Катодно-лучевая трубка

<час />

Фон

Электронно-лучевая трубка, часто называемая ЭЛТ, представляет собой электронное устройство отображения, в котором пучок электронов может фокусироваться на фосфоресцентном смотровом экране и быстро изменять положение и интенсивность для получения изображения. Вероятно, самое известное применение электронно-лучевой трубки - это кинескоп в телевизоре. Другие приложения включают использование в осциллографах, экранах радаров, компьютерных мониторах и имитаторах полета.

Электронно-лучевая трубка была разработана в 1897 году Фердинандом Брауном из Страсбурга в тогдашнем французско-немецком регионе Эльзас-Лотарингия. Впервые он был использован в качестве осциллографа для просмотра и измерения электрических сигналов. В 1908 году А.А. Кэмпбелл-Суинтон из Англии предложила использовать ЭЛТ для отправки и получения изображений в электронном виде. Однако только в 1920-х годах была разработана первая практическая телевизионная система. Концепция цветной электронно-лучевой трубки была предложена в 1938 году и успешно развита в 1949 году.

Хотя General Electric представила свой первый телевизор для домашнего использования в 1928 году, коммерческое телевещание оставалось экспериментальной технологией с ограниченным диапазоном и аудиторией. Только в конце 1940-х годов телевизионные сети утвердились в достаточной степени, чтобы начать бум потребительских продаж. На смену черно-белым телевизорам пришли первые цветные в 1960-х годах. В последующие десятилетия электронно-лучевые трубки для телевизоров становились как больше, так и меньше, поскольку производители стремились удовлетворить потребности потребителей. Последние разработки включают трубки с более плоскими гранями, более резкими углами и более высоким разрешением для лучшего обзора.

ЭЛТ состоит из трех основных частей:узла электронной пушки, поверхности обзора люминофора и стеклянной оболочки. Сборка электронной пушки состоит из нагреваемого металлического катода, окруженного металлическим анодом. На катод подается отрицательное электрическое напряжение, а на анод - положительное напряжение. Электроны с катода проходят через небольшое отверстие в аноде, образуя пучок электронов. Электронная пушка также содержит электрические катушки или пластины, которые ускоряют, фокусируют и отклоняют электронный луч, чтобы поразить поверхность обзора люминофора быстрым движением сканирования из стороны в сторону, начиная с верхней части поверхности и двигаясь вниз. Смотровая поверхность люминофора представляет собой тонкий слой материала, который при попадании электронного луча излучает видимый свет. Химический состав люминофора можно изменить, чтобы получить белый, синий, желтый, зеленый или красный цвета. Стеклянная оболочка состоит из относительно плоской лицевой панели, секции воронки и секции шеи. Смотровая поверхность люминофора нанесена на внутреннюю поверхность стеклянной лицевой панели, а узел электронной пушки герметично вставлен в горлышко стекла на противоположном конце. Воронка предназначена для размещения электронной пушки на нужном расстоянии от лицевой панели и для удержания стеклянной оболочки вместе, чтобы внутри готовой трубки мог быть достигнут вакуум.

ЭЛТ, используемый в цветном телевизоре или цветном компьютерном мониторе, имеет несколько дополнительных частей. Вместо одной электронной пушки их три:одна для сигнала красного цвета, одна для синего и одна для зеленого. На смотровой поверхности также используются три различных люминофорных материала - опять же, по одному для каждого цвета. Эти люминофоры осаждаются в виде очень маленьких точек в повторяющемся узоре на экране - красных, синих, зеленых, красных, синих, зеленых и т. Д. Ключ к цветному ЭЛТ - это кусок перфорированного металла, известный как теневая маска, который помещают между электронными пушками и экраном. Перфорация в теневой маске совмещена таким образом, что красная пушка может стрелять электронами только по точкам люминофора, которые дают красный цвет, синяя пушка - по синим точкам, а зеленая пушка - по зеленым точкам. Регулируя интенсивность луча для каждого цвета при его сканировании по экрану, можно получать разные цвета в разных областях экрана, создавая, таким образом, цветное изображение. Чтобы дать представление о том, насколько маленькими должны быть отверстия и точки, 25-дюймовый (63 см) цветной телевизионный кинескоп может иметь теневую маску с 500 000 отверстий и 1,5 миллиона отдельных точек люминофора.

Дизайн

Электронная пушка должна разрабатываться для каждого нового применения. Новые размеры экрана, новые общие размеры стеклянной оболочки и новые требования к разрешению изображения - все это требует новой конструкции пистолета. Для более ярких изображений могут потребоваться ускоряющие катушки большей мощности. Более высокое разрешение изображения может потребовать улучшенных катушек фокусировки луча или пластин. Хотя основной дизайн остается прежним, детали постоянно дорабатываются.

Точно так же базовая конструкция люминофорной поверхности обзора довольно хорошо определена, но детали могут измениться. Новые требования к разрешению изображения могут потребовать нового метода нанесения точек люминофора на лицевую панель, что, в свою очередь, может потребовать новых технологий обработки материалов. Поиск более естественных цветов может привести к созданию новых рецептур материалов. Время, в течение которого люминофор излучает свет или светится, после поражения электронным лучом также имеет важное значение и контролируется химическим составом люминофора. Это свойство называется настойчивостью. В цветном телевидении электронный луч сканирует экран 25 раз в секунду. Если постоянство превышает одну двадцать пятую секунды (0,04 секунды), изображение будет показывать два сканирования одновременно и будет выглядеть размытым. Если постоянство короче этого времени, изображение из первого сканирования исчезло бы до того, как появилось второе сканирование, и изображение могло бы мерцать.

Даже стеклянный конверт требует обширного дизайна. Прочность, характеристики поглощения излучения, температурный допуск, ударопрочность, диэлектрические свойства и оптическая прозрачность - вот некоторые из критериев, используемых при проектировании стеклянных компонентов. Компьютеры могут использоваться для выполнения анализа методом конечных элементов для оценки напряжений в оболочке сложной формы. Этот метод делит деталь на конечное число меньших, более легко определяемых частей или элементов, а затем выполняет вычисления для каждого элемента, чтобы определить недопустимо высокие концентрации напряжений. С помощью компьютера можно легко отрегулировать размеры контуров и толщину стен, пока не будет получен удовлетворительный дизайн.

Сырье

Электронно-лучевые трубки используют интересное и разнообразное сырье. Во многих случаях именно сырье, а не процесс проектирования или производства, определяет рабочие характеристики готового продукта.

Электронная пушка состоит из множества металлических деталей. Катод или эмиттер электронов изготовлен из цезиевого сплава. Цезий используется в качестве катода во многих электронных лампах, потому что он легко испускает электроны при нагревании или попадании света. В ЭЛТ катод нагревается с помощью электрического провода с высоким сопротивлением. Катушки ускорения, фокусировки и отклонения могут быть изготовлены из медной проволоки малого диаметра. Стеклянная трубка выступает из задней части узла электронной пушки и используется для откачки воздуха из готовой ЭЛТ.

Поверхность обзора люминофора формируется из сплошного слоя одного материала в монохроматических ЭЛТ или состоит из отдельных точек трех разных материалов в цветных ЭЛТ. Сульфид цинка - распространенный люминофор. Цвет определяется добавлением очень небольшого количества материала, называемого активатором. Сульфид цинка с 0,01% активатором серебра излучает синий свет. Когда используется активатор меди 0,001%, он дает зеленый свет. Смесь сульфида цинка и сульфида кадмия 50/50 с активатором серебра 0,005% дает желтый свет. Красный свет может быть получен путем добавления серебра или меди к сульфиду цинка, смешанному с ЭЛТ состоит из трех основных частей:узла электронной пушки, поверхности обзора люминофора и стеклянной оболочки. Сборка электронной пушки состоит из нагреваемого металлического катода, окруженного металлическим анодом. Смотровая поверхность люминофора представляет собой тонкий слой материала, который излучает видимый свет при попадании электронного луча. Стеклянная оболочка состоит из относительно «крысиной» лицевой панели, секции воронки и секции шеи. высокий процент сульфида кадмия. Люминофоры обычно измельчают в мелкий порошок перед нанесением на внутреннюю поверхность лицевой панели.

Для изготовления каждой из трех составляющих стеклянной оболочки используется немного другое сырье. Основным сырьем для всех стеклянных компонентов является кремнезем. Оксид алюминия может быть добавлен для регулирования свойств текучести расплавленного стекла при его формовании. Для понижения температуры плавления используются различные оксиды. Оксид бария, оксид стронция и оксид свинца используются для обеспечения радиационной защиты шейки и воронки. Лицевая панель, с другой стороны, должна иметь минимум оксида свинца, чтобы предотвратить явление обесцвечивания, известное как электронное или рентгеновское потемнение. Оксид неодима может быть использован на лицевой панели для увеличения контрастности просматриваемого изображения.

В цветных ЭЛТ теневая маска обычно изготавливается из тонкого листа никелевого сплава.

Производственный
процесс

Стеклянная оболочка или ее компоненты обычно формируются на заводе по производству стекла и отправляются производителю электронно-лучевой трубки, который формирует люминофорный смотровой экран, изготавливает и собирает электронную пушку и собирает готовую ЭЛТ.

Формирование стеклянного конверта

• 1 Стеклянные ингредиенты взвешиваются и смешиваются перед плавлением. Стекло плавится в газовых печах размером около 500-3000 квадратных футов (46-279 кв.м). Если это непрерывный процесс, добавляются новые ингредиенты для поддержания постоянного уровня по мере того, как расплавленное стекло вытекает из печи в области формования. Перед формованием расплавленное стекло необходимо немного охладить и сделать однородным по температуре.
• 2 Лицевая панель обычно прижимается к желаемой форме, бросая каплю расплавленного стекла в форму и нажимая на нее плунжером. Воронка может быть сформирована прессованием или центробежным литьем. При литье капля расплавленного стекла падает в форму, которая затем быстро вращается, чтобы равномерно распределить стекло по внутренней поверхности формы. Диск с канавками в верхней части формы разрезает мягкое стекло на нужной высоте, так что излишки стекла можно легко удалить. Горловина сделана из стеклянной трубки, а один конец расширен, чтобы облегчить установку электронной пушки.
• 3 В монохроматическом ЭЛТ три стеклянных компонента соединяются вместе перед отправкой производителю ЭЛТ. В цветном ЭЛТ соединяются только горловина и воронка, а лицевая панель отправляется отдельно для дальнейшей обработки. Стеклянные компоненты обычно соединяются путем нагрева сопрягаемых поверхностей до высокой температуры с помощью газовых форсунок или электрических нагревателей.

Применение люминофоров

• 4 В монохроматических ЭЛТ поверхность обзора люминофора нанесена на внутреннюю поверхность стеклянной лицевой панели. Это делается путем приготовления жидкой суспензии люминофора и заливки отмеренного количества в горлышко стеклянной оболочки вместе с гелеобразующим агентом. Примерно через 20 минут покрытие застынет, и лишняя жидкость слит. Процесс изготовления цветных ЭЛТ более сложен. Сначала теневая маска изготавливается путем нанесения светочувствительного покрытия на тонкий материал маски, воздействия на него света через перфорированный шаблон, а затем протравливания открытого покрытия кислотой с образованием миллионов отверстий. Затем маска прижимается к слегка изогнутой форме и прикрепляется сразу за лицевой пластиной. Лицевая панель помещается в центрифугу, а внутренняя поверхность покрывается зеленым люминофором. Центрифуга вращает лицевую панель, чтобы обеспечить равномерное покрытие люминофора. Через маску проходит сильный ультрафиолетовый свет, который превращает материал зеленого люминофора в сотни тысяч точек. Оставшийся материал затем смывается. Этот процесс повторяется для формирования красных и синих точек люминофора, при этом ультрафиолетовый свет каждый раз немного смещается. Когда этот процесс закончен, стеклянная лицевая панель присоединяется к воронке. На цветных трубках точки люминофора чувствительны к высоким температурам, поэтому вместо использования высокотемпературных газовых струй на стык наносится смесь химического растворителя и порошкового стекла, называемая фриттой. Это действует как стеклянный «припой», и стык можно герметизировать при гораздо более низкой температуре.

Сборка электронной пушки

• 5 Металлические компоненты электронной пушки изготовлены с высокой точностью. Если используются катушки, они намотаны из тонкой медной проволоки. В некоторых электронных пушках вместо катушек используются металлические пластины, которые штампуются и формуются. Компоненты собираются вручную или с помощью автоматизированных машин в чистой среде. Стеклянная трубка запаяна в основании, а основание приваривается к узлу пистолета.

Окончательная сборка и упаковка

• 6 Внутренняя часть горлышка стеклянной оболочки смазывается графитом, а электронная пушка вставляется и выравнивается. Затем шея герметизируется вокруг пистолета. К стеклянной трубке, выходящей из задней части пистолета, прикреплен вакуумный насос, а воздух из внутренней части ЭЛТ откачивается. Когда будет достигнут надлежащий вакуум, стеклянная трубка нагревается и быстро сжимается, образуя уплотнение.
• 7 Готовая ЭЛТ проверяется на работоспособность и тщательно упаковывается во избежание повреждений. Поскольку ЭЛТ находится в высоком вакууме, любой разрыв стеклянной оболочки может привести к внутреннему взрыву, известному как имплозия.

Контроль качества

Хотя принцип работы электронно-лучевой трубки прост, производственный процесс требует строгого контроля и точной юстировки. Люминофорные материалы должны быть очень чистыми, чтобы получить желаемый цвет. Даже небольшое отклонение в количестве используемого активатора может привести к значительному изменению цвета. Аналогичным образом, если учесть, что ЭЛТ для цветного телевидения требует размещения более миллиона крошечных точек рядом на обзорной поверхности, даже небольшая ошибка в совмещении может иметь катастрофические последствия.

Побочные продукты и переработка

Основным побочным продуктом производства ЭЛТ является стеклянный лом. Большая часть этого стекла перерабатывается. Переработанное стекло с высоким содержанием оксида свинца используется для обеспечения радиационной защиты в воронках для ЭЛТ и полностью заменило предыдущие источники оксида свинца для этого применения.

Будущее

Мировой рынок электронно-лучевых трубок оценивался примерно в 400 миллионов единиц в 1994 году и, как ожидается, будет расти на 6% в год до 2000 года. Ожидается, что рынок цветного телевидения будет расти на 5% в год, в то время как рынок цветных компьютеров ожидается, что рынок мониторов вырастет на 20%. Ожидается, что на рынке телевидения сохранится спрос на кинескопы большего размера с более высоким разрешением изображения.

Одной из важных тенденций является развитие телевидения высокой четкости (HDTV), скорость сканирования которого более чем в два раза выше, чем у обычных систем. Для этого потребуются новые конструкции электронных пушек, а также новые стеклянные материалы и технологии, позволяющие справиться с удвоенной интенсивностью излучения.