrode (20) brought to potential chosen between 15% and 55% of the highest voltage applied to the electrostatic lens 4 / electron gun according to one of claims 2 or 3 characterized in that the electron beam generated by the microtip cathode passes through the collimation electrode at an opening (21) partially closed by a lattice (22). Electron gun according to either of Claims 2 and 3, characterized in that the electron beam generated by the cathode with microtips passes through the collimation electrode at the level of a closed opening a dielectric membrane Electron gun according to the preceding claim characterized in that the dielectric membrane is made of an electron gun composite material according to one of claims 4 to 6 characterized in that the lattice or the membrane have a curved surface (40) to the incident electron beam. 81 electron gun according to one of the preceding claims, characterized in that the collimating electrode (20) and one of the electrodes (30) of the electrostatic lens are at the same potential. 91 cathode ray tube comprising an electron gun according to any one of the preceding claims