ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР Российский патент 1998 года по МПК H01J31/08 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к кинескопам высокой яркости, и может быть использовано в проекционном телевидении.

Известен электронно-лучевой прибор, содержащий внутри стеклянной вакуумной оболочки катод, модулятор, ускоряющий электрод, апертурную диафрагму, ускоряющую спираль, приэкранный электрод и лазерный экран, а вне оболочки юстировочные катушки, стигматор, фокусирующую магнитную катушку и отклоняющую электромагнитную систему (Котовщиков Г.С., Меерович Г.А., Уласюк В.Н., Электронно-лучевой прожектор для возбуждения полупроводникового лазера, Труды МФТИ, серия "Радиотехника и электроника", 1974, N 7, с.131-140).

В данном приборе катод находится под низким напряжением, а полное высокое напряжение подается на лазерный экран. Напряжение запирания электронного пучка на модуляторе составляет примерно 150 В. Охлаждение лазерного экрана осуществляется жидким азотом, через который выводится излучение.

Недостатками устройства являются: рассеивание излучения лазерного экрана кипящим азотом, что не позволяет осуществить качественный перенос изображения на внешний экран; достаточно высокий потенциал запирания, что приводит к сужению частотной полосы видеоусилителя или к его усложнению; низкое полное ускоряющее напряжение (не выше 50 кВ), что ухудшает характеристики лазерного экрана; существенные трудности в организации защиты от рентгеновского излучения.

Известна электронно-лучевая трубка "квантоскоп", содержащая внутри стеклянного вакуумного баллона с токовводами модулирующий электрод с катодом, ускоряющий электрод с вырезывающей диафрагмой, фокусирующий электрод, внутреннее проводящее покрытие, встроенный гетерно-ионный насос, лазерный экран в виде активного слоя с зеркалами, приклеенного к лейкосапфировому хладопроводу, переходную коваровую вставку, закрепляющую хладопровод в баллоне (Уласюк В.Н., Квантоскопы, М. Радио и связь, 1988, с. 105).

В этой трубке полное высокое отрицательное напряжение до 65 кВ прикладывается к катоду. Лазерный экран находится под нулевым потенциалом. Амплитуда модулирующего сигнала 100 - 150 В. Необходима внешняя защита от рентгеновского излучения. Видеосигнал на несущей частоте передается на "высокую" сторону с помощью оптронной пары - лазерного диода и ФЭУ, изолированных друг от друга на полное напряжение слоем диэлектрика. Этот сигнал детектируется, усиливается и подается на управляющий электрод квантоскопа.

Недостатками устройства являются: сложное устройство видеотракта и высокий потенциал запирания электронного пучка, не позволяющие получить достаточно широкую полосу видеотракта, что снижает качество изображения; достаточно большой диаметр электронного пучка, не позволяющий перейти на стандарт телевидения высокой четкости.

Наиболее близким к изобретению является электронно-лучевой прибор, содержащий в металлическом корпусе вакуумируемую оболочку и размещенные в ней электронную пушку с острийным катодом, фокусирующим электродом и заземленным анодом, модулятор с отклоняющими и корректирующими пластинами и диафрагмой, аберрационную диафрагму и лазерный экран в криостате, а также фокусирующую и отклоняющую систему вне оболочки (Насибов А.С., Папуша В.П., Козловский В.И. , Электронно-лучевая трубка с лазерным экраном. Квантовая электроника, 1974, т.I. с. 354).

Эта трубка является разборной с малым диаметром электронного пятна на лазерном экране. Высокое напряжение прикладывается также к катоду, размещенному на керамическом изоляторе - высоковольтном вводе. Однако модулятор находится при низком напряжении. Используется ускоряющее напряжение 50 - 75 кВ.

Недостатками устройства являются: громоздкость как электронно-лучевой трубки, так и источников питания высокого напряжения; высокое напряжение запирания модулятора (200 - 300 В) и высокая тепловая нагрузка на модулирующую диафрагму.

Целью изобретения является уменьшение габаритов электронно-лучевого прибора с лазерным экраном, габаритов источника высокого напряжения, а также уменьшение напряжения запирания тока электронного пучка.

Поставленная цель достигается тем, что электронно-лучевой прибор содержит в металлическом корпусе вакуумируемую оболочку и размещенные в ней электронную пушку с высоковольтным вводом, модулятор с аберрационной диафрагмой и закрепленный на металлическом хладопроводе лазерный экран с электропроводящим покрытием и диэлектрической подложкой, а также электромагнитные фокусирующую и отклоняющую системы вне оболочки, причем оболочка содержит дополнительный высоковольтный ввод, имеющий электрический контакт с электропроводящим покрытием лазерного экрана, которое изолировано с помощью диэлектрического экрана, закрепленного на диэлектрической подложке лазерного экрана. Кроме того, диэлектрический экран имеет две поверхности, на внутреннюю поверхность, облучаемую вторичными электронами, нанесено высокоомное электропроводящее покрытие, имеющее электрический контакт с покрытием лазерного экрана, внешняя поверхность диэлектрического экрана гофрирована, а толщины и материал диэлектрической подложки, диэлектрического экрана, скрепляющего слои между ними, длина гофрированного участка и кратчайшее расстояние по вакуумному промежутку от покрытий до хладопровода и корпуса прибора превышают пробойные значения для рабочего напряжения между электропроводящим покрытием лазерного экрана и корпусом прибора.

При этом диэлектрический экран может быть выполнен в виде шайбы, у которой поверхность с покрытием образует одну плоскость с поверхностью лазерного экрана, облучаемой электронным пучком, или в виде сужающейся в сторону диафрагмы трубки, на свободном торце которой между диафрагмой и фокусирующей системой расположен электрод, имеющий контакт с высокоомным покрытием и образующий с диафрагмой и корпусом прибора иммерсионную электронную линзу.

Сущность изобретения заключается в том, что полное ускоряющее напряжение U_п разбивается примерно на две равные части. На катод электронной пушки подается отрицательное напряжение, равное примерно -U_п/2, а на лазерный экран - положительное напряжение, равное примерно +U_п/2.

В результате чего:
напряжение запирания тока электронного пучка, пропорциональное напряжению между катодом и анодом в электронной пушке, снижается в 2 раза при тех же размерах пластин модулятора;
размеры высоковольтного изолятора в электронной пушке и вакуумные зазоры между электродами и стенками вакуумируемой оболочки, а также толщины высоковольтных кабелей уменьшаются более, чем в 2 раза;
источник высокого напряжения теперь состоит из двух источников на половинное ускоряющее напряжение, в качестве которых могут быть использованы типовые малогабаритные источники питания для телевизионных приемников;
из двух основных источников рентгеновского излучения: аберрационной диафрагмы и лазерного экрана, остается по существу лишь лазерный экран, что приводит к существенному упрощению защиты от рентгеновского излучения;
примерно вдвое уменьшается средняя энергия положительных ионов, бомбардирующих катод (ионы, ускоренные во втором ускоряющем промежутке, практически не попадают в катод), что приводит к увеличению его срока службы.

Кроме того, в варианте исполнения диэлектрического экрана в виде трубки существенно уменьшаются габариты электромагнитной фокусирующей системы поскольку вместо бронированной многовитковой линзы достаточно оставить лишь малоиндуктивную и малогабаритную катушку динамической фокусировки.

В варианте исполнения диэлектрического экрана в виде шайбы образуется слабая электронная линза, которая практически не влияет на фокусировку, хотя и несколько искажает геометрические параметры растра (линейность, размах). Эти искажения легко могут быть исправлены изменением сигналов коррекции геометрических искажений в соответствующих катушках, предусмотренных в отклоняющей системе. Однако тот факт, что ускоряющий промежуток находится вне основного поля действия отклоняющей и фокусирующей систем, позволяет существенно уменьшить токи фокусировки и отклонения, что приводит к уменьшению габаритов и увеличению надежности соответствующих источников токов отклонения и фокусировки, облегчить температурный режим работы соответствующих электромагнитных катушек, облегчить режим их термостабилизации.

Пропорция, в которой делится полное ускоряющее напряжение на два ускоряющих напряжения, может быть иной (не только 1 : 1), но важное отличие данного предложения заключается в том, что в электронно-лучевом приборе используются как отрицательное высокое напряжение, так и положительное высокое напряжение, а модулятор находится под низким напряжением. Если большая часть полного ускоряющего напряжения прикладывается к электропроводящему покрытию лазерного экрана, то упрощаются модуляция, фокусировка и отклонение электронного пучка, что ведет к уменьшению габаритов прибора, но усложняется развязка по высокому напряжению электропроводящего покрытия лазерного экрана от хладопровода, находящегося под потенциалом корпуса прибора. Если большая часть полного ускоряющего напряжения приходится на электронную пушку, то увеличиваются габариты прибора и систем питания, однако упрощается организация эффективного теплоотвода от лазерного экрана, что может привести к увеличению общей световой мощности излучения.

Используемый в настоящее время лазерный экран представляет собой монокристаллическую полупроводниковую пластину толщиной не более 50 мкм и диаметром до 50 мм с зеркальными покрытиями на обеих сторонах, приклеенную к прозрачной хладопроводящей подложке диаметром 60 мм и высотой 10 мм. Покрытие со стороны облучения электронным пучком делается электропроводящим. Световое излучение выходит через свободную поверхность подложки. Закрепление подложки на хладопроводе осуществляется путем зажима этой подложки металлическим кольцом по боковой поверхности. Из вышесказанного ясно, что изолировать пластину с электропроводящим покрытием на высокое напряжение 25 - 40 кВ можно, только применив дополнительный диэлектрический экран между хладопроводом и пластиной с электропроводящим покрытием. Диэлектрический экран может быть приклеен либо к боковой поверхности подложки, либо к поверхности, к которой приклеена полупроводниковая пластина, вне этой пластины. В первом случае тепловой контакт с хладопроводом должен быть осуществлен не по всей боковой поверхности подложки, а лишь на ее нижней части, отдаленной на некоторое расстояние от пластины. Верхняя часть подложки используется для закрепления на ней диэлектрического экрана. Толщина подложки может быть увеличена.

При использовании диэлектрического экрана в виде трубки, он может быть закреплен на диэлектрической подложке путем приклейки при температурах, близких к комнатной. Закрепление путем приварки или склейки при высокой температуре возможно только для лазерных экранов, в которых закрепление полупроводниковой пластины на подложке осуществлено без применения органического клея. В настоящее время такие экраны только разрабатываются.

При использовании диэлектрического экрана в виде шайбы его закрепление на подложке может быть осуществлено и методом сварки. В этом случае полупроводниковая пластина приклеивается к подложке с уже наваренным диэлектрическим экраном.

Если оболочка не содержит дополнительный высоковольтный ввод или этот ввод не имеет электрический контакт с электропроводящим покрытием лазерного экрана, то на это покрытие нельзя подать высокий потенциал.

Если на внутреннюю поверхность диэлектрического экрана, облучаемую вторичными электронами, не нанесено электропроводящее покрытие, то эта поверхность будет заряжаться и создавать электрические поля, вызывающие расфокусировку электронного пучка и искажения в растре, что ухудшает качество изображения. Аналогичный эффект будет возникать, если электропроводящее покрытие диэлектрического экрана не будет иметь электрический контакт с покрытием лазерного экрана.

Если электропроводящее покрытие диэлектрического экрана будет низкоомным, то находясь в электромагнитном поле отклоняющей системы и в поле катушки динамической фокусировки, оно будет уменьшать эффективность отклонения и динамической фокусировки.

Если внешняя поверхность диэлектрического экрана будет не гофрирована, то его общая площадь будет чрезмерно большой, что увеличит габариты прибора в целом, особенно в случае, когда диэлектрический экран выполнен в форме шайбы.

Если толщины и материал диэлектрической подложки, диэлектрического экрана, клеевого слоя, длина гофрированного участка и кратчайшее расстояние от покрытий до хладопровода и корпуса прибора не будут превышать пробойные значения для рабочего высокого напряжения между электропроводящим покрытием лазерного экрана и корпусом прибора, то электронно-лучевой прибор не сможет работать при данном рабочем напряжении из-за электрических пробоев между этим покрытием и корпусом прибора.

Если в случае использования диэлектрического экрана в виде шайбы его поверхность с покрытием не образует единую плоскость с поверхностью лазерного экрана, облучаемой электронным пучком, то вблизи образовавшихся выступа или уступа появится неоднородное электрическое поле, вызывающее геометрические искажения растра.

Если в случае использования диэлектрического экрана в виде трубки со свободным торцом, расположенным между диафрагмой и фокусирующей системой, трубка не будет сужаться в сторону диафрагмы, то внутренний размер фокусирующей и отклоняющей систем будет велик и их эффективность низка.

Имеется много вариантов конструкции иммерсионной электронной линзы, образованной электродом, расположенным на торце диэлектрической трубки - экрана, аберрационной диафрагмой и корпусом прибора. В частности, электрод может быть выполнен в виде тонкого цилиндра или диафрагмы с отверстием, соосным с отверстием аберрационной диафрагмы. При этом электрод должен находиться от корпуса прибора на расстоянии, превышающем пробивное значение. Кроме того, для уменьшения аберрации электронной линзы в отверстии аберрационной диафрагмы не должно быть поля с высокой напряженностью, а фокусирующее неоднородное электрическое поле должно быть сосредоточено вблизи входа электронного пучка в торец диэлектрической трубки.

Если электрод, являющийся деталью, отполированной по высокому классу чистоты, не располагать на торце диэлектрической трубки - экрана, то неровности торца трубки и напыления электропроводящего высокоомного покрытия приведут к увеличению аберраций образующейся электронной линзы, что приведет к увеличению диаметра электронного пятна на лазерном экране и к уменьшению эффективности его излучения. Из этих же соображений прилегающий к этому электроду участок корпуса прибора и аберрационная диафрагма должны быть точно изготовлены и отполированы.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - вакуумируемая оболочка; 2 - электронная пушка; 3 - керамический изолятор (высоковольтный ввод); 4 - катод; 5 - фокусирующий электрод; 6 - анод; 7 - модулятор; 8 - отклоняющие пластины; 9 - корректирующие пластины; 10 - аберрационная диафрагма; 11 - керамическая вставка; 12 - электромагнитная фокусирующая система; 13 - электромагнитная отклоняющая система; 14 - дополнительный высоковольтный ввод; 15 - электропроводящее покрытие; 16 - полупроводниковая пластина; 17 - диэлектрическая подложка; 18 - металлический хладопровод; 19 - выходное окно; 20 - электрод диэлектрической трубки; 21 - высокоомное электропроводящее покрытие; 22 - диэлектрическая трубка; 23 - диэлектрическая шайба; 24 - ввод хладагента; e^- - электронный пучок; hν - электромагнитное излучение; пунктир - эквипотенциальные линии электрического поля.

На фигурах схематично представлен продольный разрез электронно-лучевого прибора с диэлектрическим экраном в виде шайбы (фиг.1) и в виде трубки (фиг. 2).

Электронно-лучевой прибор содержит в вакуумируемой оболочке 1 электронную пушку 2, состоящую из керамического изолятора 3, катода 4, фокусирующего электрода 5, анода 6, имеющего электрический контакт с металлическим корпусом вакуумируемой оболочки 1; модулятор 7, состоящий из отклоняющих пластин 8, корректирующих пластин 9 и аберрационной диафрагмы 10, имеющей электрический контакт с металлическим корпусом вакуумируемой оболочки 1; лазерный экран, состоящий из электропроводящего покрытия 15, полупроводниковой пластины 16 с полупрозрачным зеркалом (не показано) и диэлектрической подложки 17; металлический хладопровод 18, имеющий ввод хладагента 24, омывающего внутренние стенки хладопровода 18; диэлектрический экран в виде диэлектрической трубки 22 с электродом 20 (фиг.1) или в виде диэлектрической шайбы 23 (фиг.2) с высокоомным электропроводящим покрытием 21, приклеенный к диэлектрической подложке 17; и дополнительный высоковольтный ввод 14. Вакуумная оболочка 1 имеет выходное окно 19, выполненное из свинцового стекла, и керамическую вставку 11, на которой вне вакуумируемого объема в металлическом корпусе размещены электромагнитные фокусирующая система 12 и отклоняющая система 13. Металлическая часть оболочки 1, металлический корпус электромагнитных систем 12 и 13 образуют металлический корпус электронно-лучевого прибора. Металлический проводник дополнительного высоковольтного ввода 14 имеет электрический контакт только с покрытиями 21 и 15 (фиг.2) или с покрытиями 21 и 15 и с электродом диэлектрической трубки 20. "Плюс" высоковольтного источника питания электронной пушки 2 соединен с "минусом" высоковольтного источника питания, подающего положительное высокое напряжение через ввод 14 на лазерный экран, и заземлен вместе с металлическим корпусом электронно-лучевого прибора (источники питания высокого напряжения на фигурах не показаны).

Электронно-лучевой прибор работает следующим образом.

На катод 4 и фокусирующий электрод 5 электронной пушки 2 подается отрицательное высокое напряжение. Керамический изолятор 3 предохраняет от пробоя высокого напряжения на металлический корпус вакуумируемой оболочки 1. Кроме того, на катод 4 подается ток накала, который приводит катод 4 в рабочее состояние, а на фокусирующий электрод 5 подается необходимое отрицательное относительно катода напряжение, формирующее электронный пучок e^-. Электронный пучок e^-, прошедший отверстие в аноде 6, попадает в модулятор 7, где отклоняется отклоняющими пластинами 8 и его траектория корректируется корректирующими пластинами 9 под действием модулирующего сигнала, поступающего на пластины. Отклоненный и откорректированный пучок e^- частично перекрывается аберрационной диафрагмой 10.

В варианте, изображенном на фиг. 1, прошедший через отверстие диафрагмы 10 электронный пучок e^- ускоряется в промежутке между диафрагмой 10 и электродом 20, на который через дополнительный высоковольтный ввод 14 и высокоомное электропроводящее покрытие 21 подается положительное высокое напряжение. Кроме того, в этом промежутке происходит грубая фокусировка электронного пучка e^-. Тонкая фокусировка производится катушкой динамической подфокусировки электромагнитной фокусирующей системы 12 при подаче на нее соответствующих сигналов. Далее электромагнитная отклоняющая система 13 отклоняет пучок e^- в заданную точку лазерного экрана при подаче на нее сигналов отклонения.

В варианте, изображенном на фиг. 2, прошедший отверстие диафрагмы электронный пучок e^- сначала фокусируется электромагнитной фокусирующей системой 12 и отклоняется электромагнитной системой отклонения 13 в заданную точку лазерного экрана, а затем ускоряется электрическим полем, образующимся вблизи лазерного экрана после подачи на него высокого потенциала. Малые искажения геометрии растра исправляются подачей соответствующих сигналов в корректирующие катушки электромагнитной отклоняющей системы 13.

Участок полупроводниковой пластины 16, возбужденный электронным пучком e^-, генерирует электромагнитное излучение hν которое выходит через диэлектрическую подложку 17 и выходное окно 19 наружу. Тепло, выделяемое в полупроводниковой пластине 16, отводится через диэлектрическую подложку 17, хладопровод 20 к жидкому или газообразному хладагенту, который поступает в хладопровод 20 через ввод хладагента 24. Избыточный заряд, вносимый в полупроводниковую пластину 16 электронным пучком e^-, и заряд, вносимый на внутреннюю поверхность диэлектрического экрана 22 или 23, стекает к дополнительному высоковольтному вводу 14 через электропроводящие покрытия 15 и 21.

Цепь тока высоковольтного источника питания (первого) электронной пушки 2 следующая: "минус" - катод 4 высокого напряжения - электронный пучок e^- -аберрационная диафрагма 10 - заземленный "плюс" - внутреннее сопротивление источника - "минус" высокого напряжения или "минус" высокого напряжения - катод 4 - электронный пучок e^- - полупроводниковая пластина 16 - электропроводящее покрытие 15 - электропроводящее покрытие 21 - дополнительный высоковольтный ввод 14 - "плюс" высокого напряжения второго источника питания - внутреннее сопротивление этого источника - его заземленный "минус" - заземленный "плюс" первого источника - внутреннее сопротивление первого источника - его "минус" высокого напряжения. Вторая цепь тока первого высоковольтного источника питания является также цепью тока для второго источника питания, подающего высокий потенциал на лазерный экран.

Использование: электронная техника, в частности кинескопы высокой яркости, например, в проекционном телевидении. Сущность изобретения: электронно-лучевой прибор содержит электронную пушку с высоковольтным вводом, электростатический модулятор, аберрационную диафрагму, фокусирующую и отклоняющую системы, лазерный экран, закрепленный на металлическом хладопроводе, дополнительный высоковольтный ввод, подающий высокий положительный потенциал на лазерный экран, и диэлектрический экран, изолирующий лазерный экран от хладопровода. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронно-лучевой прибор, содержащий в металлическом корпусе вакуумируемую оболочку и размещенные в ней электронную пушку с высоковольтным вводом, модулятор с оберрационной диафрагмой и закрепленный на металлическом хладопроводе лазерный экран с электропроводящим покрытием и диэлектрической подложкой, а также электромагнитные фокусирующую и отклоняющую системы вне оболочки, отличающийся тем, что оболочка содержит дополнительный высоковольтный ввод, имеющий электрический контакт с электропроводящим покрытием лазерного экрана, которое изолировано от хладопровода с помощью диэлектрического экрана, закрепленного на диэлектрической подложке лазерного экрана. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический экран имеет две поверхности, на внутреннюю поверхность, облучаемую вторичными электронами, нанесено высокоомное электропроводящее покрытие, имеющее электрический контакт с покрытием лазерного экрана, внешняя поверхность диэлектрического экрана гофрирована, а толщины и материала диэлектрической подложки, диэлектрического экрана, скрепляющего слоя между ними, длина гофрированного участка и кратчайшее расстояние по вакуумному промежутку от покрытий до хладопровода и корпуса прибора превышают пробойные значения для рабочего напряжения между электропроводящим покрытием лазерного экрана и корпусом прибора. 3. Прибор по п.2, отличающийся тем, что диэлектрический экран выполнен в виде шайбы, у которой поверхность с покрытием образует одну плоскость с поверхностью лазерного экрана, облучаемой электронным пучком. 4. Прибор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что диэлектрический экран выполнен в виде сужающейся в сторону диафрагмы трубки, на свободном торце которой между диафрагмой и фокусирующей системой расположен электрод, имеющий контакт с высокоомным покрытием и образующий с диафрагмой и корпусом прибора иммерсионную электронную линзу.