Kathodenstrahlröhre

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Hintergrund

Eine Kathodenstrahlröhre, oft CRT genannt, ist eine elektronische Anzeigevorrichtung, bei der ein Elektronenstrahl auf einen phosphoreszierenden Bildschirm fokussiert und schnell in Position und Intensität variiert werden kann, um ein Bild zu erzeugen. Die wohl bekannteste Anwendung einer Kathodenstrahlröhre ist die als Bildröhre in einem Fernseher. Andere Anwendungen umfassen die Verwendung in Oszilloskopen, Radarbildschirmen, Computermonitoren und Flugsimulatoren.

Die Kathodenstrahlröhre wurde 1897 von Ferdinand Braun aus Straßburg im damaligen deutsch-französischen Elsass-Lothringen entwickelt. Es wurde zuerst als Oszilloskop verwendet, um elektrische Signale anzuzeigen und zu messen. Im Jahr 1908, A. A. Campbell-Swinton aus England schlug vor, eine CRT zum elektronischen Senden und Empfangen von Bildern zu verwenden. Doch erst in den 1920er Jahren wurde das erste praxistaugliche Fernsehsystem entwickelt. Das Konzept für eine Farbkathodenstrahlröhre wurde 1938 vorgeschlagen und 1949 erfolgreich weiterentwickelt.

Obwohl General Electric 1928 sein erstes Fernsehgerät für den Heimgebrauch auf den Markt brachte, blieb die kommerzielle Fernsehübertragung eine experimentelle Technologie mit nur begrenzter Reichweite und begrenztem Publikum. Es dauerte bis Ende der 1940er Jahre, bis sich die Fernsehnetze ausreichend etabliert hatten, um einen Boom im Verbraucherabsatz auszulösen. In den 1960er Jahren wichen Schwarz-Weiß-Fernseher den ersten Farbgeräten. In den folgenden Jahrzehnten wurden Kathodenstrahlröhren für Fernsehgeräte größer und kleiner, da die Hersteller versuchten, die Verbraucherwünsche zu befriedigen. Zu den jüngsten Entwicklungen gehören Röhren mit flacheren Gesichtern, schärferen Ecken und höherer Auflösung für eine bessere Anzeige.

Eine CRT besteht aus drei grundlegenden Teilen:der Elektronenkanonenbaugruppe, der Phosphor-Betrachtungsfläche und der Glashülle. Die Elektronenkanonenanordnung besteht aus einer beheizten Metallkathode, die von einer Metallanode umgeben ist. Die Kathode erhält eine negative elektrische Spannung und die Anode eine positive Spannung. Elektronen von der Kathode fließen durch ein kleines Loch in der Anode, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Die Elektronenkanone enthält auch elektrische Spulen oder Platten, die den Elektronenstrahl beschleunigen, fokussieren und ablenken, um in einer schnellen seitlichen Abtastbewegung, beginnend an der Oberseite der Oberfläche und nach unten, auf die Leuchtstoff-Betrachtungsfläche aufzutreffen. Die Leuchtstoff-Sichtfläche ist eine dünne Materialschicht, die sichtbares Licht emittiert, wenn sie vom Elektronenstrahl getroffen wird. Die chemische Zusammensetzung des Leuchtstoffs kann verändert werden, um die Farben Weiß, Blau, Gelb, Grün oder Rot zu erzeugen. Die Glashülle besteht aus einer relativ flachen Frontplatte, einem Trichterabschnitt und einem Halsabschnitt. Die Leuchtstoff-Sichtfläche wird auf der Innenseite der Glas-Frontplatte aufgebracht, und die Elektronenkanonen-Baugruppe wird am gegenüberliegenden Ende in den Glashals eingedichtet. Der Trichter hat den Zweck, die Elektronenkanone im richtigen Abstand von der Frontplatte zu beabstanden und die Glashülle zusammenzuhalten, damit in der fertigen Röhre ein Vakuum erreicht werden kann.

Die in einem Farbfernseher oder Farbcomputermonitor verwendete Kathodenstrahlröhre hat einige zusätzliche Teile. Statt einer Elektronenkanone gibt es drei – eine für das rote Farbsignal, eine für blau und eine für grün. Es gibt auch drei verschiedene Phosphormaterialien, die auf der Sichtfläche verwendet werden – wiederum eines für jede Farbe. Diese Leuchtstoffe werden in Form sehr kleiner Punkte in einem sich wiederholenden Muster über den Bildschirm aufgetragen – rot, blau, grün, rot, blau, grün und so weiter. Der Schlüssel zu einer Farb-CRT ist ein Stück perforiertes Metall, die sogenannte Lochmaske, die zwischen den Elektronenkanonen und dem Bildschirm platziert wird. Die Perforationen in der Lochmaske sind so ausgerichtet, dass die rote Kanone Elektronen nur auf die Leuchtstoffpunkte abfeuern kann, die die rote Farbe erzeugen, die blaue Kanone auf die blauen Punkte und die grüne Kanone auf die grünen Punkte. Durch Steuern der Intensität des Strahls für jede Farbe beim Abtasten über den Bildschirm können unterschiedliche Farben in verschiedenen Bereichen des Bildschirms erzeugt werden, wodurch ein Farbbild erzeugt wird. Um eine Vorstellung davon zu geben, wie klein die Perforationen und Punkte sein müssen, kann eine 25 Zoll (63 cm) Farbfernsehbildröhre eine Lochmaske mit 500.000 Perforationen und 1,5 Millionen einzelnen Leuchtstoffpunkten aufweisen.

Design

Die Elektronenkanone muss für jede neue Anwendung ausgelegt werden. Neue Bildschirmgrößen, neue Gesamtabmessungen der Glashülle und neue Anforderungen an die Bildauflösung erfordern alle ein neues Pistolendesign. Hellere Bilder können Beschleunigungsspulen mit höherer Leistung erfordern. Eine feinere Bildauflösung kann verbesserte Strahlfokussierungsspulen oder -platten erfordern. Während das Grunddesign gleich bleibt, werden die Details ständig verfeinert.

Ebenso ist das grundlegende Design der Phosphor-Sichtfläche ziemlich gut definiert, aber die Details können sich ändern. Neue Anforderungen an die Bildauflösung können ein neues Verfahren zum Aufbringen der Leuchtstoffpunkte auf der Frontplatte erfordern, was wiederum neue Materialverarbeitungstechniken erfordern kann. Die Suche nach naturgetreueren Farben kann zu neuen Materialrezepturen führen. Die Zeitspanne, während der die Leuchtstoffe nach dem Auftreffen des Elektronenstrahls Licht emittieren oder leuchten, ist ebenfalls wichtig und wird durch die chemische Zusammensetzung des Leuchtstoffs gesteuert. Diese Eigenschaft wird als Persistenz bezeichnet. Bei einem Farbfernseher tastet der Elektronenstrahl 25 Mal pro Sekunde den Bildschirm ab. Wenn die Persistenz länger als eine Fünfundzwanzigstelsekunde (0,04 Sekunden) ist, würde das Bild zwei Scans gleichzeitig zeigen und würde verschwommen erscheinen. Wenn die Persistenz kürzer als diese Zeit ist, wäre das Bild des ersten Scans vor dem zweiten Scan verschwunden, und das Bild würde flimmern.

Auch die Glashülle erfordert eine aufwendige Gestaltung. Festigkeit, Strahlungsabsorptionseigenschaften, Temperaturtoleranz, Schlagzähigkeit, dielektrische Eigenschaften und optische Klarheit sind einige der Designkriterien, die beim Design der Glaskomponenten verwendet werden. Computer können verwendet werden, um eine Finite-Elemente-Analyse durchzuführen, um die Spannungen in komplexen Hüllformen zu bewerten. Diese Technik teilt das Teil in eine endliche Anzahl kleinerer, leichter definierbarer Teile oder Elemente und führt dann die Berechnungen für jedes Element durch, um unzulässig hohe Spannungskonzentrationen zu erkennen. Über den Computer lassen sich Maße für Konturen und Wandstärken einfach anpassen, bis ein zufriedenstellendes Design erreicht ist.

Rohstoffe

Kathodenstrahlröhren verwenden eine interessante und vielfältige Zusammensetzung von Rohstoffen. In vielen Fällen sind es die Rohstoffe, nicht das Design oder der Herstellungsprozess, die die Leistungsmerkmale des Endprodukts bestimmen.

Die Elektronenkanone besteht aus einer Vielzahl von Metallteilen. Die Kathode oder der Elektronenemitter besteht aus einer Cäsiumlegierung. Cäsium wird in vielen elektronischen Vakuumröhrengeräten als Kathode verwendet, da es beim Erhitzen oder Auftreffen von Licht leicht Elektronen abgibt. In einer Kathodenstrahlröhre wird die Kathode mit einem elektrischen Draht mit hohem Widerstand erhitzt. Die Beschleunigungs-, Fokussierungs- und Ablenkspulen können aus Kupferdraht mit kleinem Durchmesser hergestellt sein. Ein Glasrohr ragt von der Rückseite der Elektronenkanonenbaugruppe hervor und wird verwendet, um die Luft aus der fertigen CRT zu evakuieren.

Die Leuchtstoff-Betrachtungsfläche wird bei monochromatischen CRTs aus einer kontinuierlichen Schicht aus einem einzigen Material gebildet oder besteht bei Farb-CRTs aus einzelnen Punkten aus drei unterschiedlichen Materialien. Zinksulfid ist ein übliches Phosphormaterial. Die Farbe wird durch Zugabe einer sehr kleinen Menge eines Materials, eines sogenannten Aktivators, bestimmt. Zinksulfid mit 0,01% Silberaktivator emittiert ein blaues Licht. Wenn ein 0,001% Kupferaktivator verwendet wird, erzeugt er ein grünes Licht. Eine 50/50-Mischung aus Zinksulfid und Cadmiumsulfid mit einem 0,005% Silberaktivator erzeugt ein gelbes Licht. Rotes Licht kann durch Zugabe von Silber oder Kupfer zu Zinksulfid gemischt mit a . erzeugt werden Eine CRT besteht aus drei grundlegenden Teilen:der Elektronenkanonenbaugruppe, der Phosphor-Sichtfläche und der Glashülle. Die Elektronenkanonenanordnung besteht aus einer beheizten Metallkathode, die von einer Metallanode umgeben ist. Die Leuchtstoff-Sichtfläche ist eine dünne Materialschicht, die sichtbares Licht emittiert, wenn sie von einem Elektronenstrahl getroffen wird. Die Glashülle besteht aus einer relativ dicken Frontplatte, einem Trichterabschnitt und einem Halsabschnitt. hoher Cadmiumsulfid-Anteil. Die Leuchtstoffe werden in der Regel zu einem feinen Pulver gemahlen, bevor sie auf die Innenseite der Frontplatte aufgebracht werden.

Die Glashülle verwendet für jeden ihrer drei Bestandteile leicht unterschiedliche Rohstoffe. Der Grundrohstoff für alle Glaskomponenten ist Kieselsäure. Aluminiumoxid kann hinzugefügt werden, um die Fließeigenschaften des geschmolzenen Glases beim Formen einzustellen. Zur Absenkung der Schmelztemperatur werden verschiedene Oxide verwendet. Bariumoxid, Strontiumoxid und Bleioxid werden zum Strahlenschutz in Hals und Trichter verwendet. Andererseits muss die Frontplatte ein Minimum an Bleioxid aufweisen, um ein Verfärbungsphänomen zu verhindern, das als Elektronen- oder Röntgenbräunung bekannt ist. Neodymoxid kann auf der Frontplatte verwendet werden, um den Kontrast des betrachteten Bildes zu verbessern.

Bei Farb-CRTs besteht die Schattenmaske normalerweise aus einem dünnen Blech einer Nickellegierung.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Die Glashülle oder ihre Komponenten werden normalerweise in einer Glasherstellungsanlage geformt und an den Hersteller von Kathodenstrahlröhren versandt, der den Leuchtstoffschirm bildet, die Elektronenkanone herstellt und zusammenbaut und die fertige CRT zusammenbaut.

Formen der Glashülle

• 1 Die Glasbestandteile werden vor dem Schmelzen gewogen und gemischt. Das Glas wird in gasbefeuerten Öfen mit einer Größe von 46 bis 279 m² geschmolzen. Wenn es sich um einen kontinuierlichen Prozess handelt, werden neue Zutaten hinzugefügt, um ein konstantes Niveau zu halten, während das geschmolzene Glas aus dem Ofen in die Formbereiche fließt. Vor dem Formen muss das geschmolzene Glas etwas abgekühlt und die Temperatur überall gleichförmig gemacht werden.
• 2 Die Frontplatte wird normalerweise in die gewünschte Form gepresst, indem ein Tropfen geschmolzenen Glases in eine Form fällt und mit einem Kolben auf den Tropfen gedrückt wird. Der Trichter kann entweder durch Pressen oder durch Schleuderguss geformt werden. Beim Gießverfahren fällt ein Tropfen geschmolzenen Glases in eine Form, die sich dann schnell dreht, um das Glas gleichmäßig über die Innenfläche der Form zu verteilen. Eine Nutscheibe im oberen Bereich der Form schneidet das Weichglas auf die gewünschte Höhe, damit das überschüssige Glas leicht entfernt werden kann. Der Hals besteht aus Glasröhren, und ein Ende ist aufgeweitet, um das Einführen der Elektronenkanone zu erleichtern.
• 3 Bei einer monochromatischen CRT werden die drei Glaskomponenten vor dem Versand an den CRT-Hersteller zusammengefügt. Bei einer Farb-CRT werden nur Hals und Trichter verbunden, und die Frontplatte wird zur Weiterverarbeitung separat versandt. Die Glaskomponenten werden üblicherweise durch Erhitzen der Passflächen auf eine hohe Temperatur mit Gasdüsen oder Elektroheizungen verbunden.

Auftragen der Leuchtstoffe

• 4 Bei monochromatischen CRTs ist die Leuchtstoff-Betrachtungsfläche auf der Innenseite der Glas-Frontplatte beschichtet. Dazu wird eine flüssige Suspension des Leuchtstoffs hergestellt und eine abgemessene Menge zusammen mit einem Geliermittel in den Hals der Glashülle gegossen. Nach ca. 20 Minuten ist die Beschichtung abgebunden und die überschüssige Flüssigkeit wird abgegossen. Der Prozess für Farb-CRTs ist komplizierter. Zuerst wird die Lochmaske hergestellt, indem eine lichtempfindliche Beschichtung auf das dünne Maskenmaterial aufgebracht wird, es durch eine perforierte Schablone belichtet wird und dann die belichtete Beschichtung mit einer Säure weggeätzt wird, um die Millionen von Löchern zu bilden. Die Maske wird dann in eine leicht gewölbte Form gepresst und direkt hinter der Gesichtsplatte befestigt. Die Frontplatte wird in eine Zentrifuge gegeben und die Innenfläche wird mit dem grünen Leuchtstoffmaterial beschichtet. Die Zentrifuge dreht die Frontplatte, um eine gleichmäßige Phosphorbeschichtung zu gewährleisten. Ein starkes ultraviolettes Licht wird durch die Maske geleitet, um das grüne Phosphormaterial in Hunderttausende von Punkten zu härten. Das restliche Material wird dann abgewaschen. Dieser Vorgang wird wiederholt, um die roten und blauen Leuchtstoffpunkte zu bilden, wobei das ultraviolette Licht jedes Mal um einen kleinen Betrag verschoben wird. Wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, wird die Glasfrontplatte mit dem Trichter verbunden. Bei Farbröhren sind die Leuchtstoffpunkte empfindlich gegenüber hohen Temperaturen, daher wird anstelle von Hochtemperatur-Gasstrahlen eine Mischung aus chemischem Lösungsmittel und Glaspulver, eine sogenannte Fritte, auf die Verbindung aufgetragen. Dies wirkt wie ein Glas "Lot", und die Verbindung kann bei einer viel niedrigeren Temperatur abgedichtet werden.

Zusammenbau der Elektronenkanone

• 5 Die Metallkomponenten der Elektronenkanone sind präzisionsgeformt. Bei Verwendung von Spulen werden diese aus feinem Kupferdraht gewickelt. Einige Elektronenkanonen verwenden Metallplatten anstelle von Spulen, und diese Platten werden gestanzt und geformt. Die Komponenten werden entweder von Hand oder mit automatisierten Maschinen in einer sauberen Umgebung montiert. Das Glasrohr wird in die Basis eingeschweißt und die Basis wird in die Pistolenbaugruppe eingeschweißt.

Endmontage und Verpackung

• 6 Die Innenseite des Glaskolbenhalses wird mit Graphit geschmiert und die Elektronenkanone wird eingesetzt und ausgerichtet. Der Hals wird dann um die Waffe herum abgedichtet. An dem sich von der Rückseite der Pistole erstreckenden Glasrohr ist eine Vakuumpumpe angebracht, und das Innere der Kathodenstrahlröhre wird evakuiert. Wenn das richtige Vakuum erreicht ist, wird das Glasröhrchen erhitzt und schnell zusammengequetscht, um eine Dichtung zu bilden.
• 7 Das fertige CRT wird auf Leistung geprüft und sorgfältig verpackt, um Beschädigungen zu vermeiden. Da sich die Kathodenstrahlröhre unter einem Hochvakuum befindet, kann jeder Bruch in der Glashülle zu einer Explosion nach innen führen, die als Implosion bekannt ist.

Qualitätskontrolle

Obwohl das Funktionsprinzip einer Kathodenstrahlröhre einfach ist, erfordert der Herstellungsprozess strenge Kontrollen und genaue Ausrichtungen. Die Leuchtstoffmaterialien müssen extrem rein sein, um die gewünschten Farben zu erzielen. Bereits eine geringfügige Abweichung der verwendeten Aktivatormenge kann zu einer deutlichen Farbveränderung führen. Wenn man bedenkt, dass ein Farbfernseher mit Kathodenstrahlröhre die Anordnung von über einer Million winziger Punkte nebeneinander auf der Betrachtungsfläche erfordert, kann selbst ein kleiner Ausrichtungsfehler verheerende Folgen haben.

Nebenprodukte und Recycling

Das Hauptnebenprodukt der CRT-Herstellung ist Altglas. Ein Großteil dieses Glases wird recycelt. Recyceltes Glas mit einem hohen Bleioxidgehalt wird zum Strahlenschutz in CRT-Trichtern verwendet und hat die bisherigen Bleioxidquellen für diese Anwendung vollständig ersetzt.

Die Zukunft

Der weltweite Markt für Kathodenstrahlröhren wurde 1994 auf fast 400 Millionen Einheiten geschätzt und soll bis 2000 jährlich um 6 % wachsen. Der Farbfernsehmarkt wird voraussichtlich um 5 % jährlich wachsen, während der Farbcomputer Der Monitormarkt wird voraussichtlich um 20 % wachsen. Auf dem Fernsehmarkt wird erwartet, dass die Nachfrage nach größeren Fernsehbildröhren mit höherer Bildauflösung anhält.

Ein wichtiger Trend ist die Entwicklung des hochauflösenden Fernsehens (HDTV), dessen Abtastraten mehr als doppelt so hoch sind wie bei herkömmlichen Systemen. Dies erfordert neue Konstruktionen von Elektronenkanonen sowie neue Glasmaterialien und -technologien, um die verdoppelte Strahlungsrate zu bewältigen.