用於光閥的層流電子槍的製作方法

2023-06-01 06:31:26

專利名稱:用於光閥的層流電子槍的製作方法
總地來說，本發明主要涉及到舒利萊恩(Schlieren)暗場型光閥投射系統的改進，更具體地說，它涉及一種改進了的用於光閥的電子槍，以改進電子束聚焦場的深度，減少電子束的發散和離軸畸變，以及對電光另件的機械準直和所加電壓的要求不太苛刻。
舒利萊恩暗場型光閥投射系統已經商品化多年了，它們具有良好性能，典型的這類彩色投射系統的先有技術已經由W.E Good等人的美國專利No.3，290，436，No.3，352，592，No.3，437，746給出了。參照圖1，2及3對這種投射系統的工作原理加以簡要說明。
首先參照圖1，這裡簡略地表示出一個單槍電視光閥系統，它由燈10，密封的光閥12及舒利萊恩投射透鏡14組成。密封的光閥12有一個玻璃外殼，其內有一個電子槍16，輸入狹縫18，聚焦偏轉系統20，裝在轉動園盤22上的控制層32以及流體貯存槽24。Findeisen在美國專利No.3，586，901裡公開了用於舒利萊恩暗場型光閥的電子槍的具體實例。
電子槍16從陽極孔11產生出電子束，用它在控制層32上「寫」下電荷圖樣。應當知道，園盤22是由玻璃製造的，在它正對電子槍16的一側上有一個透明的電極面，該電極面與相對於光閥陰極為正電位的電源電相接，在園盤22及其上的透明電極上塗覆一層可變形的流體即控制層32。電子束的電子電荷圖樣被存在控制層32的表面，並且該圖樣在園盤電極的電場作用下，使控制層表面產生變形，形成衍射光柵。該電子束被聚焦、偏轉和調製以控制流體表面的變形，由此控制穿過層32和園盤22的光線。
聚焦偏轉系統20包括三個電極組和一個園柱形電極21，每個電極組又有四個互相垂直的電極，這樣的三個電極組構成三個電極盒23，25及27。第一個電極盒23裝在輸入窗的小孔附近，它使電子束對中和產生預偏轉。另外兩個電極盒25和27上這樣施加直流和交流電壓，使能得到孔11的均勻聚焦的電子束圖象，它沿控制層32的光柵平面被掃描。這本身又使控制層的流體被電荷控制均勻調製，形成均勻色彩的投射圖象。接在聚焦偏轉電極盒25和27後面的是一個漂移環21，它和園盤22上的透明電極一起在該聚焦偏轉系統20中作為最後一個電子透鏡的元件。
Ralph.W.Plump在美國專利No.3，288，927裡，Edward F.Perlowski，Jr在No.3，317，664和No.3，317，665中，Carlyle S.Herrick等人在No.3，541，992以及C.E.Timberlake在No.3，761，616中都公開了光調製流體的具體實例。這些流體可以包括David.A.Orser在其專利No.3，764，549及No.3，928，394中所講授的添加劑。一般來說，該控制層或光調製流體是一種用特殊添加劑改性的很特殊的化合物，它具有在電子束尋址光閥中產生有效控制層特性所需要的電、機械性能、粘-彈性性能。
基本的聚光系統包括一個弧光燈10，它可以是氙燈，其弧光位於反射系統的焦點上，該反射系統可以是如圖所示的簡單橢園反射器，或者是例如ThomasT.True等人在美國專利No.4，305，099中所公開的複合反射器。弧光經反射器反射後穿過一對相間隔的透鏡片，該透鏡片有相應的許多沿水平和垂直方向排列的方形微透鏡。在圖1裡，28是第一個透鏡片，第二透鏡片在光閥12的玻璃外殼的光輸入面上形成。由燈10發出的光在進入光閥12之前先經過濾色板26和雙凸透鏡28。
光閥12的玻璃外殼的內表面上帶有用例如氣相沉積形成的狹縫18那種形式的輸入光罩。輸入狹縫18是通常按圖1所示方式排列的一系列透明狹縫和交替的不透明條紋。由燈10發出的經過濾光後的光通過這些透明狹縫後進入光閥12。雙凸透鏡28的小透鏡組和光閥12玻璃外殼的光輸入面上構成的相應的小透鏡組形成聚光鏡時，它們首先把濾光後的光在光罩的狹縫上聚焦成一個個光點，然後再把這些光成像在控制層柵極平面32上。通過這種裝置，有效地利用了弧光燈發出的光，並使光呈方形圖案均勻地分布在光調製介質或控制層32上。
舒利萊恩投射透鏡14包括舒利萊恩透鏡29，輸出色彩選擇條紋30和投射透鏡系統31。輸出選擇條紋30是輸入狹縫18的互補元件。這就是說，在輸出條紋板上，這些條紋與輸入狹縫18的狹縫光學準直，使得在通過控制層32的光沒有衍射時，光被聚焦和被終止在輸出條紋板的條紋上。這就構成了「暗場」條件，即在施加到偏轉系統20的垂直和水平偏轉板上的光柵掃描信號上沒有疊加的調製信號時，就沒有光透過。然而，應當注意，對光柵掃描並為控制層提供電荷的電子束是恆流電子束。因此，沒有對電子槍16產生的電子束的強度進行調製(除了在關斷電子束時的水平和垂直回掃時間內)。
圖1的下半部是發光體和光閥各元件的截面圖。圖1底部的光譜圖表示光在入光閥之前如何被預先濾光的。
圖2是一個簡化了的光閥圖，它表示三個基本光柵的色彩選擇作用過程。支撐在轉動園盤22(它表示在圖1)上的控制層32被表示成對紅、綠、蘭三種光具有不同衍射性能的三個光柵。這些衍射光柵可被單獨或同時(用電子束)「寫」下來，通常它們實際上互相疊加在一起，但是僅為了說明起見，在圖2裡把它們分離地表示在控制層32上。
在圖1和圖2的光閥投射系統中，綠光通過輸入條紋板18的水平狹縫，並由調製控制層32上的被掃描光柵線的高度所形成的衍射光柵來控制。這個過程是通過控制加到圖3所示由綠色視頻信號調製的垂直偏轉板上的高頻載波幅度來實現的。深紅色光(紅光和蘭光)通過輸入條紋板18的垂直狹縫，並由電荷產生的衍射光柵來控制，它是當電子光斑在水平方向掃描時，進行速度調製，在與柵極線垂直的方向生成的。在圖3所示例子中，該過程是通過把頻率為16兆赫(對於蘭光為12兆赫)的信號加到水平偏轉板上並用圖3所示的紅色視頻信號調製而實現的。在控層32上做成的溝槽具有適當的間距，以便能使光譜裡的紅光部分衍射通過板30上的垂直輸出狹縫，而不讓蘭光通過。(在用頻率為12兆赫的載波時，蘭光可通過板30上的垂直狹縫，而紅光被截止。)這樣，三種同時疊加在一起的三元色圖可以用同一電子束記錄下來來，並且作為一幅全記錄全色圖投射到屏33上。通過控制單一掃描電子束在流體表面的每一圖象單元內記錄下的微小衍射光柵產生出各種顏色。這些光柵使透過的光線衍射偏離它們在輸出條紋板上的最終位置，對它們進行空間濾波，讓那些所需要的顏色的光到達屏上。被衍射光的多少，取決於控制層上形成的光柵深度。這項技術可使全色電視圖象記錄在單一控制層上而不需要另外的記錄方法。
圖3以框圖形式表示出光閥投射器的基本線路。把一個複合視頻信號加到解碼器34的輸入端，該解碼器在其輸出端給出紅、蘭、綠三色視頻信號。把這些信號分別加到調製器36、38及40上。光柵發生器42產生載波信號，就圖示情況來說，頻率為16兆赫和12兆赫的載波信號分別被加到調製器36及38上，而頻率為48兆赫的信號被加到調製器40上。把紅光及蘭光調製器36及38的輸出合併在一塊，疊加到水平偏轉信號發生器44發出的水平偏轉信號上。把綠光調製器40的輸出疊加到垂直偏轉發生器46產生的垂直偏轉信號上。
這種如圖1、2及3所示的基本的舒利萊恩暗場光閥投射器作為一種效率高、能產生極好色平衡和高解析度的高質量圖象的投射器已經發展多年了。然而現在正在努力改進，使投射器的設計和運行達到最佳狀態。比較關鍵的設計考慮是光閥的電子光學部分。正如從上面的討論看到的那樣，電子光學是非常複雜的，並且由於偏轉電壓的變化，它在動力學上也是變化的。
現已知道，通過嚴格地準直光閥的聚焦和偏轉電極系統，以及嚴格地控制所加電壓、掃描平衡和動態預偏轉等，可以得到相當滿意的視頻記錄性能。但是，就是採用前面提到的仔細控制辦法，要想獲得最佳性能，現有電子光學技術仍然需要採取一些折衷辦法對光閥系統的電性能和機械性能的多種因素加以權衡。因此，仍然需要改進投射圖象的調製色場的均勻性，並使它最佳化，同時還要降低機械系統的靈敏性和對電子光學電極系統的準直。
本發明通過改進電子槍，使光閥的設計達到最佳化。在現有技術中已知的電子槍包括下面各美國專利中所公開的那些。
Brewer在美國專利No.2，888，605中公開了一種形成準直電子流的系統，它通過加速電極32和柱狀漂移環電極20會聚電子，減小橫向速度分量，增加水平速度分量。電壓範圍為1.1～1.5伏。它沒有用電子束成形孔。柱狀電極電場形成一個漂移空間，但它不阻礙由陰極發出的電子束。
Peter在美國專利No.2，909，704中公開了一種從陰極開始形成發散電子束的系統。該系統靠第一個有孔的正極B和另一個負的聚焦環A實現。加在這兩個電極上的電壓使發散的電子束聚焦成「平行」電子束流。後面的各個陽極的孔徑明顯地大於陰極的直徑，並且，加在前兩個加速電極上的電壓是同一量級的。此外，聚焦電極表面位於陰極平面的後面。Peter電子槍設計的目的在於通過減少軸向速度發散形成一個「低噪聲」電子束。他採用不明顯阻礙電子束的大的陽極孔來實現上述目的。Peter電子槍產生的電子束直徑是其陰極直徑的1到4倍。
Haman在美國專利No.3，349，269裡公開了一種在用於形成字符的陰極射線管裡使用會聚電子束交叉的系統。讓電子束流過形成字符的電子束成形矩陣，並用兩對柱透鏡把形成的電子束偏轉到預定的靶位上。該電子槍沒有產生出具有極小束散角的層流。
Yoshida等人在美國專利No.3，417，194中公開了一種陰極射線管，它試圖通過補償加到電子槍柵-陰極區的較高的視頻調製電壓的離焦效應來減小電子束束散。這裡沒有形成層流或平行電子束流。隨著離陰距離的增加，各柵極孔徑保持一樣大或加大。
Findeisen在美國專利No.3，586，901裡公開了一種用於所述類型光閥的一般類型電子槍。這類電子槍是用電子束成形陽極孔使發射的電子束成形的電子束交迭型。它還採用在陰極、柵極和有孔陽極下遊的小「勢壘」(Potential hill)場減少能夠到達孔和發射體的正離子數。這些正離子是由轟擊光閥轉動園盤上的控制層的電子束產生的。
Silzers在美國專利No.3，740，607裡公開了一種產生高電流密度的小電子束的層流電子槍，用沒有限制孔的長焦距透鏡實現，並且試圖用會聚透鏡使電子槍的事實上的陰極成象確定出屏上束斑的尺寸。在電子槍陽極裡用的孔徑比電子束的直徑大得多。在Silzers的電子槍裡沒有阻止電子束的孔，也不是用限流孔成形的電子束。
McIntyre在美國專利No.3，924，153裡公開了一種試圖使用包圍電子槍的柵極到陽極區域的軸向園柱電極，減少電子束的徑向速度分量，來防止束髮散的電子槍。雖然McIntyre確實用了限束孔，但是他根本沒有談到關於產生層流及減小束散角的設計，而且也沒有採用使電子束截面成形的多個有孔陽極。此外，所用的孔也不是成像在靶子上。
Bates及其他人在美國專利No.3，980，919中公開了片狀電子束的形成過程。由於沒有用小的孔而用通過電子槍裡的透鏡中心部分的長焦距透鏡，使非對稱效應減小。他們用有孔電極產生所需的加速電場，但這些電極沒有阻止或限制電子束。沒有任何一個孔成像到靶子上。
Fukushima等人在美國專利No.4，467，243裡公開了一種使用有孔柵極和陽極的電子槍，其中第一個孔的直徑小於或等於第二個孔的直徑。用這種方法形成一個軸向均勻電場，產生恆定束流密度的層流電子束。他用磁聚焦方法而不是用孔形成電子束斑大小和形狀。
Gorski在美國專利No.4，481，445裡公開了一種雙電位電子槍，這種電子槍通過一系列從陰極開始孔徑不斷增大的有孔電極形成交迭電子束建立的場。
Kueny在美國專利No.4，496，877號裡公開了一種電子槍結構，試圖用場成形電極及電壓抵消第一交迭點的電子束髮散效應。這些孔用於形成電子束聚焦場，而不是用於阻截電子束。隨著離陰極距離的增加，孔徑保持相同或加大。
因此，本發明的總目的是給出使舒利萊恩暗場型光閥投射系統的設計和加工最佳化的改進方法。
本發明的另一更具體的目的是給出改善被投射的調製視頻場均勻性的光閥電子槍的改進方法。
本發明的再一個目的是給出電子槍的改進方法，降低對電極間的間隔及在舒利萊恩暗場型光閥中所加電壓的嚴格要求。
按照本發明，研究了一種改進的電子槍，對於給定的陰極溫度和陽極電壓給出最小束散角的電子束，產生最小離軸偏轉電子束象差，並且改進陽極孔的電子光學聚焦像的場深度。本發明給出一個具有可調束流密度的層流電子束，它具有特別適合於舒利萊恩暗場型光閥的在功率上有效的電子加速及成形電極系統。本發明的電子槍包括一個能在陰極溫度2000°K左右發出恆定的強電子流的陰極。採用不同的發射體材料時，陰極的溫度範圍為1200°K到3000°K。用多個有孔加速電極形成層流電子束。這些電極控制或阻截住由陰極發出的一部分電子流，去掉大部分橫向速度分量大的電子。同時，由於中間電極的工作電壓比最後電子束形成孔的電壓低，所以降低了電子槍所需功率，不然的話會引起槍內與熱有關的問題並且多消耗高壓電功率。從陰極起沿軸向配置的孔是逐步變小的。與此相反，先有技術的電子槍試圖用通過直徑相同或變大的孔的連續透鏡獲得層流。而舒利萊恩暗場型光閥用最後孔得到成像在控制層上的電子束形狀，為了減小偏轉電子束的束斑畸變，要求電子束的束散角小。本發明在低電壓和恆定的強束流密度下，沒有用約束磁場得到了小的束散角。
用於本發明光閥的層流電子槍不同於上面所提到的先有技術所用的電子槍，使用了平的陰極、柵極以及最少兩個，最好是三個加速陽極。柵極及所有加速陽極與陰極同軸，所有電極都有孔徑逐步變小的孔。加到這些帶孔電極上的電壓產生的靜電場使電子從陰極基本上以層流方式通過電子槍，減小穿過束成形孔的電子束束散角。在本電子槍設計中，沒有用電子束交迭點集中電荷獲得高電子束流密度。本電子槍不像大多數先有技術用的電子槍那樣，使具有很大橫向速度的電子形成的交迭點成像到最後收集電極上，形成高密度聚焦束斑。與此相反，電子束在束成形孔處成形，然後把這來自成形孔的小發散角、大束流密度的已成形電子束用電子光學方法成像到光閥轉動園盤的流體層上。
通過下面參照附圖的詳細敘述可以更好地理解本發明的其它目的、情況及優點。
其中，圖1是表示先有技術光閥投射系統結構的簡化剖面圖。
圖2是表示先有技術光閥投射系統的工作原理的簡化透視圖。
圖3是表示先有技術的光閥投射系統的調製偏轉系統的基本線路方框圖。
圖4是實施本發明的新型光閥主要部件的分解透視圖。
圖5是根據本發明改進的電子槍的剖面圖，顯示多個軸向分布有孔電極。
圖6A到6D是放大的電子槍部分的剖面圖，它表示出各個電極的結構並說明了靜電場在建立所需層流狀態中的作用。
圖7表示由本發明電子槍得到的電子束層流狀態的射線軌跡分析圖。
圖8表示由本發明的第二種設計得到的電子束層流狀態的射線軌跡分析圖。
圖9表示由本發明電子槍得到的電子束流密度圖。
在這些圖中，幾個圖所用的相同參考數字表示相同的或者說對應的元件。回過來再一次參照這些圖並著重參看圖4，它表示出新型舒利萊恩暗場光閥內部真空元件的分解透視圖。真空罩包括輸入窗51，聚焦偏轉園柱體52，具有用來安裝泵系統70的模成型凹座55的尾罩53，以及面板58。電子槍系統16與輸入窗51的中心孔相連，輸入狹縫或條紋板18形成在輸入窗51的內表面。其作用與以前這種類型的光閥相似。
聚焦和偏轉系統有三組電極。一組是四電極系統61，它有一對水平電極和一對垂直電極，該電極組接到輸入窗的中心孔附近。在園柱體52裡的一對垂直偏轉電極62和一對水平偏轉電極67組成第二組電極。第三組電極包括垂直偏轉電極63和水平偏轉電極65。如圖4所示，偏轉電極62、63、65及67由支架66支撐在園柱體52裡，支架66還起與各偏轉極板電連接的作用。在偏轉電極63和65以外尾罩53以內，有一個園柱形漂移環21，它與園盤83上的透明電極一起完成聚焦偏轉系統。
齒輪泵系統70安裝在尾罩53的凹座55上。該齒輪泵系統包括由磁鐵73驅動的裝在罩子72裡的齒輪71。磁鐵73與一個由電機(圖中未表示出)驅動的旋轉磁鐵互相連接，該電機與安在泵凹座55外面方向朝後的泵70同軸。磁鐵73有一個軸向屏蔽罩74，這樣磁鐵73的磁場不會影響到電子束。在光閥投射系統裡還有其他磁屏蔽措施以防止電子束受到在投射器附近的磁場或地磁場的影響。
一般來說，尾罩53，包括安裝系統70的凹座55在內，和面板58構成存放流體的儲槽24(它表示在圖1)。齒輪泵70裝在該儲槽上，它把液體經過過濾器76抽出。過濾器76夾在過濾器罩子77及多孔板78之間，整個過濾系統被固定在隔板81後面靠下部位。隔板81一般是一個園盤，具有向前凸出的，用來包住轉盤83的凸緣。轉盤83由軸承座84支撐並能轉動，裝在隔板81中心上的銷子穿過軸承座84。環形齒輪85與園盤83的周邊相接，由齒輪泵70突出的小齒輪75驅動該環形齒輪。
接到園柱體52側面的是一個真空保持器件89，它收集那些當外殼密封后仍殘存於殼內的氣體物質以及作為光閥工作產物的氣體。
現在參看圖5，電子槍16有一個由加熱體支架118支承著的電加熱陰極119，該加熱體支架118與置於絕緣盤127內並穿過127的連接件117相連。與陰極119同軸並相鄰的柵極110安裝在絕緣盤127和絕緣墊109之間。四個同軸準直的有孔電極111、112、113和123用絕緣件109、114、115及116器軸相間地安裝，該電子槍用密封膜片125封住。使用膜片125的目的在於把電子槍裝到光閥上之前封住它，並對它進行測試。當光閥體與一直密封著並經過測試的電子槍在輸入窗組裝在一起之後，用雷射束把膜片125去掉，這樣光閥的真空部分與電子槍的內部空間就互相溝通了，並且可使電子束進入光閥的聚焦和偏轉系統(圖1中的另件20)。
光閥系統裡的電子槍的作用是產生一束細小的，形狀一般為長方形的電子束，該電子束可用來把電荷圖樣沉積在光閥的控制層上。由電極111、112及113的形狀和間距，以及由加在這些電極上的適當電壓所產生的靜電場吸引由陰極119發出的電子向陽極113運動。陽極113有一個帶長方形孔的部件121，它允許一部分電子束進入電極123及膜片125之間的區域。
本發明的一個目的是產生具有最小束散角的大束流密度電子束，從而使電子光學成像的物孔的聚焦深度最深，減少柵掃描電子束的靶平面上的離軸象差。本發明的另一目的在於給出一個電子束流幅度可控的電子槍，而其電子束束散角對控制束的電流和/或電壓變化不很靈敏。先有技術的電子槍通常利用加速和聚焦的電場產生高束流密度區域，在該區域內，陰極發射的電子被輸送到交迭點，然後由該交迭點成像到電子放電器件的靶電極上。這就允許在要求較高束流密度的器件中使用陰極電流密度比較小的發射體。然而要想從這種電子槍得到所期望的層流電子流的束性能，往往需要在長焦距電子透鏡中使用高壓來防止這些交迭成像的電子束因離軸電子的大交迭入射角而產生的發散，同時防止電子束的熱運動相互排斥力。
現已確定，被偏轉的或離軸的電子束的象差隨電子束束散角的三次方增大。其次，可以證明，電子束束散角與電子速度的軸向及橫向分量的組合有關，這些關係可表示如下橫向速度≈
縱向速度≈Va x i s]]>式中K是玻爾茲曼常數Tk是陰極的絕對溫度e是電子電荷Vaxis是加速電場的軸向電壓分量。
對於本光閥系統，需要大約5微安的電子束流把電荷分布送到產生有效投射顯示的適當衍射光柵所需的控制層32上。在電子束掃描區域裡生成衍射光柵的均勻性正比於電子束成形孔121在控制層上電子光學成像的均勻性。而光柵的均勻性決定了光傳過光柵每一記錄單元的均勻性。因此光閥投射均勻照明的任一確定顏色光場能力，與電子束在控制層平面上的尺寸及形狀直接有關。記錄電子束的放大倍數、聚焦或形狀的任何變化都會引起光傳遞的變化。因此本發明的一個目的是當電子束由電子槍中的方形孔121發出來時，通過減少束散角使電子束記錄參數的不均勻影響減到最小。為了實現這一目的，本發明的電子槍基本上在成像孔121平面上形成層狀電子流，減小電子束的橫向速度分量，並提供具有適當電荷密度和很小束散角的電子束，以減小光閥裡偏轉束的象差。本電子槍陰極工作在2000°K左右以產生所需要的大約1.2安培/平方釐米的束流密度。該陰極溫度決定了通過陽極孔121的束流中某些電子的最大橫向速度分量，因此該溫度與最小束散角相關。對於電極113上使用大約7200伏電壓的這個電子槍，算出其熱束散角為0.56°。
圖6A表示一個簡單的二電極層流電子槍。如果要在孔121處實現所需層流狀態，則從陰極K流到電極A的電子流必須僅有縱向速度分量，而且有孔陽極的整個面積上必須接收到均勻束流密度的電子流。假設如圖6A所示的陰極K的電極形狀，柵極G、陽極A及電極間的場的形式，以及電壓是這樣的，使從直徑0.030英吋陰極發射的電子達到陽極A，形成大約1.2安培/cm2的所需層流電子束流密度，則電子槍陽極的功率為5.25×10-3安乘以7.2×10-3伏，即38瓦，以產生出4.8×10-6安培的所需記錄電子束流。這個功率在陰極生成的熱量遠遠超出所希望的600℃到1100℃溫度範圍，而且該功率消耗了高壓電能。
一種改進方案示於圖6B，其中輔助陽極A1放在柵極G，陰極K及原有帶孔陽極A2之間。該輔助電極所呈彎曲形狀與靜電場的等電位線形狀互相吻合，同時在較低電壓下工作，該電壓與電子束輸入點的電場電位相對應。輔助電極的孔徑要選擇得讓那部分在電極A2表面上形成均勻束流分布的層流電子束通過，而阻截住整個束流的相當大部分。在圖示情況，有89%束流被截住了，結果，電極A2的功率消耗降到僅僅4.2瓦。電極A1的功率取決於其上電壓，而這個電壓又取決於其電極間距離。
上述方案假定其他參數，如陰極直徑、陰極與陽極間的距離，可調到比較小的值。然而，發射體直徑選為0.30吋是保證光閥所需要的長壽命、強束流密度陰極的實用的最小尺寸。由於束散角與電子束的縱向速度(及陽極電壓)成反比，電極A2所加電壓範圍為7000到8000伏，以達到小於0.6總束散角的計算束散角。此外，低電壓增加了電子槍對不需要的磁場影響的靈敏度。因此，這種新型電子槍的最佳設計參數涉及到對陰極溫度，加速電壓，場及束成形電極和孔，電子束邊緣裁束，層流及束散場係數，功率消耗，機械、磁及電系統的靈敏度以及在光閥環境中電子槍狀態隨時間改變時槍流的穩定性等因素加以權衡。
從直徑為0.30吋的陰極著手，再考慮到上述的一般原則及各個參數，得出一種新型層流電子槍系統。對如圖6B、6C所示的電極A1、A2，柵極G1和陰極K之間的控制束流的靜電場的分析表明，可以對電極間距和電極A1孔直徑進行選擇，使通過A1孔從電極A2到G1和K的正電場恰好被從G和K到A1的負電場平衡，從而保持通過孔的所需層流。然而，當束流必須被控制時，引起束流減少，從而使A1孔處的束流密度降低的電極A1電壓的下降，被電極A1和A2間加大的電場強度抵消，造成電子束朝A2孔重新聚焦，並使束密度恢復到原有水平，雖然束散角略有增加。上述實例表明如何使該電子槍的設計對電壓變化不很靈敏。另一方面，當需要減少通過電極A2的電子束流時，柵極G1的負電位的增加將引起G1-K到A1的電場改變，並傾向於加大通過孔A1的束流密度，結果使調製信號基本上自失效，這是一種不希望有的性質。
該電子槍的又一發展表示在圖6D。在該實施例中，增加了第三個有孔電極，這樣就進一步降低了電子槍所需功率，提高了調製能力，減小了記錄電子束束散角隨控制束流的電壓的變化。該電子槍有陰極K，柵極G及第一有孔電極A1。電極A1在低正電位下工作，形成所期望的發射體電流密度，並使陰極K與電極A2、A3的電場部分地隔離開。有孔電極A2具有與圖6C電子槍相同的對層流聚焦及裁束作用，但是該電子槍的輸入電子束的聚焦場基本在電極A1及A2之間有效，而不在電極A1及K之間起作用。陽極A3有孔121並接收均勻束流密度的層流電子束。然後該電子束被孔121成形為所期望的方形截面，並以具有相當小束散角的電子束射入光閥。把束成形孔平面上的層流電子束流密度調節到所需值，可以控制該電子槍的電子束流而只造成電子橫向速度的極小變化，從而束流仍然保持著所需要的最小束散角。通過設置一系列具有孔徑隨離開陰極距離增加而減小的形成電場的有孔電極，這種多陽極設計還利用了整個陰極激活區的電子發射。形成層流的連續電子透鏡之間的相互作用，再加上用比電極A3電位低的電壓來阻擋電子束的邊緣部分，使電穩定性和機械穩定性達到極好水平，同時也避免了磁場在陽極A3平面與電子束的幹擾。雖然圖6D裡給出了控制柵極G1，但它在層流槍中不是必須的。陰極的非發射部分可提供一個適當的A1-K場確定的電極。G電極也可用負脈衝調製，以使在需要的地方對視頻或投射器控制電壓作出響應，截止住電子束。
圖7裡給出了這種層流槍的一個實施例的電子束射線軌跡，同時該圖表示出在陽極結構中，孔尺寸連續變小的作用。這種情況是針對具有直徑為0.30英吋、功率數為4電子伏特，在有限空間電荷模式下工作的陰極發射體和K到A1的距離為0.012吋、孔徑為0.020吋的電子槍計算的。電極A1到電極A2的距離為0.188吋，電極A2到電極A3的距離為0.220吋，電極A3上的方形孔121尺寸為0.00035×0.0018吋2。該電子槍的設計沒有用控制柵極。電極A1、A2及A3相對陰極K的電位分別為+60伏、+2800伏和+7200伏時，電子束流密度為1.15安培/平方釐米。為了進行該計算，假定發射電子在陰極表面初始速度為麥克斯韋(Maxwell)分布，速度矢量為朗伯(Lambert)分布。圖中所示射線軌跡表明了成像孔處的電子束是層流的。
圖8表示該層流槍設計的第二個實施例的電子束射線軌跡，它再次表明在電極結構中孔尺寸不斷變小的作用。這種情況是針對這麼一個電子槍計算的，該槍有個孔徑為0.110吋，在陰極前方0.020吋的控制柵極G1和一個直徑為0.30吋、功函數為4電子伏特，工作在有限空間電荷模式的陰極，電極K到電極A1的距離為0.040吋，電極A1的孔徑為0.016吋，電極A1到電極A2的距離為0.160吋，電極A2的孔徑為0.010吋，電極A2到電極A3的距離為0.220吋，電極A3的方形孔為0.00035×0.0018吋2。當G1、A1、A2及A3相對於陰極K的電位分別為-130伏、+300伏、+2000伏及+7200伏時，電子束流密度為1.15安培/平方釐米。如圖7所示的電子槍那樣，假定陰極表面發射電子的初始速度為麥克斯韋分布，而速度矢量為朗伯分布。該層流由所示射線軌跡表出。
用三個有嚴格的軸向距離和束直徑比的加速電極可單獨地調節和/或調製場孔處的電子束流密度，同時降低在第二和第三加速電極上施加的電壓的嚴格程度。靠近陰極的第一加速電極構成了一個電壓等於或接近該電極電壓的實際上的陰極，這使在通常電子槍中遇到的熱束散角減小。對小角度電子束流的主要控制方法是調節射到電子槍最後一個孔上的電子束流密度。電子槍裡的正負電子透鏡的互相作用可使層流狀態在很寬的束流範圍內保持到最後一個孔，從而保證電子槍輸出的電子束具有很小束散角。
圖9是具有柵極(如上所述)的本發明層流電子槍產生的電子束在A3孔平面不同徑向位置上的束流密度圖。
雖然本發明是通過具體的較佳實施例說明的，但是本領域的熟練人員將認識到，所做變動和修改不超出所附權利要求
的精神和範圍時，本發明可以付諸實踐。例如，能夠發射出所需束流密度的陰極可在1200°到3000°K範圍內工作，陽極電壓及各個間隔可調整到滿足所需要條件，同時保持層流及所期望的小束散角。
權利要求
1.一種舒利萊恩暗場型光閥用的層流電子槍，其特徵在於包括一個工作在大約2000°K溫度，產生大約1.2安培/平方釐米束流密度的陰極；一個有孔的第一電極，它靠近所述陰極並與該陰極同軸，其工作電壓為略高於所述陰極的正電壓，所述陰極和第一有孔電極一起構成一個電位等於或接近等於所述第一有孔電極電位的實際上的陰極；一個有孔的第二電極，它與所述第一有孔電極同軸並分開一段距離，其工作電壓為比所述陰極電壓高許多的正電壓，所述第二有孔電極的孔小於所述第一電極的孔；一個有孔的第三電極，它與所述有孔第二電極同軸並分開一段距離，其工作電壓高於第二有孔電極，所述第三電極的孔小於所述第一和第二電極的孔。
2.一種如權利要求
1所述的電子槍，其中第三電極的孔呈方形。
3.一種如權利要求
1所述的電子槍，其中，所述陰極直徑約為0.030吋，所述陰極與所述第一電極之間的距離為0.012到0.080吋數量級。
4.一種如權利要求
3所述的電子槍，其中所述第一電極與所述第二電極間的距離大約為0.188吋，所述第二電極與所述第三電極間的距離大約為0.22吋，所述第一電極的孔的直徑大約為0.02吋，所述第二電極的孔的直徑大約為0.01吋，所述第一電極的工作電壓範圍為+40伏到+80伏，所述第二電極的工作電壓範圍為+2000伏到+3000伏，而所述第三電極的工作電壓為大約+7200伏。
5.一種束流可調的層流電子槍，其特徵在於包括一個平的陰極、柵極和至少兩個加速陽極，離所述陰極最遠的加速陽極具有一個電子束成形孔，所述柵極和所述加速陽極與所述陰極在同一軸線上，每個所述加速陽極上帶有隨離開所述陰極距離的增加不斷減小孔徑的孔，所述加速陽極可與電源相接，生成靜電場，使電子能從陰極基本上以層流形式，在通過束成形孔的電子束中以最小束散角通過電子槍，電子束成形孔以電子光學方法成像到靶子上。
6.一種如權利要求
5所述的電子槍，其中有三個加速陽極。
7.一種如權利要求
5所述的電子槍，其中電子束成形孔為方形。
8.一種如權利要求
5所述的電子槍，其中，陰極的工作溫度範圍為1200°～3，000°K，它所產生的電子束流密度可達4安培/釐米2。
9.一種如權利要求
8所述的電子槍，其中第一加速陽極非常靠近所述陰極，所述第一加速陽極的工作電壓為略高於所述陰極電位的正電壓，所述陰極及所述第一加速陽極一起構成一個電位等於或大約等於所述第一加速陽極電位的實際上的陰極。
10.一種如權利要求
9所述的電子槍，其中有三個加速陽極，第二加速陽極的工作電位比所述陰極電位高，具有所述電子束成形孔的第三加速陽極的工作電位高於所述第二加速陽極的電位。
11.一種如權利要求
9所述的電子槍，其中該束成形孔為方形。
專利摘要
公開一種用於舒利萊恩暗場型光閥的層流電子槍。它採用三個具有嚴格的軸間距離與束直徑比的加速電極，可單獨調節和/或調製成像孔的束流密度，減小第二和第三加速電極上所加電壓的精密程度。第一加速電極很靠近陰極，形成電壓等於或約等於該電極電壓的實際陰極，減小熱束散角。小角束流的主要控制方法是調節最後孔上的束流密度。正、負電子透鏡使層流狀態保持到最後一個孔，保證電子束有小束散角。
文檔編號H01J29/56GK87106620SQ87106620
公開日1988年6月22日 申請日期1987年9月29日
發明者阿爾弗萊德·吉爾·羅森 申請人:通用電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan