influence of multipole deflection field on electron beam defocus
zhang xiaobing,yin hanchun
(electronics research institute,southeast university,nanjing,210096)
abstractdeflection defocus of color picture tubes was analyzed in multipole field theory.the analytical results show that quadruple term of the deflection field significantly affects deflection defocus.the spatial positions of the three electron beams in the deflection field should be considered in the analysis of each electron beam.higher order harmonics may also be of importance in practical deflection system analysis.
keywordsmultipole field,picture tube,defocus
在高分辨率彩色显像管中，电子束在屏上光点的大小和形状直接影响图像质量。决定电子束光点的因素除了电子枪外，偏转系统的影响也是不容忽视的。对光点优化，应结合电子枪和偏转系统的设计进行。
通过对显像管的偏转系统的分析可以得出，显像管的偏转磁场可以展开为一系列多极磁场的叠加，这些多极场只包括奇次谐波分量(或2n极场)，即包括二极场、六极场、十极场……分量，二极场提供偏转，六极场校正三级偏转像差，十极场校正五级偏转像差……。在偏转像差校正时，将偏转线圈从电子枪到屏分为三部分，分别对彗差、像散、畸变进行校正，这就是多极场像差校正理论［1，2］。多极场对偏转像差校正的同时，同样会影响电子束聚焦，本文就多极场对电子束散焦的影响进行了分析。
1 分析计算的条件
首先给出进行分析的电子束初始条件：假定电子枪的三电子束都是锥形束，并会聚在屏的中心点，取每束半径为r0的圆环进行计算，三束与屏中心点的关系如图1所示，这样圆环上每一点电子的初始条件为
(1)
图1 三束与屏中心点的位置关系
fig.1 the relationship between three beams and
centre point of the screen
式中l为电子枪出口到屏的距离；θ为计算点和该束中心点连线与x轴所成的夹角。在本文的计算中，取r0=0.4 mm，每个圆环上取20个点，对90°偏转角下的光点进行分析，在计算结果的表示上将光点放大40倍。偏转系统采用多极系统的解析形式，帧和行多极场的标量位表达式为
 (2)
式中an和bn为常数，不考虑磁场z方向分量。计算所采用的电子光学参数：束间距为5.5 mm;加速电压为26 kv;电子枪到屏的距离(l)为317.5 mm;宽高比为4∶3；偏转场作用长度为70 mm；偏转角为90°；屏幕对角线长度为510 mm。
2 多极场对光点影响的计算分析
如果偏转系统只存在行和帧二极场，这时三束的光点形状如图2所示，三束均在偏转方向被拉长为椭圆形。在屏中心会聚为一点的每个电子束，由于在偏转场中走过的路径不同，偏转场对其作用的时间也不同，各电子束经偏转后变为过会聚，偏转量越大，过会聚量也越大。这个结果可通过一般的电子光学分析得到。
图2 二极场作用下的光点形状
fig.2 the shape of beam in dipole deflection field
当六极场被用来校正偏转像差时，根据自会聚理论，行偏转场应为枕形场，帧偏转场为桶形场。这时对应式(2)的行和帧六极场均为正六极场。在正的行和帧六极场作用下，光点的形状如图3所示。从图3中可以看出三束光点的形状是不同的。
图3 正行和帧六极场对光点的影响
fig.3 the influence of positive line and frame 6-pole on shape of beam
六极场作用下的光点形状可以用多极场像差校正理论中所采用的多极展开式进行分析。在多极场像差校正理论中，当中束不通过多极场中心时，多极场可以展开为一系列中束通过多极场中心的多极场的叠加。对六极场，这个展开式为
 (3)
式中xg，yg为中束不通过多极场中心时在偏转场中所处的位置；vgn,hgn为中束通过多极场中心时的多极场，如图4所示。在进行偏转像差校正分析时，通常将三束的束半径忽略不计，每个电子束仅考虑一条中心电子轨迹。这时式(3)的展开式中，vg1,hg1用来校正畸变；vg2，hg2用来校正像散；vg3,hg3用来校正彗差。在对偏转像差分析时，由于束半径远小于三束间距，因此不考虑束半径。而分析多极场对束点影响时，就必须考虑束半径了。由于中束与边束在偏转场中所处的位置不同，因此分别考虑。
图4 中束过偏转场中心的多极场
fig.4 the multipole field with central beam passing through the centre of field
在式(3)中，四极场分量vg2,hg2用来校正像散，同时它们也影响束的聚焦。枕形偏转场和桶形偏转场对束聚焦的影响如图5所示。如果电子束位于行枕形场的右边区域，如图5(a)所示，一个正的行四极场将影响束聚焦；如果束位于行枕形场的左边区域，负四极场将影响束聚焦。而正的行四极场，在只有x方向偏转时，将减小x方向过会聚并增加y方向过会聚；对负的行四极场则正好相反，如图5(b)所示。如果电子束位于帧的桶形偏转场的右边区域，则当只有y方向的偏转时，正的行四极场和帧四极场将影响束会聚，正的行四极场将增加y方向的过会聚并减小x方向的过会聚；正的帧四极场将使电子束逆时针旋转一个角度。如果电子束位于帧桶形场的左边区域，则正的行四极场和负的帧四极场将影响束聚焦。
图5 枕形场和桶形场对束聚焦的影响
fig.5 the influence of pin-cushion and barrel field on the focus of electron beam
前面应用六极场对单束进行了分析，但在应用多极场对三束进行分析时，情况要复杂得多。对三束进行分析时，首先要考虑的一个问题是：每条电子束位于行和帧偏转场的哪一部分。对两边束进行分析时，式(3)中的xg，yg应分别用相应红束和蓝束的中心位置xr，yr和xb，yb替代。
对于自会聚偏转系统，采用水平一列式电子枪，当仅有帧偏转时，由于电子束基本位于帧偏转场左右相对固定的区域，分析也相对简单，对图3的y轴上的光点可以直接应用前面的多极场分析得到。当存在行偏转场时，假定电子束向x的正方向偏转，由于蓝束的初始位置在负x区域，在大部分的偏转初始区域，蓝束位于负x的位置，关于这一点可以从进行模拟计算时通过跟踪蓝束的轨迹得到。这样在分析蓝束时，要考虑蓝束所处的位置。
当仅有x正方向偏转的枕形偏转场时，可以认为蓝束位于多极场的左边区域，多极场对蓝束的影响为使蓝束y方向的过会聚减弱，甚至变为欠会聚，而x方向的过会聚加强；对于红束，则位于偏转场的右边区域，y方向的过会聚加强，x方向的过会聚减弱。分析结果可以用计算得到的电子轨迹进行验证。对于角部偏转时的束会聚，则应同时考虑行和帧偏转场。
对三束进行多极场分析要考虑的第二个问题是：对实际的电子束，在无偏转时，屏中心不是一个理想的点，而是有一定面积的电子束斑。在这种情况下，对电子束的分析可以根据电子束在屏中心是过会聚还是欠会聚，将电子束的会聚设为多种情况，将会聚点定在实际的屏内和屏外，然后再根据不同情况应用多极场分析。
应用多极场分析的第三个问题是：在偏转场中，从电子枪端到近屏端，六极场的正负是变化的，同时，在大偏转角下，偏转场中更高次谐波的十极场、十四极场分量等的影响也不能忽略。在这种情况下，对六极场的影响仅能考虑总体影响，比如：对自会聚的行偏转场认为是枕形场，帧偏转场认为是桶形场。对高次谐波的影响，可以应用其相应的多极场展开式进行类似的分析。必要时还应考虑高次谐波展开式中的八极场、十二极场分量的影响。
应用多极场理论还可以进行偏转场对电子束彗差的影响分析，这时应考虑多极场展开式中的六极场分量。
3 结论
由于偏转场可以认为是一系列多极场的叠加，所以应用多极场对偏转散焦进行分析是有效的。多极场对散焦的影响可以认为是多极场展开式中四极场分量的作用；对彗差的影响可以认为是多极场展开式中的六极场分量的作用。应用六极场对偏转散焦的分析结果与跟踪计算电子轨迹所得的结果是一致的。
张晓兵(东南大学电子学研究所 南京 210096)
尹涵春(东南大学电子学研究所 南京 210096)
参考文献
1，heijnemans w a l,nieuwendijk j a m,vink n g.the deflection coils of the 30ax colour-picture system.philips tech rev,1979,39(6/7):154～171
2，张晓兵，尹涵春，童林夙.大偏转角偏转像差的分析与校正.东南大学学报，1996，26(3)：19～23 |
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