JPH0211972B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は撮像管用電子銃、特に層流電子ビーム
を発生させる二極形電子銃に関する。 かかる電子銃はすでに特開昭50−39869号公報
に提案されている。この電子銃は第１図に示すよ
うに、熱陰極２１、ヒータ２２、グリツド電極２
３、アノード電極２４の他に、グリツド電極２３
と電気的に接続され、アパーチヤ２６を有する面
板２５から構成される。かかる構成による電子銃
においては、グリツド電極２３（面板２５を含
む）及びアノード電極２４に陰極電位より正の電
位が与えられる。かかる電子銃は二極形電子銃と
呼ばれ、所謂二極管的な動作をする。特に、熱陰
極２１及びグリツド電極２３間に電子レンズが形
成されないようにして熱陰極２１から放射された
電子ビームがクロスオーバしないようになし、こ
の電子ビームをグリツド電極２３に設けられたア
パーチヤ２６によつてその径を制限して小径を有
する電子ビーム２０を発生せしめる。また、グリ
ツド電極のアパーチヤ２６は第２図に示すように
陰極２１から離れる方へ大きくなるテーパ状の所
謂ナイフエツジになつており、アパーチヤの内壁
で生ずる散乱電子に起因するビーム径の増大を防
止することを目的としている。 しかしながら、第２図に示されるような理想的
なナイフエツジ状のアパーチヤを製作することは
極めて困難であり、また熱陰極から放射される電
子ビーム中には管軸に垂直な方向、すなわち半径
方向の速度成分を持つ電子も含まれているため
に、アパーチヤの内壁で生ずる散乱電子を十分に
抑えることはできない。したがつて、第１図の如
き構成による電子銃を用いた撮像管においては、
かかる散乱電子により特に画面周辺部へ偏向され
た電子ビームのスポツト径が増大するために画面
周辺部の解像度が著しく劣化してしまう欠点があ
る。 上述した二極形電子銃を応用したものであつ
て、グリツド電極及びアノード電極間に陰極の電
子放射に殆んど影響を及ぼさない電子集束レンズ
を形成して電子ビームを弱くクロスオーバさせる
ように構成した電子銃も提案されている（特開昭
54−129871号公報）。この電子銃は第３図に示す
ように、第１アパーチヤ２６を有するグリツド
（第１アノード）電極２３と、第２アパーチヤ２
８を有するアノード（第２アノード）電極２４
（アノード電極２４はアパーチヤ２８を有する板
部材２７によつて部分的に閉成されている）とを
備え、第１アパーチヤ２６の直径が第２アパーチ
ヤ２８の直径の少なくとも２倍とされ、第１アパ
ーチヤ２６が適切に小さく構成される。かかる電
子銃においては、グリツド電極２３に10乃至数十
ボルトの正電圧を供給し、かつグリツド電極に供
給する電圧の少なくとも10倍即ち少なくとも100
ボルトの正電圧をアノード電極２４に供給し、グ
リツド電極及びアノード電極間に陰極の電子放射
に殆んど影響を及ぼさないレンズ電界を形成する
ことによつて、グリツド電極２３における第１ア
パーチヤ２６を通過した電子ビームをクロスオー
バさせる。そして、0.05mm程度の直径を有する第
２アパーチヤ２８によつて通過ビーム電流量とビ
ーム発散角とを制御して小径を有する電子ビーム
２０を発生せしめる。この電子銃では、クロスオ
ーバを形成するために電子銃で発生される電子ビ
ームの電子群が有する速度分布幅は、陰極温度で
定められる速度分布幅よりもはるかに拡大された
ものになり、容量性残像は大きくなる欠点があ
る。 本発明は上述した如き欠点をことごとく除去す
るためになされたもので、より均一な管軸方向速
度分布を有する電子ビームを発生させ、ビジコン
形撮像管においてより高度の、かつ均一性に優れ
た解像度を達成でき、しかも低残像を達成し得る
二極形電子銃を提供することを目的とする。 かかる目的を達成するために、本発明において
は、電子銃を電子ビームを放射する熱陰極と、上
記電子ビームの径を制御する第１アパーチヤを有
するグリツド電極と、上記第１アパーチヤを通過
した上記電子ビームの一部を捕獲する第２アパー
チヤを有するアノード電極から構成すると共に第
１アパーチヤの直径を第２アパーチヤの直径以下
とする。そして、グリツド電極及びアノード電極
には、陰極電位より正の電位例えば５〜数10ボル
ト、100〜500ボルトをそれぞれ供給するようにし
てグリツド電極及びアノード電極間に一様な管軸
方向電界を形成させる。このようにグリツド電極
及びアノード電極間に一様な管軸方向電界を形成
して、電流密度が一定となる所謂層流電子ビーム
を形成する。 かかる構成による電子銃においては電子ビーム
は熱陰極からグリツド電極に設けられた第１アパ
ーチヤでその径が制限されて引出される。第１ア
パーチヤを通過した電子ビームには第１アパーチ
ヤで発生した散乱電子や熱陰極から放射された半
径方向の速度成分の大きな電子が含まれている
が、これらはアノード電極に設けられた第２アパ
ーチヤにより捕獲され、半径方向の速度成分の小
さい電子だけが第２アパーチヤを通過する。しか
も本発明の二極形電子銃によれば、陰極から放射
された電子ビームがクロスオーバを形成しないよ
うになすので、本発明の電子銃で発生される電子
ビーム中の電子が有する管軸方向の速度分布幅
は、陰極温度で定められる速度分布幅を実質的に
保持する。その結果、本発明の二極形電子銃を用
いた撮像管において、電子ビームのスポツト径増
大が抑えられ、従つて既知の二極形電子銃を用い
た撮像管に比べより高度の、かつ均一性に優れた
解像度が達成され、しかも低残像が達成される。 次に本発明の実施例を図面に従い説明する。 第４図は本発明電子銃の一実施例の断面図を示
す。本発明の電子銃は、右端に閉成端３２を有す
る円筒状のスリーブ３１と円筒スリーブ３１内に
配置されたヒータ３３を含む熱陰極３０を具備す
る。閉成端３２は電子放射材で作られたペレツト
を有し、平面状の陰極面を与える。ヒータ３３は
陰極面のペレツトから電子が放射するのに必要な
熱を与える。熱陰極３０から図に示す如くグリツ
ド電極４０及びアノード電極５０が互いに間隔を
隔てて配設されている。 グリツド電極４０はコツプ状部材４１と円板４
５とから構成される。このコツプ状部材４１は陰
極面に近接してほぼ平行に位置した平板部４２
と、スリーブ３１に同心的でスリーブ３１よりも
大きな内径を有し、熱陰極３０の方向に延長した
円筒部４３とを具えている。平板部４２はその中
心部に開孔４４が形成されていて、この開孔は隣
接するスリーブ３１の直径よりも小さい。円板４
５は、平板部４２の開孔４４の直径よりも大きく
かつ円筒部４３の内径よりも小さい直径を有し、
この円板４５は開孔４４に同心的にコツプ状部材
４１と電気的に接触し、そして平板部４２の陰極
面に近い方の面に配置されている。この円板４５
は平板部４２の厚さよりも薄い厚さの非磁性体か
らなり、その中心部に平板部４２の開孔４４より
もかなり小さい開孔４６が同心的に形成されてい
る。この開孔４６はその直径が陰極面に最も近い
側で最も小さく、陰極面から離れる程大きくなる
ようにテーパ状となつている。かくして、コツプ
状部材４１の開孔４４はテーパ状の開孔４６を有
する円板４５によつて部分的に閉成される。この
開孔４６がグリツド電極３０における第１アパー
チヤを与える。 アノード電極５０もまたコツプ状部材５１と円
板５６とから構成される。このコツプ状部材５１
はグリツド電極４０の平板部４２に近接して、ほ
ぼ平行に位置した平板部５２と、グリツド電極の
円筒部と同心的にほぼ同じ内径を有し、陰極３０
と反対の方向に延長した円筒部５３と、陰極３０
から最も遠い部分に舌状部５４とを具えている。
平板部５２にはその中心部に開孔５５が形成さ
れ、この開孔は隣接するグリツド電極４０の開孔
４４とほぼ同じ直径を有し、その中心軸は電子銃
の管軸（図では一点鎖線で示す）と一致してい
る。円板５６は平板部５２の開孔５５の直径より
も大きくかつ円筒部５３の内径よりも小さい直径
を有し、この円板５６は開孔５５上に同心的にコ
ツプ状部材４１と電気的に接触し、そして平板部
５２の陰極面から遠い方の面に配置されている。
かくして、平板部５２の開孔５５が円板５６によ
つて閉成される。円板５６は上述した円板４５と
同様に平板部５２の厚さよりも薄い厚さの非磁性
体からなり、その中心部に平板部５２の開孔５５
の直径よりもかなり小さいが、隣接するグリツド
電極の第１アパーチヤ４６の直径以上の直径を有
する開孔５７が形成されている。この開孔５７が
アノード電極５０における第２アパーチヤを与え
る。 かかる構成による電子銃においては、グリツド
電極４０には陰極電位より正の電位例えば５〜50
ボルト印加するようになし、アノード電極５０に
はこれより正の電位例えば100〜500ボルト印加す
るようになしてグリツド電極４０及びアノード電
極５０間に一様な管軸方向電界を形成させる。即
ち、電流密度の一定な、所謂層流電子ビームを形
成させる。更に詳細に説明すれば、今、空間電荷
制限で動作する平行平板電極からなる二極管に関
して、陰極及びアノード間の距離をｘ、陰極電位
に対するアノードの電位をＥとすると、アノード
電流密度Ｊは次のような式（チヤイルド−ラング
ミユア（Child−Langmuir）の式と呼ばれる）で
表わされる。 Ｊ＝2.335×10^-6・E^3/2／x²（アンペア／単位面積） ……（） 式（）は3/2乗則とも呼ばれ、Ｊが一定な系
では、 ｘ∝E^3/4又はＥ∝x^4/3 ……（） の関係が成り立つ。 次に、第４図に示した構成による電子銃におい
て層流電子ビームが形成されると、電流密度Ｊが
一定となるので、第５図に示すように陰極３０の
電位を０ボルト、グリツド電極４０の電位をE_c1
ボルト、アノード電極５０の電位をE_c2ボルト、
陰極３０のグリツド電極４０の第１アパーチヤ４
６との間隙距離（第４図の実施例においては陰極
面３２とグリツド電極の円板４５との間隙距離）
をｌ、グリツド電極の第１アパーチヤ４６とアノ
ード電極の第２アパーチヤ５７との間隙距離（第
４図の実施例においてはグリツド電極の円板４５
とアノード電極の円板５６との間隙距離）をＬと
すれば、これらは関係式（）から次の関係式を
満足する。 ｌ＋Ｌ／ｌ＝（E_c2／E_c1）^3/4 又はE_c2／E_c1＝（ｌ＋Ｌ／ｌ）４／３ ……（） 従つて、本発明では関係式（）をほぼ満足す
るように電位E_c1及びE_c2と距離ｌ及びＬが設定さ
れる。 次に、本発明に係る電子銃のいくつかの実例を
第１図に示した従来の電子銃と比較して説明す
る。 第５図は第４図に示した本発明の電子銃の要部
拡大断面図を示し、図示の如くグリツド電極４０
における平板部４２の厚みをＴ、開孔４４の直径
をD₁、円板４５の厚みをｔ、開孔（第１アパー
チヤ）４６の陰極面側の直径をd₁とし、そしてア
ノード電極５０における平板部５２の開孔５５の
直径D₂、円板５６の開孔（第２アパーチヤ）５
７の直径をd₂とする。アノード電極５０における
平板部５２及び円板５６の厚みはそれぞれグリツ
ド電極４０における平板部４２及び円板４５の厚
みＴ及びｔとほぼ同じである。 表１は、本発明の実例〜及び従来例のそれ
ぞれの寸法及び特性をまとめたものであり、寸法
としてはｌ、Ｌ、d₁、d₂及びd₂−d₁／Ｌを示し、特 性としてはビーム電流i_A、画面中心振幅変調度
AR_ce及び解像度均一性_c0／AR_ceを示した。表
１に示した以外の寸法に関して、従来例と実施例
〜についてはｔ＝0.03mm、Ｔ＝0.18mm、D₁＝
D₂＝0.9mmであり、実例についてはｔ＝0.03mm、
Ｔ＝0.12mm、D₁＝D₂＝0.65mmである。また、動作
電位に関しては、すべての例について陰極の電位
を０ボルト、グリツド電極の電位E_c1を５〜30ボ
ルト、アノード電極の電位E_c2を150〜300ボルト
とし、層流電子ビームが形成されるように設定し
た。 以下、本発明の諸特性と効果に関し表１を参照
して説明する。まず、ビーム電流量i_Aと画面中心
振幅変調度AR_ceについて説明する。ここで、ビ
ーム電流量i_Aは陰極電流密度が1A／cm²の時、グ
リツド電極４０における第１アパーチヤ４６を通
過する電子ビームの電流量である。また、画面中
心振幅変調度AR_ceは一般に解像度に対応する。
第６図は横軸に第１アパーチヤ４６の直径d₁、縦
軸にビーム電流量i_A及び画面中心振幅変調度

【表】 AR_ceをとり、表１の各値をプロツトしたもので
ある。図において、黒丸がビーム電流量i_A、白丸
が画面中心振幅変調度AR_ceを示す。図から明ら
かなように、ビーム電流量i_Aは第１アパーチヤの
直径d₁に比例して増加するが、一方振幅変調度
AR_ceは第１アパーチヤの直径d₁に逆比例して低
下する傾向にある。通常のビジコン形撮像管で
は、動作に必要なビーム電流量は最大数十μA必
要であり、この為には第１アパーチヤの直径d₁を
大きくすればよいが、このようにビーム電流量を
大きくすべく第１アパーチヤの直径d₁を大きくす
ると、振幅変調度AR_ceが低下してしまい、充分
な解像度が得られなくなつてくる。一方、電流密
度を大きくしてビーム電流量を大きくすることが
考えられるが、熱陰極の電子放射能力（電流密
度）には限界があり、安定な動作を得るために
は、酸化物陰極では0.5A／cm²程度、含浸形陰極
でも2A／cm²程度が限界である。したがつて、第
１アパーチヤの直径d₁には好適な範囲があり、本
発明においては、0.01mm≦d₁≦0.05mmとすれば動
作に必要なビーム電流が得られ、かつ充分な解像
度が得られる。 次に、解像度均一性_c0／AR_ceについて説明
する。ここで、解像度均一性_c0／AR_ceは画面
周辺部での振幅変調度（解像度）_c0と画面中
心部での振幅変調度（解像度）AR_ceの比である。 ところで、撮像管の解像度は光導電ターゲツト
に入射される電子ビームのスポツト径と密接に結
びついており、このスポツト径が細くなればそれ
だけ解像度も向上する。しかしながら、集束され
た電子ビームの実現可能な最小直径は電子の熱初
速度分散、空間電荷効果および集束系のもつ球面
収差などによつて制限される。 特に撮像管ではビーム電流が小さいことから、
画面中央部のスポツト径D_ceは熱初速度分散と球
面収差により決定される。更に電子銃からの電子
ビームの発散角が小さいために熱初速度分散の効
果が大きく、これが実質的に中心スポツト径D_ce
を決定している。熱初速度分散に起因するスポツ
ト径D_Lは次のラングミユア（Langmuir）の式か
ら求められる。 ここに、ρ_cはカソードでの電流密度、Ｔはカソ
ード温度、θは集束点へのビーム集束角（撮像管
では主レンズ系の角度倍率が１に近いために、θ
は電子銃のビーム発散角にほぼ等しい）、Ｖは集
束点の電位、i_Bはビーム電流、ｋとｅは各々ボル
ツマン定数、と電子の電荷量（絶対値）である。
式（）より中心スポツト径D_ceは実質的に電子
銃のビーム発散角に逆比例することになる。 一方、画面周辺部のスポツト径D_c0は、偏向系
の持つ偏向収差により中心スポツト径D_ceよりも
増大する。偏向収差は電子銃のビーム発散角に比
例（もしくは２乗比例）して増大する傾向にあ
る。 従つて周辺と中心のスポツト径の比を考えると
これは電子銃の発散角に比例して増大することに
なる。 D_c0／D_ce∝（ビーム発散角）² ……（） ビーム発散角は電子銃の特性として決定される
が、グリツド電極での散乱電子をも考慮すると、
グリツド電極の第１アパーチヤ径d₁とアノード電
極の第２アパーチヤ径d₂と両アパーチヤ間隙Ｌに
より定まる角度tan^-1d₂−d₁／2Lに実質的に近い値と なる。従つて、スポツト各比は式（）から D_c0／D_ce∝（d₂−d₁／Ｌ）² ……（） の関係で定まると考えられ、振幅変調度（解像
度）が実質的にスポツト径に逆比例することか
ら、解像度の均一性は AR_c0／AR_ce∝（d₂−d₁／Ｌ）^-2 ……（） となり、パラメータd₂−d₁／Ｌに逆比例することが 予想される。 第７図は横軸にパラメータd₂−d₁／Ｌ、縦軸に振 幅変調度（解像度）均一性_c0／AR_ceをとり、
表１に示した各実例の値をプロツトしたものであ
る。図から明らかなように、均一性はd₂−d₁／Ｌに 逆比例して低下しており、式（）をほぼ満足し
ている。従つて、均一性の優れた解像度を得るた
めにはパラメータd₂−d₁／Ｌを適切に小さくするこ とが望ましい。図から明らかなように本発明の電
子銃においては、従来例よりもすぐれた振幅変調
度均一性を達成するためにパラメータd₂−d₁／Ｌの 上限を0.2とするのが望ましく、0.2より大きくし
ても振幅変調度均一性はほとんど変化しない。即
ち、振幅変調度均一性は0.14で飽和してしまう。
従つて、本発明の電子銃においては ０≦d₂−d₁／Ｌ≦0.2 ……（） とするのが望ましく、従来例に比べ解像度均一性
を向上せしめることができる。 以上説明したごとく本発明によれば、動作に必
要なビーム電流を確保し、かつ画面周辺部の振幅
変調度（解像度）を向上し、解像度の画面内均一
性を格段に高め、しかもクロスオーバのない層流
電子ビームを形成して低残像を達成し得る撮像管
用電子銃を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２極形電子銃の断面図、第２図
は第１図の電子銃の要部拡大図、第３図は他の従
来の２極形電子銃の断面図、第４図は本発明電子
銃の一実施例の断面図、第５図は第４図の電子銃
の要部拡大図、第６図及び第７図は本発明の電子
銃の特性を説明するための図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子ビームを発生する熱陰極と、その後段に
   配置され第１の開孔を有するグリツド電極と、上
   記熱陰極と上記グリツド電極の間で上記グリツド
   電極と電気的に接続され上記第１の開孔の直径よ
   りも小さい直径の第１アパーチヤを有する第１の
   円板と、上記グリツド電極の後段に配置され第２
   の開孔を有するアノード電極と、上記アノード電
   極に上記熱陰極の反対側で電気的に接続されかつ
   上記第２の開孔の直径よりも小さい直径の第２ア
   パーチヤを有する第２の円板とを備え、上記第１
   アパーチヤの直径を上記第２アパーチヤの直径以
   下とすると共に、上記グリツド電極には陰極電位
   より正の電位を与え、上記アノード電極にはグリ
   ツド電極電位より正の電位を与え、そして第１ア
   パーチヤの直径d₁、第２アパーチヤの直径d₂及び
   両アパーチヤの間の距離Ｌとが ０d₂−d₁／Ｌ0.2 を満足するように構成したことを特徴とする電子
   銃。