Tube à rayons cathodiques

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Le tube à rayons cathodiques ( CRT , en abrégé tube de Braun ) est un tube électronique qui produit un faisceau focalisé d' électrons . Celui-ci peut être dévié ou modulé au moyen de champs magnétiques ou électriques, de sorte qu'une image visible est générée lorsque le faisceau d'électrons frappe une couche de phosphore fixée à l'intérieur du tube . À d'autres fins, le faisceau d'électrons généré n'est pas utilisé pour la visualisation directe, par exemple dans le microscope électronique , le bêtatron ou le tube à rayons X..

L'application la plus connue est le tube cathodique des téléviseurs , mais ceux-ci ont maintenant été largement remplacés par les écrans à plasma et à cristaux liquides (LC) .

Tube image noir et blanc 9″ avec unité de déviation associée à partir d'un moniteur de caisse
Tube à rayons cathodiques (schéma de déviation magnétique)

histoire

Tube Braun, 1897

Le tube à rayons cathodiques à déviation horizontale et verticale du faisceau a été développé par Ferdinand Braun en 1897 , c'est pourquoi il est aussi appelé tube de Braun. Initialement, on ne savait pas que le rayonnement émis par la cathode était constitué d'électrons, c'est pourquoi le terme rayons cathodiques a été utilisé pour cela.

Max Dieckmann a suggéré l'utilisation de tubes à rayons cathodiques pour la télévision dès 1906, Braun a rejeté cette idée comme "un non-sens comme le perpetuum mobile ". Cela n'a pas empêché Dieckmann d'utiliser un disque Nipkow pour afficher des modèles métalliques scannés mécaniquement sous forme d'images d'ombre sur le tube image dans un arrangement expérimental.

En 1926, Kenjiro Takayanagi construit le premier téléviseur à tube noir et blanc. (Avant cela, les téléviseurs à décomposition mécanique de l'image existaient déjà, voir aussi Télévision mécanique .) Il a d'abord transmis un caractère japonais à l'aide d'un tube Braun. Il réussit plus tard la première transmission électronique d'un visage humain. Par conséquent, il est considéré comme le père de la télévision japonaise.

Manfred von Ardenne a grandement contribué à la poursuite du développement du tube de Braun pour les téléviseurs, du microscope électronique à balayage et des puissantes sources de faisceaux d'électrons pour les applications industrielles.

Construction

Les champs magnétiques externes affectent la déviation et l'affichage des couleurs d'un tube cathodique tricolore

Le tube à rayons cathodiques se compose d'une ampoule en verre fermée et sous vide avec une cathode chaude , le cylindre de Wehnelt assis devant la cathode , plusieurs électrodes de focalisation et une anode . Le flacon en verre vide d'air est sous la pression d'air non négligeable d'environ 1 bar , ce qui correspond à une charge d'un kilogramme par centimètre carré du flacon. Plus l'ampoule du tube est grande, plus elle doit être stable, ce qui est obtenu en utilisant une paroi d'ampoule en verre plus épaisse.

Le cylindre de Wehnelt est utilisé pour contrôler la luminosité, mais est également destiné à empêcher le faisceau d'électrons de diverger (s'éloigner) immédiatement après sa génération. Il entoure la cathode comme un pot et a un petit trou dans son fond, vers l'écran, par lequel le faisceau peut s'échapper.

Dans les tubes à rayons cathodiques, l'anode est souvent fendue. Cela consiste en:

  • une électrode de pré-accélération en forme de cylindre dont les plans parallèles sont situés dans la trajectoire du faisceau,

en plus pour les tubes d'image et d' oscilloscope

  • un revêtement électriquement conducteur ( Aquadag ) de l'ampoule en verre dans la partie conique à paroi interne de l'ampoule ainsi que
  • un écran à l'autre extrémité de l'ampoule. Il s'agit de minéraux qui émettent de la lumière visible lorsqu'ils sont bombardés d'électrons ou, dans des cas particuliers, absorbent également plus de lumière provenant de l'extérieur.

L'écran luminescent avec un support en aluminium dans les tubes cathodiques et (dans le cas des tubes cathodiques couleur ) le masque perforé ou à fentes sont également au potentiel anodique. D'une part, la couche d'aluminium augmente la luminosité réalisable (la lumière tombant vers l'intérieur de la couche luminescente est réfléchie), d'autre part, le contraste réalisable (les zones sombres ne sont plus éclairées par la lumière diffusée dans l'ampoule). De plus, il empêche la formation de la tache ionique .

Selon le type de tube, la partie conique de l'ampoule de verre est souvent recouverte d'une fine couche de graphite mise à la terre à l'extérieur pour protéger le reste de l'appareil des processus d'égalisation de charge (cf. cage de Faraday ). Avec le revêtement d'anode interne, cette couche externe forme un condensateur pour lisser la tension d'anode. Il existe également des modèles de tubes dans lesquels le cône lui-même est en métal et est au potentiel d'anode. Cependant, cette construction n'a pas pu s'imposer en raison de l'étanchéité permanente et difficile à maîtriser du vide entre le cône métallique et l'écran de verre et pour des raisons d'isolation.

génération de faisceau

Vue d'un col de tube image avec un système installé en biais

Si une tension électrique élevée est appliquée entre la cathode chauffée et l'anode, les électrons s'échappant de la cathode sont accélérés par un champ électrique résultant et traversent le champ d'accélération jusqu'à l'écran, sur lequel ils génèrent de la lumière par fluorescence.

La vitesse des électrons qui s'échappent peut être calculée (de manière non relativiste) en utilisant l'hypothèse suivante :

Toute l'énergie électrique du champ électrique, générée par une tension , est convertie en énergie cinétique lors du passage par cette tension :

La formule suivante résulte de l' énergie électrique via l' intensité du champ électrique :

En assimilant à et en convertissant en , la formule suivante résulte :

L'image de droite montre le système de faisceau d'un tube image de télévision obsolète avec un piège à ions . La cathode, chauffée au rouge, n'est pas visible. Le cylindre de Wehnelt et l'électrode de pré-accélération sont visibles à l'extrême droite. Elle est suivie par l'anode à gauche, au cours de laquelle le système de faisceau se plie axialement vers le col du tube. La raison de cette construction est la séparation des ions de gaz résiduels également accélérés du faisceau d'électrons proprement dit, qui autrement provoquait une tache ionique (couche de phosphore détruite par bombardement ionique). Les tubes ultérieurs pouvaient s'en passer car les écrans à dos d'aluminium étaient moins sensibles.

La tension d'anode nécessaire pour une excitation suffisante du luminophore est

  • pour les tubes d'oscilloscope entre 500 et 8 000 volts (parfois jusqu'à 24 000 V),
  • pour les écrans de télévision noir et blanc entre 14 000 et 18 000 volts,
  • pour les écrans de télévision couleur 25 000 à 35 000 volts,
  • avec des tubes spéciaux pour l'agrandissement optique ultérieur de l'image à l'aide de lentilles optiques (méthode de projection) jusqu'à 50 000 volts,
  • souvent plus de 100 000 volts dans les faisceaux d'électrons pour le traitement des matériaux et dans les tubes à rayons X.

Des courants de l'ordre de moins de 1  mA par cathode circulent, de sorte que la consommation électrique totale d'un tube image peut atteindre plusieurs dizaines de watts . Une expérience simple montre que l'affichage d'un point très lumineux réchauffe légèrement le verre (vu par le spectateur) devant la couche luminescente après quelques minutes, tandis que les points sombres restent relativement froids.

Afin de limiter l'intensité et l'énergie quantique du rayonnement X nocif de freinage , la tension d'accélération des tubes de télévision noir et blanc et couleur a été limitée par des normes techniques. Les appareils étaient annoncés à la vente avec leur faible tension d'accélération, par exemple avec un autocollant, et la tension d'accélération était notée au dos du boîtier conformément à la réglementation. La plaque frontale du tube est en verre au plomb pour absorber les rayons X produits lorsque les électrons accélérés frappent l'écran.

focalisation du faisceau

Pour qu'une tache bien définie se forme sur la couche luminescente, il est nécessaire de focaliser la trajectoire du faisceau.

A cet effet, le cylindre anodique est interrompu sur une longueur de quelques centimètres dans des tubes focalisés électrostatiquement. À ce stade, un autre cylindre de plus grand diamètre est fixé, isolé électriquement. La tension de focalisation est appliquée à ce cylindre. Voir aussi optique électronique .

Dans les tubes image de télévision antérieurs, dans les tubes à ondes progressives et dans les microscopes électroniques, le faisceau était également focalisé par des champs magnétiques axiaux au trajet du faisceau.

déviation du faisceau

Système de déviation d'un tube image de télévision depuis l'intérieur, vue en direction de la cathode; seules les bobines de déviation horizontale sont visibles

Le faisceau d'électrons peut être dirigé vers n'importe quel point de l'écran fluorescent au moyen de champs de déviation (champs électriques dans les oscilloscopes ou champs magnétiques dans les écrans de télévision et d'ordinateur). Les champs de déviation sont générés par des tensions électriques sur des plaques de déviation horizontales et verticales ou par des courants électriques dans les bobines de déviation disposées orthogonalement .

Les systèmes de déviation magnétique sont utilisés dans les tubes cathodiques des téléviseurs et des écrans d'ordinateur , car ils permettent de dévier le faisceau à un angle plus grand, ce qui signifie que l'ensemble du tube peut être raccourci.

En revanche, les tubes d'oscilloscope utilisent la déviation électrostatique car il existe une relation constante entre la tension de déviation et l'angle de déviation sur une large plage de fréquences (jusqu'à plusieurs GHz de bande passante, généralement quelques centaines de MHz de bande passante). L'angle de déviation et la tension d'anode sont relativement faibles, c'est pourquoi des tensions de déviation trop importantes ne sont pas nécessaires, mais en contrepartie les tubes sont très longs (jusqu'à 60 cm) pour une diagonale assez petite (typiquement environ 13 cm). Du fait de leur grande longueur, ces tubes sont aussi mécaniquement plus sensibles que les tubes courts à déflexion magnétique.

Un problème avec les tubes cathodiques est les aberrations qui doivent être corrigées. Ceux-ci inclus:

  • distorsions en coussin,
  • Fluctuations de la netteté de l'image en fonction de la position de la tache lumineuse.

Les deux erreurs ont leur origine dans le fait que l'écran fluorescent n'est pas courbé autant qu'il serait nécessaire pour une distance constante du foyer à la cathode pour des raisons de meilleure vision.

Pour le chemin résultant que décrivent les électrons, l'approche montre que les électrons ont une vitesse constante dans leur direction initiale et que les électrons sont déviés (accélérés) dans la direction orthogonale via les champs E en combinant les formules (mouvement uniforme ) et , comme ainsi que et la fonction suivante pour la trajectoire :

modulation du faisceau

En plus de la déviation du faisceau sur l'écran fluorescent, la luminosité de l'impression lumineuse peut être modifiée en appliquant une tension plus ou moins importante au cylindre de Wehnelt, qui est négative par rapport à la cathode. Si cette tension change à une vitesse suffisante alors que le faisceau est continuellement dévié, une trace est obtenue qui est modulée en intensité conformément à la tension appliquée. Cette fonction est donc l'une des plus importantes pour l'affichage habituel des images de télévision à l'aide d'une grille .

Pendant le retour de ligne et de trame (le saut vers les positions de départ), le faisceau d'électrons doit être contrôlé "sombre".

Pour l'affichage de l'image, la modulation nécessite une bande passante très élevée de la tension de commande de zéro à plusieurs mégahertz . Elle est fournie par les amplificateurs de puissance vidéo. Dans le cas des tubes cathodiques, l' amplitude peut atteindre 300 volts.

tubes image couleur

"Electron gun", développé à partir d'un téléviseur couleur; à gauche : vue de côté, la douille de dépression est bien visible ; à droite : vue de face, on voit clairement les trous de sortie des trois faisceaux d'électrons qui contrôlent les trois couleurs

Dans les tubes cathodiques couleur, il existe trois systèmes de faisceaux d'électrons dont les faisceaux se croisent en toutes positions dans la zone d'un masque perforé , à fentes ou à rayures disposé près de la couche luminescente . En raison de leur ombrage, ils ne peuvent toucher qu'une des couleurs fluorescentes de la couche luminescente. Ce sont des rayures ou des points des couleurs primaires rouge, vert et bleu disposés exactement pour correspondre au masque. Les dimensions structurelles du masque et des luminophores sont inférieures au diamètre des faisceaux d'électrons, de sorte que presque la même proportion de celui-ci traverse toujours le masque.

Les cylindres de Wehnelt des trois systèmes de faisceaux d'un tube image couleur sont reliés les uns aux autres - les trois courants de faisceaux (et donc la luminosité des spots lumineux) sont commandés via la tension des cathodes, dont les connexions sont sorties séparément pour cela objectif.

Pour les tubes cathodiques couleur, les exigences techniques et mesures correctives suivantes sont nécessaires :

  • Les trois faisceaux d'électrons doivent toujours toucher ensemble un point sur l'écran (la convergence est obtenue par des bobines de correction dans l'unité de déviation).
  • Les faisceaux doivent traverser le masque d'ombre avec le bon angle afin d'exciter uniquement les points de couleur associés (la pureté des couleurs est assurée par une fabrication précise et un alignement global propre de l'unité de déviation).

La convergence est obtenue en utilisant des bobines de déviation supplémentaires spécialement calculées et entraînées. Pour compenser les distorsions de l'image, des formes plus complexes sont utilisées à la place des courants en dents de scie droits . Les erreurs d'affichage restantes sont souvent corrigées en collant de petits aimants permanents de diverses conceptions géométriques sur l'ampoule du tube ou sur le col lors de la fabrication des tubes cathodiques.

Champs de courant continu magnétique tels. B. le champ magnétique terrestre peut magnétiser le masque perforé. Pour y remédier, il y a des bobines de démagnétisation autour du piston, qui démagnétisent le masque perforé lors de la mise sous tension de l'appareil à l'aide d'un courant alternatif d'intensité lentement décroissante . Aimantations particulièrement fortes telles. B. en déplaçant volontairement un aimant puissant le long de la surface de l'écran ne peut pas être complètement éliminé par cette démagnétisation intégrée.

Tube image couleur masque d'ombre Delta

Structure d'un tube image à masque d'ombre :
1 cathode thermionique, 2 faisceaux d'électrons, 3 bobines de focalisation (plus utilisées), 4 bobines de déviation, 5 connexion d'anode, 6 masque d'ombre, 7 couche fluorescente avec sous-pixels rouges, verts et bleus, 8 vue rapprochée de la couche fluorescente
Coupe d'image d'un tube image couleur à masque d'ombre; Triple disposition des sous-pixels rouges, verts et bleus

Dans les premiers tubes cathodiques couleur et dans de nombreux écrans d'ordinateur , les systèmes de génération de faisceaux, les trous du masque perforé et les points de luminophore étaient disposés sur l'écran de luminophore sous la forme de triangles équilatéraux. Afin d'obtenir une convergence suffisante, des circuits de correction plus étendus sont nécessaires qu'avec les tubes en ligne. Cependant, la qualité d'image est généralement meilleure que celle des types de tubes en ligne, car

  • les influences autrement gênantes sur les lignes verticales, qui sont particulièrement gênantes dans les postes de travail CAO, sont évitées par les structures de masque, qui sont également verticales,
  • Les franges de couleur sur les lignes verticales ne peuvent pas se produire en raison du principe,
  • la disposition des points lumineux permet une résolution plus élevée, les structures sont plus fines.

Cependant, l'utilisation des faisceaux d'électrons est moins efficace - une plus grande proportion des électrons finissent inutilisés sur le masque, car un masque perforé a une surface ouverte plus petite que les masques à fentes et à bandes.

Cependant, les tubes delta ont continué à être utilisés dans le milieu professionnel et pour les moniteurs haute résolution, par exemple dans le domaine médical. Ils ont été trouvés dans des écrans d'ordinateur de haute qualité car la qualité d'affichage justifie l'effort accru. Les difficultés techniques de convergence avec les tubes delta qui existaient encore à l'époque ont entraîné des systèmes de bobines de déviation de plus en plus sophistiqués, de sorte que les moniteurs ne nécessitent qu'une fraction des réglages de correction de l'époque.

Tube image couleur en ligne

La miniaturisation des systèmes de génération de faisceaux au milieu des années 1970 a permis de les disposer côte à côte ("en ligne") dans le col du tube image, avec une réduction simultanée du diamètre du col. Les pigments luminophores sur l'écran du tube image étaient donc également disposés côte à côte en bandes. Cela a considérablement réduit le nombre de mesures correctives nécessaires pour parvenir à la convergence des faisceaux. Des masques à rayures et à fentes sont utilisés dans lesquels, en raison de la plus grande surface ouverte relative, davantage d'électrons atteignent la couche luminescente au lieu de se retrouver inutilisés sur le masque. Pour un courant de faisceau donné, ces tubes délivrent donc une image plus lumineuse que les tubes delta utilisés jusqu'à présent.

Au fil du temps, le tube en ligne a été développé pour devenir le tube Black Matrix . Celui-ci comporte une bande opaque de matériau absorbant la lumière entre les bandes lumineuses individuelles. Il augmente le contraste (la surface de l'écran apparaît plus sombre dans un éclairage extérieur) et la pureté des couleurs (le faisceau limité par le masque peut maintenant frapper un peu plus décentré avant que les bandes lumineuses qui n'appartiennent pas à la cathode correspondante ne soient excitées).

Dans le même temps, Sony a développé le tube Trinitron , dont la différence la plus évidente par rapport au tube en ligne est l'utilisation de fils tendus verticalement à la place du masque à fente. Cela réduit à son tour la zone sur laquelle les électrons sont déchargés inutilisés.

La résolution des tubes en ligne est plus faible dans la direction verticale en raison du motif de fente plus grossier, et les franges de couleur se forment plus facilement perceptibles aux transitions de contraste dures dans l'image, bien que le réglage de convergence soit correct. Des effets de crénelage et de pas à pas se produisent sur les lignes verticales , ce qui rend ces tubes inadaptés aux stations de travail CAO .

Les tubes cathodiques en ligne permettent de se passer presque complètement de l'unité de convergence coûteuse qui était auparavant nécessaire, ce qui a permis pour la première fois de construire des téléviseurs couleur peu coûteux, compacts et faciles à entretenir. A la fin des années 1970, le tube image en ligne permet à la télévision couleur de faire une percée décisive, y compris dans le grand public.

  • Section d'image d'un tube image couleur avec un masque à fente

    Section d'image d'un tube image couleur avec un masque à fente

  • Coupe d'un masque à fente, vue de face

    Coupe d'un masque à fente, vue de face

  • Affichage d'un "12" blanc sur fond noir sur un téléviseur.  Dans le gros plan, vous pouvez voir les couleurs individuelles qui composent les personnages.

    Affichage d'un "12" blanc sur fond noir sur un téléviseur. Dans le gros plan, vous pouvez voir les couleurs individuelles qui composent les personnages.

Tubes cathodiques couleur historiques

chromoscope

Le chromoscope (du grec ancien χρῶμα chroma "couleur" et σκοπεῖν skopein "regarder") développé par DuMont aux USA à la fin des années 1940 [1]consiste en un système de génération de faisceau connu de la technologie noir et blanc. Cependant, les couches luminescentes ne sont pas appliquées sur la surface du verre avant ; à la place, trois treillis métalliques à mailles fines revêtus du luminophore fluorescent coloré respectif sont disposés l'un derrière l'autre à une distance d'environ 1 à 3 mm, les connexions électriques de qui sont acheminés vers l'extérieur. Du point de vue cathodique devant ces trois réseaux, il y a un autre réseau à mailles relativement larges à la même distance, qui, étant au potentiel d'anode, assure une accélération constante des électrons même avec des potentiels alternatifs des réseaux lumineux.

En commutant les réseaux entre les potentiels de cathode et d'anode, les électrons déjà accélérés sont ralentis par les réseaux au potentiel de cathode, de sorte qu'ils ne peuvent pas les atteindre. Seuls les réseaux qui sont au potentiel d'anode sont affectés. [2]

utilisation

En pratique, le tube cathodique classique à écran fluorescent présente différents types de guidage du faisceau d'électrons :

  • Oscillogramme : Ici, un faisceau d'électrons dans le tube image se déplace de gauche à droite sur l'écran, généralement à une vitesse constante, et est dévié verticalement en fonction de la courbe du signal à afficher. Le faisceau d'électrons stimule le revêtement fluorescent relativement à long terme de l'écran pour qu'il brille, donnant l'impression d'une image stationnaire.
  • Déviation vectorielle : Le faisceau d'électrons écrit une image directement sur le revêtement fluorescent de l'écran via deux signaux de commande modulés (horizontal) axe X (abscisse), (vertical) axe Y (ordonnée). Ce stylet peut être posé et remis en place à un autre endroit grâce à la modulation de la luminosité du faisceau. Utilisé dans les premiers jeux informatiques (jeu vectoriel Asteroids [3] , Radar).
  • Déviation de ligne (déviation de trame) : le faisceau d'électrons écrit à plusieurs reprises l'image ligne par ligne en utilisant le processus de trame (voir la section suivante), très similaire à par ex. B. Une personne lit un livre.

images raster

Construction d'images sur un téléviseur à tube

Une grille est générée sur la surface de l'écran pour la génération d'images . Le faisceau d'électrons se déplace de gauche à droite à grande vitesse et de haut en bas à une vitesse plus faible, balayant les pixels ligne par ligne. A la fin d'une ligne, il revient au début de la ligne suivante. Lorsque le bas de l'écran est atteint, le faisceau revient en haut et le processus recommence. C'est ainsi qu'une grille est créée. Plus ces processus sont rapides, meilleure est l'impression d'une image fixe et sans scintillement causée par l'inertie de l'œil humain.

L'intensité des faisceaux d'électrons peut être influencée à grande vitesse. L'intensité actuelle détermine la luminosité des pixels individuels . De cette manière, la luminosité globale d'un pixel peut être contrôlée et presque tous les mélanges de couleurs peuvent être effectués. Le contenu de l'image est généré séquentiellement dans le temps via la luminosité des spots de faisceau.

Les tubes à rayons cathodiques étaient utilisés dans les téléviseurs et les écrans d'ordinateur. Ici, cependant, ils ont été presque entièrement remplacés par des écrans à plasma et à cristaux liquides , qui ont une structure beaucoup plus plate en raison du principe en cause. Les graphiques raster sont également affichés dans certains oscilloscopes à mémoire numérique, mais ici avec une déviation électrostatique comme dans leurs prédécesseurs avec affichage de graphiques vectoriels.

tubes de caméra de télévision tels que B. le vidicon , utilise également un principe similaire à celui du tube cathodique avec balayage tramé pour balayer l'image de charge.

Dans les radars plus anciens , les tubes à rayons cathodiques sont utilisés pour afficher des images en coordonnées polaires, la déviation d'angle étant fournie par un système de déviation magnétique rotatif et la déviation de distance étant effectuée électrostatiquement.

Les microscopes électroniques à balayage et à transmission contiennent des tubes cathodiques pour « éclairer » les échantillons avec des électrons.

Graphiques vectoriels

Les tubes à rayons cathodiques sont utilisés dans les oscilloscopes analogiques et divers appareils de laboratoire (récepteurs de mesure, émetteurs de balayage ) pour afficher les résultats de mesure sous forme de graphiques vectoriels dans un système de coordonnées rectangulaires. L'ordonnée est soit le temps, la fréquence ou une seconde valeur mesurée.

Les tubes à images de stockage ont été utilisés pour les premières applications graphiques dans le domaine du traitement de l'information , dans lesquelles une image une fois écrite reste jusqu'à ce que l'image entière soit réinitialisée par une commande d'effacement. L'image est stockée dans la couche luminescente ; cela signifie qu'aucun tampon de trame n'est requis. Les oscilloscopes à mémoire analogique fonctionnent de la même manière .

applications de faisceau d'électrons

Les microscopes électroniques à balayage contiennent des tubes cathodiques pour « éclairer » les échantillons avec des électrons. Ils peuvent souvent également être équipés pour l'analyse de surface des matériaux, les méthodes correspondantes sont, par exemple, la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX), la microanalyse par faisceau d'électrons (ESMA) ou la spectroscopie d'électrons Auger (AES).

Même les soi-disant canons à électrons avec des sorties de centaines de kilowatts pour le soudage par faisceau d'électrons sont en principe des tubes à rayons cathodiques.

Les faisceaux d'électrons sont utilisés pour réticuler les polymères (réticulation par faisceau d'électrons).

Le betatron contient un système à rayons cathodiques pour injecter les électrons à accélérer dans le système accélérateur.

Les tubes à rayons cathodiques sont utilisés dans les processus de lithographie par faisceau d'électrons pour l'écriture ou l'exposition directe dans la production de semi-conducteurs et pour la microstructuration/l'alignement de structures à couches minces .

Dans les tubes à ondes progressives , les klystrons , les carcinotrons et les gyrotrons , le faisceau d'électrons interagit avec un champ à haute fréquence et sert à générer ou à amplifier des micro -ondes .

Dans les tubes à rayons X , le faisceau d'électrons frappe une surface métallique, où il génère un rayonnement de rayonnement X.

Génération ou projection indirecte d'images

Le tube d'écriture bleu non lumineux [4] ou Skiatron nécessite une source de lumière externe. Au lieu de frapper une couche luminescente, le faisceau d'électrons frappe une couche d'halogénures de métaux alcalins déposés en phase vapeur, généralement du chlorure de potassium , visible de l'extérieur . La charge négative du faisceau provoque une décoloration des zones touchées, qui apparaît bleu à bleu-violet selon le type. Cette trace est très permanente (de quelques minutes à quelques jours) et peut être effacée par chauffage.

L' eidophor est un processus de projection d'image basé sur une couche d'huile irradiée de type raster.

fabrication

Le système de génération de faisceaux est assemblé sur mesure à partir de pièces individuelles embouties à l'aide de gabarits par soudage par points et soudé à la base du tube, qui est produite dans une opération séparée, au niveau de ses fils traversants. Des guides et des encastrements en vitrocéramique le long du système augmentent l'absence de vibrations de la structure en cas de chocs. Des ressorts à lames à l'extrémité de la structure assurent le contact électrique avec le revêtement d'anode à l'intérieur du cône du tube et un maintien plus stable du système du côté autrement flottant.

Dans le cas des tubes cathodiques, le col, le cône et l'écran sont produits dans des étapes de travail séparées et fusionnés ensemble. Ils sont faits de différents types de verre. Avec les tubes d'oscilloscope, l'ensemble de l'ampoule et du col sont soufflés à la machine en une seule pièce - il y a moins d'exigences de protection contre les rayons X et la taille plus petite permet moins de résistance.

Les tubes cathodiques ont une protection contre l'implosion , qui consiste en un bandage autour de l'écran et absorbe les contraintes de traction qui se produisent autrement dans le verre. Les bandes métalliques (bande de jante) portent également les supports de montage du tube image.

Des broches d' écran (épingles en acier) sont fondues dans les coins d'écran des tubes image couleur , auxquels le masque en acier Invar est fixé avant l'assemblage. Le positionnement du masque par rapport à l'écran doit être très précis et mécaniquement stable.

Des exigences élevées sont imposées au verre :

  • Qualité optique (sans bulles, cailloux, rayures)
  • Solidité mécanique
  • Blindage du rayonnement X résultant
  • Coefficient de dilatation thermique adapté au masque pour les tubes cathodiques couleur
  • Bonne liaison étanche au vide entre le verre et les traversées électriques.

Ces exigences ne peuvent souvent être satisfaites qu'en utilisant différents types de verre.

Le luminophore est appliqué à l'intérieur de l'écran. Afin d'obtenir un revêtement aussi uniforme que possible, les luminophores sont mélangés à un liquide chimiquement neutre vis-à-vis du luminophore ( suspension ) et déposés lentement à l'intérieur de l'écran dans un processus complexe et entièrement automatisé ( sédimentation ). Le liquide porteur est ensuite soigneusement déversé et le luminophore est fixé par cuisson après séchage complet .

Dans les tubes de télévision couleur, la couche luminescente n'est pas constituée d'une couche homogène, mais de nombreux petits points ou bandes convenablement agencés de trois matériaux luminescents différents dans les couleurs primaires rouge, vert et bleu. Avec les tubes à matrice noire, les bandes sont séparées les unes des autres par une bande de graphite noir. Les rayures ou points sont structurés par photolithographie en utilisant précisément le masque qui sera installé ultérieurement.

Dans une autre opération, une fine couche de séparation lisse est appliquée sur le luminophore relativement granuleux sur des tubes cathodiques, sur lesquels une couche d'aluminium est appliquée par dépôt en phase vapeur. Cette couche intermédiaire est ensuite à son tour éliminée par cuisson.

Après la fusion des parties en verre, le tube image, comme les tubes électroniques, est évacué , dégazé, getter et vieilli artificiellement. Le fabricant de tubes cathodiques fixe également le système de déviation magnétique et les aimants de correction.

Conduit

Rayonnement X

A partir d'une tension d'anode d'environ 20 kV, des rayons X sont générés sous forme de bremsstrahlung , également sur les écrans des téléviseurs à tube, comme ils étaient courants avant les écrans plats. Après que les dangers associés à l'augmentation des tensions d'anode, en particulier après l'introduction de la télévision couleur, ont été reconnus, des réglementations internationales en matière de radioprotection et des valeurs limites ont été introduites, qui en Allemagne sont réglementées par l'ordonnance sur la protection contre les dommages causés par les rayons X , en bref l'ordonnance sur les rayons X (RöV) , entrée en vigueur en 1987 . Dans le cas d'un téléviseur, le débit de dose local à 10 cm de la surface de l'écran ne doit donc pas être supérieur à 1 µSv/h conformément à l'article 5 (4) RöV.

De l'oxyde de plomb est ajouté au verre du cône du tube image . Étant donné que ce verre se décolore en brun lorsqu'il est exposé aux rayons X pendant une longue période de temps, des verres contenant du strontium et du baryum sont utilisés dans le verre pour le verre d'écran avant, visible, et il a également une paroi très épaisse de toute façon pour des raisons de stabilité . Les deux mesures réduisent le rayonnement X émis.

La tension d'accélération utilisée, qui détermine la longueur d'onde limite inférieure du rayonnement de rayonnement X et donc sa « dureté » ou capacité de pénétration, est limitée à environ 27 kV.

Dans les premiers tubes cathodiques de télévision, un soi-disant piège à ions avec un canon à électrons intégré à un angle et un aimant permanent pour dévier le faisceau vers l'écran (voir l'image ci-dessus) était utilisé.

protection contre les implosions

L' implosion d'un tube à rayons cathodiques, comme celle d'autres tubes sous vide, est très dangereuse en raison des éclats de verre volants. Il doit donc être évité et nécessite un équipement de protection spécifique (lunettes, vêtements de protection) lors de sa manipulation.

Initialement, le tube image était protégé "par une vitre de protection incassable pour protéger le spectateur". [5]

Les tubes cathodiques ont aujourd'hui une protection contre l'implosion sous la forme d'un anneau métallique pré-tendu (bande de jante) autour de l'écran. Il absorbe les contraintes de traction qui se produisent autrement dans le verre et porte également les supports pour le tube cathodique. Cependant, la protection contre l'implosion n'inclut pas le col du tube image. En cas de rupture, il peut s'échapper à travers l'écran – à moins que l'écran ne soit suffisamment résistant (tubes image à sécurité intrinsèque). Les tubes cathodiques ne doivent donc pas être manipulés par le cou.

Si le faisceau d'électrons atterrit à l'intérieur du col du tube en raison d'une déviation incorrecte, le tube image peut imploser en raison d'une contrainte thermique. Avant cela, il libère plus de rayons X en raison du verre fin qui s'y trouve. Les appareils dans lesquels la tension d'anode n'est pas obtenue à partir des impulsions de retour de la déviation de ligne, comme c'est généralement le cas, ont souvent un dispositif qui coupe la tension d'anode si la déviation est défectueuse.

Le circuit de déviation verticale, qui fonctionne de manière indépendante, est également souvent conçu de telle manière qu'en cas de défaillance, le courant du faisceau est coupé. Cette mesure empêche également le rodage d'une ligne horizontale fine et très lumineuse qui se produit en cas d'erreur.

espionnage

Les ondes électromagnétiques émises par la déviation et la modulation de luminosité des faisceaux d'électrons ( émission compromettante ) peuvent être captées à des fins d' espionnage afin de les afficher sur un deuxième écran grâce à la technique de phreaking de Van Eck .

Voir également

les détails

  1. Renate Wahrig-Burfeind (éd.) : Wahrig. Dictionnaire illustré de la langue allemande . ADAC-Verlag, Munich 2004, ISBN 3-577-10051-6 , p. 158 .
  2. Arthur C. Brownell : Le Chromoscope, un nouveau tube de visualisation de la télévision couleur. Génie électronique, volume 20, juin 1948, page 190
  3. Jeu vectoriel Asteroids. heise.de, c't n° 17 du 21 juillet 2008, page 187
  4. Tube d'écriture bleu.pdf Tube d'écriture bleu (PDF; 789 Ko)
  5. Werner W. Diefenbach : Service de télévision . Dans : Manuel technique de réparation de radio et de télévision . ruban 2 . Franck'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart 1961, p. 144 .

liens web

Commons : Cathode Ray Tube  - Album contenant des images, des vidéos et des fichiers audio