Brevet FR2886760A1 — publié le 20061208

L'invention concerne un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques et notamment un canon à électrons dans lequel une précorrection de l'astigmatisme est réalisée dans la partie basse du canon, c'est-à-dire dans la région de formation du faisceau d'électrons entre la cathode et la lentille principale. L'invention concerne également un tube à rayons cathodique appliquant un tel canon à électrons. Dans un canon à électrons pour tube cathodique on utilise une lentille principale (G8-G9 sur la figure 1) qui focalise le faisceau électronique au centre de l'écran ainsi qu'une lentille de pré focalisation (G3-G4-G5) qui ajuste la taille de notre faisceau et enfin une BFR (région de formation du faisceau) G1-G2 qui compose notre source émissive. Dans l'étude d'un canon statique la résolution à l'écran est fortement dépendante de l'allure du faisceau électronique formé par le canon. La tendance actuelle est de fabriquer des tubes assurant des déflexions des faisceaux électroniques pouvant être supérieures à 110 degrés de façon à réduire la profondeur des tubes. Ces déflexions importantes engendrent des distorsions importantes (un astigmatisme notamment) des faisceaux électroniques à la périphérie de l'écran et notamment dans les coins de l'écran. Pour compenser ces distorsions, une solution consiste à contrôler la taille des faisceaux au niveau du canon en accord avec la pré déflexion. Il s'agit de produire un faisceau astigmate qui apporte un niveau de résolution en bord d'image plus intéressant. Habituellement l'astigmatisme que l'on rencontre dans un canon électronique est la propriété de la lentille principale en raison des formes des ouvertures suffisamment elliptiques pour engendrer un faisceau dissymétrique entre sa direction horizontale et celle verticale. La valeur dite d'astigmatisme est fixée selon des critères d'améliorations optiques, elle est aussi liée à l'effet du déviateur sur le système. La situation d'un canon statique réclame une dissymétrie forte du faisceau pour s'affranchir de la conséquence de la prédéflexion du faisceau électronique à chaque position de l'écran, ce qui apporte un faisceau très allongé dans son plan horizontal et très fin dans son plan vertical. La conséquence négative de cette situation est le trop grand écart de formations des plans entre les lignes verticales et les lignes horizontales au centre de l'écran. Cet astigmatisme trop élevé est difficile à réduire sans casser la structure mécanique de la lentille principale très avantageuse pour réduire nos aberrations de sphéricités. Les trois parties principales d'un canon à électrons tel que schématisé par la figure la, sont la zone BFR de formation du faisceau électronique, la zone pré-focalisation PREFOC et la lentille principale. On nomme BFR la zone d'émission et de création du faisceau délimitée par la cathode et l'entrée dans une lentille dite de pré focalisation, il s'agit dans la présente description de deux grilles (Gl,G2). La répartition de l'astigmatisme dépend des trois parties du canon (BFR + PREFOCALISATION + LENTILLE PRINCIPALE) ou parfois deux parties (BFR + LENTILLE PRINCIPALE). Dans ces deux situations on fixe toujours un astigmatisme à notre lentille principale selon des critères d'améliorations optiques (tels que les aberrations ou le réglage d'un point de fonctionnement du canon). A partir de là, il faut adapter l'astigmatisme des deux ou trois autres parties. L'invention porte à la fois sur la contribution de l'astigmatisme de la lentille principale à la réduction du coefficient d'aberrations de cette même lentille et de l'implémentation d'un système astigmate réalisé dans la partie basse du canon à électrons, la BFR. L'invention concerne un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques incorporant un système de deux électrodes pour la formation du faisceau d'électrons avec une structure d'électrodes adaptée, ayant (figure lb) une tension fixe (Vf) qui nous permet d'atteindre la résolution à l'écran. L'objet de l'invention est d'optimiser l'astigmatisme du canon (écart entre la formation des plans des lignes horizontales et des lignes verticales) pour améliorer les tailles et les formes des spots à l'écran. Un effet indésirable d'un astigmatisme trop élevé d'un canon à électrons implique un trop grand déséquilibre du spot à l'écran entre sa taille verticale et celle horizontale. Concrètement l'astigmatisme est l'écart entre la taille horizontale X et celle verticale Y (figure 2) d'un élément dont les dimensions horizontale et verticale devraient être égales si il n'y avait pas d'astigmatisme: Astigmatisme = Taille X - Taille Y On exprime aussi l'astigmatisme en tension de focalisation qui minimise la dimension horizontale (focusH) et celle qui minimise la dimension verticale (focusV) Astigmatisme = focusH - focusV Dans un canon statique l'astigmatisme est corrigé par la lentille principale, foyer de la dissymétrie horizontale et verticale. On s'est aperçu que la réduction du coefficient d'aberration de sphéricité horizontal suit de façon linéaire l'astigmatisme du canon (voir figure 3). L'invention permet de résoudre cet inconvénient. La réalisation d'un phénomène astigmate dans la partie basse du canon peut être liée à la conformation d'une grille circulaire sur laquelle on ajoute une ouverture rectangulaire de type Slot dont l'efficacité est un peu atténuée au regard d'une ouverture fortement rectangulaire et unique comme cela est décrit, par exemple dans le brevet US5760550. Cependant, la fabrication de cette grille astigmate est complexe car multiforme donc difficile à contrôler d'un point de vue mécanique. L'invention concerne donc un canon à électrons pour tube à rayons cathodiques comprenant, une cathode émettant un faisceau d'électrons selon un axe de propagation déterminé. Il comporte également, alignées en série selon cet axe, successivement une première électrode, une deuxième électrode, et au moins une lentille de sortie du canon à électrons. La première électrode comporte une première plaque munie d'au moins une ouverture rectangulaire dont l'axe de symétrie est ledit axe. Les bords de cette ouverture rectangulaire possèdent une épaisseur constante tout autour de l'ouverture. De plus, la deuxième électrode comporte une deuxième plaque munie d'au moins une ouverture circulaire centrée sur ledit axe de propagation. La grande dimension de l'ouverture rectangulaire de la première électrode est inférieure au diamètre de l'ouverture circulaire de la deuxième électrode. On prévoira avantageusement que la grande 15 dimension de ladite ouverture rectangulaire soit parallèle au plan horizontal du canon. Par ailleurs, on peut prévoir selon l'invention d'adapter les astigmatismes induits par les différentes parties principales du canon à électrons, à savoir l'astigmatisme de la zone de formation du faisceau d'électrons, l'astigmatisme de la lentille de préfocalisation et l'astigmatisme de la lentille principale de façon que ces trois ensembles donnent: ASTIG TOTAL (canon) = ASTIG(BFR) + ASTIG(PREFOC)+ ASTIG(Main Lens) + interaction (BFR+PFOC) + interaction (PFOC+Main Lens) Plus précisément, on prévoit que l'astigmatisme du canon à électrons est donné par le polynôme suivant quelle que 30 soit la valeur d'astigmatisme que l'on choisisse: ASTIG TOTAL (canon) = ao + alx(AST BFR) + azx(AST PFOC) + a3x(AST Lentille) + +a22x (AST BFR) x (AST PFOC) + a23x (AST BFR) x (AST PFOC) Dans ce polynôme: - (AST BFR) est l'astigmatisme induit par la zone de formation du faisceau d'électrons avec: -1000 V - Coefficients Valeurs aO -885341E-04 al 10459.1E-04 a2 8503.7E-04 a3 11764. 8E-04 a12 1.3125E-04 a23 1.1107E-04 La grande dimension de l'ouverture rectangulaire de la première électrode est, de préférence, inférieure au diamètre de l'ouverture circulaire de la deuxième électrode. Pour obtenir un astigmatisme d'une valeur ASTIG(BFR) déterminée que doivent induire lesdites première et deuxième électrodes, les dimensions des ouvertures des deux électrodes ainsi que la distance séparant ces deux électrodes sont déterminées par la relation: ASTIG(BFR) = bo + bl.W + b2.H + b3.d + b12.W.H + b13.W.d + bll.W2+ b22.H2 + b33.d2 Dans laquelle: - W est la longueur d'un grand côté de l'ouverture de la première électrode (G1), H est la longueur d'un petit côté de l'ouverture de la première électrode (G1), - E est le diamètre de l'ouverture de la deuxième électrode (G2), il est égal ou supérieur à la plus grande dimension de G1 (H,W), - d est la distance entre les deux électrodes (G1 et G2), - bo, bl, b2, b3, b12, b13, bl1, b22, b33, sont des constantes. Selon une forme de réalisation préférée de 25 l'invention, on prévoira les dimensions des électrodes telles que: la longueur W du grand côté de l'ouverture de la première électrode est comprise entre 0,7 mm et 0,9 mm ou est égale à une de ces valeurs, 15 20 - la longueur H du petit côté de l'ouverture de la première électrode est comprise entre 0,5 mm et 0,7 mm ou est égale à une de ces valeurs, - le diamètre E de l'ouverture de la deuxième électrode est compris entre 0,5 mm et 0,9 mm ou est égale à une de ces valeurs elle suit la plus grande dimension (W ou H), - la distance d entre les deux électrodes est comprise entre 0,34 mm et 0,45 mm ou est égale à une 10 de ces valeurs. L'invention est également applicable à un tube à rayons cathodiques comprenant un canon à électrons émettant des faisceaux d'électrons ainsi qu'un système de déflexion permettant de dévier ces faisceaux selon un angle maximum supérieur à 110 degrés. Ce canon incorpore un canon à électrons ainsi décrit. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre ainsi que dans les figures annexées qui représentent: - les figures la et lb, un canon à électrons tel que connu dans la technique, - les figures 2 et 3, respectivement une figure explicative de l'astigmatisme et une courbe de la variation de l'astigmatisme en fonction de la diminution des aberrations sphériques, la figure 4, des courbes montrant l'astigmatisme d'un canon à électrons dans deux situations différentes, - les figures 5a à 5c, un exemple de réalisation selon l'invention, - les figures 6a et 6b, des diagrammes représentant les réponses d'astigmatisme d'un exemple de canon selon l'invention. Selon l'invention, on prévoit d'engendrer de l'astigmatisme en opposition avec celui de la lentille principale d'un canon à électrons, ce qui nous permet de limiter les aberrations en conservant la structure da la partie haute du canon (côté lentille principale), et ainsi de pouvoir restreindre l'astigmatisme global du canon qui est supérieur à 2000 Volts. Il s'agit donc de précorriger, dans la partie basse du canon, l'astigmatisme engendré par la lentille principale. Dans un canon à électrons tel que schématisé par la figure la, la répartition de l'astigmatisme dépend des trois parties du canon (BFR + PREFOC + LENTILLE PRINCIPALE) ou parfois deux parties (BFR + LENTILLE PRINCIPALE). Dans ces deux situations on fixe toujours un astigmatisme à la lentille principale selon des critères d'améliorations optiques (tels que les aberrations ou le réglage d'un point de fonctionnement du canon). A partir de là, il faut adapter l'astigmatisme des autres parties. L'invention concerne à la fois la partie basse du canon (la BFR), ainsi que le comportement éventuel de la lentille de pré focalisation qui elle aussi apporte sa contribution à la valeur d'astigmatisme. Les trois ensembles BFR, PREFOC et LENTILLE PRINCIPALE induisent un astigmatisme total: ASTIG TOTAL (canon) = ASTIG(BFR) + ASTIG(PREFOC)+ ASTIG(Lentille principale) + interaction (BFR+PFOC) + interaction (PFOC+ Lentille principale) Selon, l'invention on prévoit que l'astigmatisme total et fonctionnel d'un canon à électrons est la somme des trois astigmatisme (BFR+PFOC+ML) plus des interactions assez faibles mais non négligeables traduites par le polynôme suivant quel que soit la valeur d'astigmatisme que l'on choisisse: ASTIG TOTAL (canon) = ao + alx(AST BFR) + azx(AST PFOC) + a3x(AST Lentille) + +a12X (AST BFR) x (AST PFOC)+ a23x (AST BFR) x (AST PFOC) Coefficients Valeurs a0 -885341E-04 al 10459.1E-04 a2 8503.7E-04 a3 11764.8E-04 a12 1.3125E-04 a23 1.1107E-04 Dans ce polynôme, on prévoira avantageusement que les valeurs d'astigmatismes répondent aux conditions suivantes: -1000 V ASTIG BFR Dans un cas on fixe l'astigmatisme de la lentille de pré-focalisation à 900V et la lentille principale à +2130V. Dans l'autre cas, pour une lentille de pré-focalisation à -600V et une lentille principale à 1350V 10 l'équation est toujours linéaire mais décalée. Comme cela est illustré par les courbes de la figure 4, on note que pour deux situations d'astigmatismes vraiment éloignées dans la lentille, par exemple 1350V et 2130V, les conditions d'obtentions d'un astigmatisme total dans le canon d'une valeur de 800Volts par exemple nécessite la présence de -550V d'astigmatisme dans la BFR pour le couple d'astigmatisme PREFOC/Lentille principale (-900V, 2130V) et -90V pour le couple d'astigmatisme PREFOC/ML (-600V, 1350V). L'invention concerne à la fois la contribution de l'astigmatisme de la lentille principale à la réduction du coefficient d'aberrations de cette même lentille et l'implémentation d'un système astigmate réalisé dans la partie basse du canon à électrons (dans la BFR). Les figures 5a à 5c représentent donc un exemple de réalisation d'électrodes selon l'invention. Sur ces figures, on n'a représenté que les cathodes et les électrodes G1, G2 et G3. Ces électrodes correspondent aux électrodes G1 à G3 du canon de la figure 1. La électrode G1 est une plaque métallique comportant des ouvertures rectangulaires gl.1, gl.2, gl.3 situées en correspondance avec les axes des cathodes K1, K2 et K3. Ces ouvertures ont pour largeur W et pour hauteur H. La électrode G2 est une plaque métallique comportant des ouvertures circulaires g2.1, g2.2, g2.3 de diamètre E et situées dans l'alignement des ouvertures de la électrode G1 et des cathodes K1, K2 et K3. Le diamètre des ouvertures de la électrode G2 est au moins supérieure à la plus grande dimension W des ouvertures de la électrode G1. L'électrode G1 est à un potentiel nul et le potentiel V2 sera appliqué à l'électrode G2. Les deux électrodes sont à une distance d l'une de l'autre. Les ouvertures de l'électrode G1 sont orientées de façon que sa plus grande dimension soit perpendiculaire à la direction horizontale du canon correspondant à l'axe horizontal de l'écran du tube dans lequel le canon sera monté Les dimensions W, H et E des ouvertures des électrodes G1 et G2 et la distance d des deux électrodes sont déterminées en vue d'obtenir un astigmatisme dans la BFR déterminé. La variation de l'astigmatisme ASTIG BFR s'exprime sous la forme mathématique par un modèle polynomial du second degré (empirique) applicable dans tout le domaine de variabilité des paramètres (W. H, E, d). Les dimensions W, H d et E sont donc déterminées à l'aide du modèle polynomial suivant: ASTIG(BFR) = bo + bl.W + b2.H + b3.d + b12.W.H + b13.W.d + bll.W2+ b22.H2 + b33.d2 Dans ce polynôme, bo, bl, b2, b3, b12, b13, b11. a22, a33, sont des constantes qui ont été déterminées et qui ont sensiblement les valeurs indiquées dans le tableau qui suit: COEFFICIENTS VALEURS b33 3614 b22 -3786 b11 3894 b13 -6057 b12 1990 b3 1391 b2 8060 b1 -7923 b0 -362 Selon une forme préférée de réalisation, on 10 prévoira ainsi des dimensions des ouvertures des électrodes G1 et G2 de façon que: 0,7 mm Le coefficient de corrélation est très satisfaisant et laisse supposer une très bonne relation entre les variables du modèle et l'astigmatisme dont on peut voir un exemple dans la représentation sous forme d'abaque de la figure 6a. Cet abaque donne les réponses d'un canon à électrons en astigmatisme avec une grille G2 dont les ouvertures ont pour diamètre E = 0,79 mm et avec des grilles espacées de d = 0,381 mm. En abscisses et en ordonnées on trouve respectivement les valeurs W et H des ouvertures de la grille G1. De la même façon, la variation d'astigmatisme en partie basse du canon entraîne une dispersion de la tension V2 appliquée à l'électrode G2 (tension qui permet aux électrons d'être extraits de la zone émissive de la cathode). La tension dite de "cutoff" évolue aussi selon un modèle mathématique polynomial; tel que V2 = c0 + cl.W + c2.H + c3.E + c4.d + c23.H.E + c24.H.d + cll.W2 + c22.H2 COEFFICIENTS VALEURS c22 4147 c11 962 c24 -2287 c23 -592 c4 2322 c3 403 c2 -4742 cl -1924 cO 2350 Au final les relations précédentes sont valables pour 8000Volts - L'utilisation d'une grille purement rectangulaire adjointe à une autre grille circulaire, dont le but est un contrôle plus précis de l'astigmatisme total du canon est un moyen de laisser dériver l'astigmatisme de la lentille principale du canon, ce qui réduit fortement les aberrations de sphéricités tout en maîtrisant la valeur intrinsèque de l'astigmatisme souhaité. La grille rectangulaire unique dans la partie basse permet donc un contrôle efficace de l'astigmatisme à moindre coût car plus facile à produire en grande quantité (simplicité de fabrication). Cependant des contraintes de dimensions doivent être respectées (ratio H/V de la grille rectangulaire, représente la dimensionHorizontale'/dimension- verticale'de l'ouverture). Les simulations et les résultats obtenus ont pris en compte ces contraintes pour s'affranchir du problème de densité de courant. Certaines dimensions non décrites peuvent être des obstacles aux différentes lois d'émissions des cathodes. Dans le cadre d'une forme de réalisation préférée d'un canon selon l'invention, le facteur de forme est limité à : H/V REVENDICATIONS 1. Canon à électrons pour tube à rayons cathodiques comprenant, au moins une cathode émettant un faisceau d'électrons selon un axe de propagation déterminé (Z), et, alignées en série selon cet axe (Z), successivement une première électrode (G1), une deuxième électrode (G2), et au moins une lentille de sortie du canon à électrons, ladite première électrode (G1) comportant une première plaque munie d'au moins une ouverture rectangulaire (gl.1 à gl.3) alignée selon ledit axe de propagation (Z) et dont l'axe de symétrie est cet axe (Z), caractérisé en ce que: - les bords de ladite ouverture rectangulaire (gl.1 à gl.3) de ladite première plaque possèdent une épaisseur constante tout autour de l'ouverture, et en ce que la deuxième électrode (G2) comporte une deuxième plaque munie d'au moins une ouverture circulaire (g2.1 à g2.3) centrée sur ledit axe (Z), la grande dimension (W) de l'ouverture rectangulaire de la première électrode (G1) étant inférieure au diamètre (E) de l'ouverture circulaire de la deuxième électrode (G2). 2. Canon à électrons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grande dimension de ladite ouverture rectangulaire est parallèle au plan horizontal du canon. 3. Canon à électrons selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'astigmatisme total du canon est donné par la formule: ASTIG TOTAL = ao + a1x(AST BFR) + a2x (AST PFOC) + a3x (AST Lentille) + a12x (AST BFR) x (AST PFOC) + a23x (AST BFR) x (AST PFOC). Dans laquelle: - (AST BFR) est l'astigmatisme induit par la zone de formation du faisceau d'électrons avec: -1000 V (ASTIG BFR) 4. Canon à électrons selon la revendication 3, caractérisé en ce que les coefficients ao, a1r a2, a3, a12, a23 ont sensiblement les valeurs suivantes: a0 = -885341E-04 al = 10459.1E-04 a2 = 8503.7E-04 a3 = 11764. 8E-04 a12 = 1.3125E-04 a23 = 1.1107E-04 5. Canon à électrons selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour un astigmatisme d'une valeur déterminée ASTIG que doivent induire lesdites première et deuxième électrodes (G1 et G2), les dimensions des ouvertures des deux électrodes ainsi que la distance (d) séparant ces deux électrodes sont déterminées par la relation: ASTIG(BFR) = bo + bl.W + b2.H + b3.d + b12.W.H + b13.W.d + bll.W2+ b22.H2 + b33.d2 dans laquelle: - W est la longueur d'un grand côté de l'ouverture de la première électrode (G1), - H est la longueur d'un petit côté de l'ouverture de la première électrode (G1), - E est le diamètre de l'ouverture de la deuxième électrode (G2) elle suit la plus grande dimension du couple (W,H), - d est la distance entre les deux électrodes (G1 et G2), - bo, bl, b2, b3, b12, b13, bl1, b22, b33, sont des constantes. 6. Canon à électrons selon la revendication 5, caractérisé en ce que: - la longueur W du grand côté de l'ouverture de la première électrode (G1) est comprise entre 0,7 mm et 0,9 mm ou est égale à une de ces valeurs, - la longueur H du petit côté de l'ouverture de la première électrode (G1) est comprise entre 0,5 mm et 0,7 mm ou est égale à une de ces valeurs, - le diamètre E de l'ouverture de la deuxième électrode (G2) est compris entre 0,5 mm et 0,9 mm ou est égale à une de ces valeurs elle suit la plus grande dimension du couple (W,H), - la distance d entre les deux électrodes (G1 et G2) est comprise entre 0,34 mm et 0,45 mm ou est égale à une de ces valeurs. 7. Tube à rayons cathodiques comprenant un canon à électrons émettant des faisceaux d'électrons ainsi qu'un système de déflexion permettant de dévier lesdits faisceaux d'électrons selon un angle maximum supérieur à 110 degrés, caractérisé en ce qu'il incorpore un canon à électrons selon l'une quelconque des revendications précédentes.