阴极射线管

背景

阴极射线管，通常称为 CRT，是一种电子显示设备，其中电子束可以聚焦在磷光显示屏上，并在位置和强度上迅速变化以产生图像。阴极射线管最著名的应用可能是作为电视中的显像管。其他应用包括用于示波器、雷达屏幕、计算机显示器和飞行模拟器。

阴极射线管是由斯特拉斯堡的费迪南德·布劳恩于 1897 年在当时的法德阿尔萨斯-洛林地区开发的。它最初用作示波器来查看和测量电信号。 1908 年，A.A.英国的 Campbell-Swinton 提议使用 CRT 以电子方式发送和接收图像。然而，直到 1920 年代，第一个实用的电视系统才被开发出来。彩色阴极射线管的概念于1938年提出，1949年研制成功。

尽管通用电气于 1928 年推出了他们的第一台家用电视机，但商业电视广播仍然是一种实验技术，只有有限的范围和观众。直到 1940 年代后期，电视网络才足以确立自己的地位，从而开始了消费销售的繁荣。黑白电视机在 1960 年代让位于第一批彩色电视机。在接下来的几十年里，随着制造商寻求满足消费者的需求，用于电视的阴极射线管变得越来越大。最近的发展包括具有更平坦的表面、更锐利的角落和更高分辨率的管子，以获得更好的观看效果。

CRT 由三个基本部分组成：电子枪组件、荧光粉观察面和玻璃外壳。电子枪组件由被金属阳极包围的加热金属阴极组成。阴极被赋予负电压，阳极被赋予正电压。来自阴极的电子流过阳极上的一个小孔，产生一束电子。电子枪还包含电线圈或板，它们加速、聚焦和偏转电子束，以从表面顶部开始并向下工作的快速横向扫描运动撞击磷光体观察表面。荧光粉观察表面是一层薄薄的材料，当被电子束撞击时会发出可见光。可以改变磷光体的化学成分以产生白色、蓝色、黄色、绿色或红色。玻璃外壳由相对平坦的面板、漏斗部分和颈部部分组成。荧光粉观察面沉积在玻璃面板的内侧，电子枪组件密封在另一端的玻璃颈部。漏斗的目的是将电子枪与面板隔开适当的距离，并将玻璃外壳固定在一起，以便在成品管内实现真空。

彩色电视或彩色计算机显示器中使用的 CRT 有一些附加部件。不是一支电子枪，而是三支——一支用于红色信号，一支用于蓝色信号，一支用于绿色信号。观察面上还使用了三种不同的磷光体材料——同样，每种颜色一种。这些磷光体以非常小的点的形式沉积在屏幕上的重复图案中——红色、蓝色、绿色、红色、蓝色、绿色等等。彩色 CRT 的关键是一块穿孔金属，称为荫罩，它位于电子枪和显示屏之间。荫罩上的孔是对齐的，因此红色枪只能向产生红色的荧光点发射电子，蓝色枪发射蓝色点，绿色枪发射绿色点。通过控制每种颜色的光束在屏幕上扫描时的强度，可以在屏幕的不同区域产生不同的颜色，从而产生彩色图像。为了了解穿孔和点必须有多小，一个 25 英寸（63 厘米）的彩色电视显像管可能有一个带有 500,000 个穿孔和 150 万个单独荧光点的荫罩。

设计

电子枪必须针对每个新应用进行设计。新的屏幕尺寸、新的整体玻璃外壳尺寸和新的图像分辨率要求都需要新的枪设计。更亮的图像可能需要更高功率的加速线圈。更精细的图像分辨率可能需要改进的光束聚焦线圈或板。在基本设计保持不变的同时，细节不断完善。

同样，磷光体观察面的基本设计相当明确，但细节可能会发生变化。新的图像分辨率要求可能需要一种在面板上沉积荧光点的新方法，而这又可能需要新的材料加工技术。寻找更真实的颜色可能会产生新的材料配方。磷光体在被电子束撞击后发光或发光的时间量也很重要，并且受磷光体的化学成分控制。此属性称为持久性。在彩色电视中，电子束每秒扫描屏幕 25 次。如果余辉长于五分之一秒（0.04 秒），则图像将同时显示两次扫描并且会显得模糊。如果余辉比这个时间短，则第一次扫描的图像会在第二次扫描出现之前消失，并且图像会出现闪烁。

甚至玻璃外壳也需要广泛的设计。强度、辐射吸收特性、温度耐受性、抗冲击性、介电特性和光学透明度是设计玻璃组件时使用的一些设计标准。计算机可用于执行有限元分析以评估复杂包络形状中的应力。这种技术将零件分成有限数量的更小、更容易定义的零件或元素，然后对每个元素执行计算以发现不可接受的高应力集中。使用计算机，轮廓和壁厚的尺寸可以很容易地调整，直到获得满意的设计。

原材料

阴极射线管使用有趣且多样的原材料组合。在许多情况下，决定成品的性能特征的是原材料，而不是设计或制造过程。

电子枪由多种金属片制成。阴极或电子发射器由铯合金制成。铯在许多电子真空管设备中用作阴极，因为它在加热或被光照射时很容易释放出电子。在 CRT 中，阴极用高电阻电线加热。加速、聚焦和偏转线圈可由小直径铜线制成。玻璃管从电子枪组件的后部伸出，用于从成品 CRT 中排出空气。

荧光粉观察表面由单色 CRT 中的单一材料的连续层形成，或由彩色 CRT 中三种不同材料的单个点组成。硫化锌是一种常见的磷光体材料。颜色是通过添加非常少量的称为活化剂的材料来确定的。含 0.01% 银活化剂的硫化锌发出蓝光。当使用 0.001% 铜活化剂时，它会产生绿光。硫化锌和硫化镉的 50/50 混合物与 0.005% 银活化剂会产生黄光。在硫化锌中加入银或铜可以产生红光 CRT 由三个基本部分组成：电子枪组件、荧光粉观察面和玻璃外壳。电子枪组件由被金属阳极包围的加热金属阴极组成。荧光粉观察表面是一层薄薄的材料，当被电子束撞击时会发出可见光。玻璃外壳由一个相对大鼠面板、一个漏斗部分和一个颈部组成。硫化镉含量高。荧光粉通常先研磨成细粉，然后再施加到面板内部。

玻璃外壳的三个组成部分中的每一个都使用略有不同的原材料。所有玻璃组件的基本原材料都是二氧化硅。可添加氧化铝以在形成熔融玻璃时调节熔融玻璃的流动特性。使用各种氧化物来降低熔化温度。氧化钡、氧化锶和氧化铅用于在颈部和漏斗中提供辐射防护。另一方面，面板必须含有最少的氧化铅，以防止出现称为电子或 X 射线褐变的变色现象。可以在面板上使用氧化钕以增强所查看图片的对比度。

在彩色 CRT 中，荫罩通常由镍合金薄片制成。

制造
过程

玻璃外壳或其组件通常在玻璃制造厂形成，然后运送到阴极射线管制造商，该制造商形成荧光屏、制造和组装电子枪，并组装完成的 CRT。

形成玻璃外壳

• 1 在熔化前称量并混合玻璃成分。玻璃在大小约 500-3,000 平方英尺（46-279 平方米）的燃气炉中熔化。如果这是一个连续的过程，当熔融玻璃从熔炉流出到成型区域时，会添加新的成分以保持恒定的水平。在成型之前，熔融玻璃必须稍微冷却，并使整个温度均匀。
• 2 通常通过将一滴熔融玻璃滴入模具中并用柱塞压在该滴上，将面板压制成所需的形状。漏斗可以通过压制或离心铸造形成。在铸造方法中，一滴熔融玻璃滴入模具中，然后快速旋转以将玻璃均匀地散布在模具的内表面上。靠近模具顶部的开槽盘在所需的高度切割软玻璃，以便可以轻松去除多余的玻璃。颈部由玻璃管制成，一端是喇叭形的，以方便电子枪的插入。
• 3 在单色 CRT 中，三个玻璃组件在运送到 CRT 制造商之前连接在一起。在彩色 CRT 中，只有颈部和漏斗连接在一起，面板单独运输以进行进一步加工。玻璃部件通常通过使用气体喷射器或电加热器将配合表面加热到高温来连接。

应用荧光粉

• 4 在单色 CRT 中，荧光粉观察表面涂在玻璃面板的内侧。这是通过制备荧光粉的液体悬浮液并将一定量的荧光粉与胶凝剂一起倒入玻璃外壳的颈部来完成的。大约 20 分钟后，涂层凝固，倒掉多余的液体。彩色 CRT 的过程更为复杂。首先，将光敏涂层涂在薄掩模材料上，通过穿孔模板将其暴露在光线下，然后用酸蚀刻掉暴露的涂层以形成数百万个孔，从而制成阴影掩模。然后将面罩压成略微弯曲的形状并贴在面板后面。面板放置在离心机中，内表面涂有绿色荧光粉材料。离心机旋转面板以确保磷光体涂层均匀。强烈的紫外线透过掩模显示出来，将绿色磷光体材料硬化成数十万个点。然后洗掉剩余的材料。重复这个过程以形成红色和蓝色荧光点，每次紫外线都有少量偏移。当这个过程完成时，玻璃面板被连接到漏斗上。在彩色管上，荧光点对高温很敏感，因此不使用高温气体喷射，而是将化学溶剂和粉末玻璃的混合物（称为玻璃料）应用于接头。这就像玻璃“焊料”一样，可以在低得多的温度下密封接头。

组装电子枪

• 5 电子枪的金属部件精密成型。如果使用线圈，它们是由细铜线缠绕而成的。一些电子枪使用金属板代替线圈，这些板是冲压成型的。组件在干净的环境中手工或使用自动化机器组装。玻璃管密封在底座中，底座焊接到枪组件中。

总装和包装

• 6 玻璃外壳颈部内侧用石墨润滑，电子枪插入对准。然后将颈部密封在枪周围。真空泵连接到从枪后部伸出的玻璃管上，CRT 内部被抽真空。当达到适当的真空度时，玻璃管被加热并迅速捏合以形成密封。
• 7 成品 CRT 经过性能测试并仔细包装以防止损坏。由于 CRT 处于高真空下，玻璃外壳的任何破裂都可能导致向内爆炸，称为内爆。

质量控制

虽然阴极射线管的工作原理很简单，但制造过程需要严格的控制和精确的对准。荧光粉材料必须非常纯净才能获得所需的颜色。即使活化剂用量的微小变化也会导致颜色的显着变化。同样，当您考虑到彩色电视 CRT 需要在观看表面上并排放置超过一百万个小点时，即使是很小的对齐错误也可能是灾难性的。

副产品和回收

CRT 制造的主要副产品是废玻璃。大部分玻璃都被回收利用。具有高氧化铅含量的回收玻璃用于在 CRT 漏斗中提供辐射防护，并已完全取代以前用于此应用的氧化铅来源。

未来

1994 年全球阴极射线管市场估计接近 4 亿台，预计到 2000 年将以每年 6% 的速度增长。彩色电视市场预计以每年 5% 的速度增长，而彩色计算机显示器市场预计将以 20% 的速度增长。在电视市场，对具有更高图像分辨率的更大电视显像管的需求预计将继续。

一个重要趋势是高清晰度电视 (HDTV) 的发展，其扫描速率是传统系统的两倍以上。这将需要新的电子枪设计以及新的玻璃材料和技术来处理双倍的辐射率。