Kathodenstrahlröhre

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Die Kathodenstrahlröhre oder auch Braunsche Röhre (engl. cathode ray tube, kurz CRT) ist eine Elektronenröhre zur Erzeugung von Elektronenstrahlen, mit der sich u. a. schnell ändernde Spannungen und Ströme auf einem Fluoreszenzschirm sichtbar machen lassen.

Braunsche Röhre (Schema elektrostatische Ablenkung)

Braunsche Röhre (Schema magnetische Ablenkung)

Oszilloskop-Röhre (die elektrostatischen Ablenkplatten sind hinter der Graphitschicht verborgen)

[Bearbeiten] Verwendung

Kathodenstrahlröhren werden bis heute in Oszilloskopen, Radargeräten und verschiedenen Laborgeräten sowie in weiterentwickelter Form als Bildschirm in Fernsehgeräten und als Computer-Display verwendet.

Die Kathodenstrahlröhre wird in diesen Anwendungen jedoch zunehmend durch Plasma- und Flüssigkristallbildschirme abgelöst.

Raster- und Transmissions-Elektronenmikroskope enthalten Kathodenstrahlröhren zur Elektronen"beleuchtung" der Proben.

Auch sogenannte Elektronenkanonen mit Leistungen von Hunderten von Kilowatt zum Elektronenstrahlschweißen sind vom Prinzip her Kathodenstrahlröhren.

Das Betatron enthält ein Kathodenstrahlsystem zur Injektion der zu beschleunigenden Elektronen.

Ein Vidicon (Fernsehkamera) besteht ebenfalls aus einer Kathodenstrahlröhre.

Kathodenstrahlröhren werden weiterhin zum Direkt-Schreiben/Belichten in der Halbleiterfertigung, zum Mikrostrukturieren/Abgleichen von Dünnschicht-Schaltkreisen sowie zur Vernetzung von Polymeren eingesetzt.

[Bearbeiten] Geschichte

Die Kathodenstrahlröhre wurde 1897 von Karl Ferdinand Braun (1850-1918) entwickelt, weshalb sie auch Braunsche Röhre genannt wird. Anfangs war nicht bekannt, dass die von der Kathode ausgehende Strahlung aus Elektronen besteht, daher verwendete man dafür die Bezeichnung Kathodenstrahlen.

Kenjiro Takayanagi (* 1899; † 1990) erfand im Jahre 1926 den ersten Schwarzweiß-Fernseher. Er hat zuerst ein japanisches Schriftzeichen mit Hilfe einer Braunschen Röhre übertragen. Später gelang ihm die erste elektronische Übertragung eines menschlichen Gesichts. Er gilt daher als Vater des japanischen Fernsehens.

Professor Manfred von Ardenne (* 1907; † 1997) hat sich große Verdienste bei der Weiterentwicklung der Braunschen Röhre zum Fernsehgerät, der Rasterelektronenmikroskope und von starken Elektronenstrahlquellen für industrielle Anwendungen erworben.

[Bearbeiten] Aufbau

Die Kathodenstrahlröhre besteht aus einem abgeschlossenen evakuierten Glaskolben mit einer Glühkathode, dem vor der Kathode liegenden Wehneltzylinder und einer Anode in Form einer Glasbeschichtung im konischen Teil sowie meist einem Leuchtschirm am anderen Ende des Kolbens. Der aluminiumhinterlegte Leuchtschirm sowie (falls vorhanden) die Loch- bzw. Schlitzmaske dahinter liegen ebenfalls auf Anodenpotential.
Außen ist der Glaskolben im konischen Teil häufig mit einer dünnen Graphitschicht überzogen, um den Rest des Gerätes vor Ladungsausgleichsvorgängen (vgl. Faradayscher Käfig) zu schützen. Diese äußere Schicht bildet zusammen mit der inneren Anodenbeschichtung einen Kondensator, welcher die Anodenspannung zusätzlich stabilisiert.

Wird zwischen der geheizten Kathode (Heizspannung üblicherweise 6,3 Volt) und der Anode eine hohe elektrische Spannung (ca. 17.000 Volt bei Fernsehbildschirmen) angelegt, so werden die aus der Kathode ausgetretenen Elektronen beschleunigt und durchfliegen das Beschleunigungsfeld bis zur Anode und zum Bildschirm (dieser liegt ebenfalls auf Anodenpotential). Durch ein Fokussiersystem (Lochblenden verschiedener Spannung oder Magnete) werden die Elektronen zu einem Strahl gebündelt und treffen fokussiert z.B. auf einen aus fluoreszierenden Stoffen bestehenden Leuchtschirm, der dort durch Elektronenbeschuss aufleuchtet. Die Fokussierlinse und die Ablenkplatten oder Spulen liegen gegenüber der Anode auf 100 Volt positivem Potential. Der Wehneltzylinder liegt auf 0,5 Volt negativem Potential.

Der Wehneltzylinder dient der Steuerung des Strahlstromes und damit der Helligkeit des Leuchtpunktes.
In Farbbildröhren befinden sich drei Elektronenstrahlsysteme, deren Strahlen sich im Bereich der Loch- bzw. Schlitzmaske kreuzen und jeweils eine Fluoreszenzfarbe treffen. Bei Farbbildröhren sind die Wehneltzylinder und die Fokussierelektroden aller drei Systeme miteinander verbunden - man steuert die drei Strahlströme über die Spannung der Kathoden, deren Anschlüsse hierzu getrennt herausgeführt sind.

[Bearbeiten] Herstellung von Farbbildröhren

Aufbau einer Lochmasken-Bildröhre
1. Glühkathoden, 2. Elektronenstrahlen,
3. Bündelungsspulen, 4. Ablenkspulen,
5. Anodenanschluss, 6. Lochmaske,
7. Fluoreszenzschicht mit roten, grünen und blauen Subpixeln,
8. Nahansicht der Fluoreszenzschicht

Streifenmaske einer Farbbildröhre.

An das Glas von Bildröhren werden hohe Anforderungen gestellt:

optische Qualität (frei von Blasen, Steinen, Schlieren)
mechanische Festigkeit
Abschirmung der entstehenden Röntgenstrahlung
bei Farbbildröhren an die Maske angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient

Diese Anforderungen können nur durch mehrere verschiedene Glassorten erfüllt werden.

Auf die Schirminnenseite wird durch das sogenannte "Flowcoaten" (=Fließbeschichten) der Leuchtstoff aufgebracht: bei Farbfernsehröhren sind dies senkrecht angeordnete, nebeneinanderliegende rot, grün und blau fluoreszierende Leuchtstoffstreifen. Bei sog. "Black-Matrix"-Röhren sind diese nochmals durch einen schwarzen Graphitstreifen voneinander getrennt. Hinter dem Leuchtschirm ist eine Aluminiumschicht aufgedampft, die von den Elektronen durchdrungen wird. Sie sorgt für Reflexion des Lichtes nach vorn und schützt die Leuchtstoffe vor beschleunigten (Restgas-)Ionen. In den Schirmecken befinden sich "Schirmpins" (Stahlstifte), an denen später die Maske und der Abschirmkonus befestigt werden.
Die Maske (Schlitz- oder Lochmaske aus Invar-Stahl) sorgt dafür, dass je einer der Elektronenstrahlen immer nur "seine" Farbe trifft - die Positionierung der Maske muss daher relativ zum Schirm sehr genau und stabil sein.

Um den Schirm herum befindet sich heute eine Metallbandwicklung (Rimband) als Implosionsschutz, da dort das Glas vor Zugspannungen geschützt werden muss.

Das Strahlsystem einer Farbbildröhre besteht aus 3 gleichartigen Elektronenstrahlquellen, die entweder im Dreieck (dann Lochmaske, Farben in Tripelanordnung) oder nebeneinander ("in-line", Trinitron, Schlitzmaske) angeordnet sind.

[Bearbeiten] Funktion der Strahlablenkung

Durch Ablenkfelder (elektrische Felder bei Oszilloskopen oder magnetische Felder bei Fernseh- und Computerbildschirmen) kann der Elektronenstrahl auf einen beliebigen Punkt des Leuchtschirmes gerichtet werden.
Die Ablenkfelder werden dabei durch elektrische Spannungen an horizontalen und vertikalen Ablenkplatten oder durch elektrische Ströme in den orthogonal angeordneten Ablenkspulen erzeugt.

In Bildschirmen für Fernseher und Computer werden magnetische Ablenksysteme verwendet, da mit ihnen eine stärkere Ablenkung und somit eine kürzere Bauweise möglich ist.

Ablenksystem einer Fernseh-Bildröhre von innen (Blick in Richtung Kathode; zu sehen sind nur die Horizontalablenkspulen

Ein Problem dabei sind die durch inhomogene Felder und den flachen Bildschirm entstehenden Abbildungsfehler (Kissenverzerrungen), die korrigiert werden müssen. Auch müssen bei Farbbildröhren alle 3 Elektronenstrahlen immer gemeinsam auf einem Punkt des Schirmes auftreffen (Konvergenz). Dies wird erreicht, indem man einerseits speziell berechnete, nicht-linear angesteuerte zusätzliche Ablenkspulen verwendet und andererseits anstelle eines einfachen Sägezahns eine komplexer geformte Ablenkspannung verwendet.

Elektronenstrahlröhren in direkt anzeigenden Oszilloskopen arbeiten mit elektrischer Ablenkung (Ablenkplatten), da durch diese sehr schnelle Ablenkungen des Elektronenstrahls möglich sind und damit höhere Frequenzen darstellbar werden. Aufgrund der geringen Ablenkwinkel ist hier auch ohne Korrekturen eine verzerrungsarme Darstellung möglich.

Die durch Ablenkung und Helligkeitsmodulation der Elektronenstrahlen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen können zu Spionagezwecken aufgefangen werden, um sie mithilfe der Van-Eck-Phreaking-Technik auf einem zweiten Bildschirm darzustellen.