Kathodestraalbuis

Een kathodestraalbuis oftewel CRT oftewel beeldbuis is een elektronenbuis voorzien van een fluorescentiescherm dat oplicht als het getroffen wordt door de elektronenstraal en een afbuigmechanisme waarmee de elektronenstraal bestuurd kan worden zodat een afbeelding zichtbaar wordt. De naam 'beeldbuis' wordt vooral gebruikt om de kathodestraalbuis in een televisieapparaat aan te duiden. De naam 'CRT' is de afkorting van de Engelse naam 'Cathode Ray Tube'. De eerste kathodestraalbuizen werden gebruikt in de oscilloscoop. De bekendste toepassing van de kathodestraalbuis is die als televisiescherm. Een eenvoudiger vorm van een kathodestraalbuis is een indicatorbuis.

Opbouw en werking

De kathodestraalbuis is samengesteld uit een cilindrisch deel (hals) met het elektronenkanon en een conisch verlopende overgang naar een min of meer vlak beeldscherm. In de hals vindt men de kathode en de anode en een systeem om de elektronenbundel te focussen. Dit is nodig omdat de elektronen elkaar door hun elektrische lading afstoten, waardoor de bundel divergeert.

Vervolgens doorloopt de bundel een veld waarmee hij in zijn geheel afgebogen wordt. In een oscilloscoop is dit veld elektrostatisch (zie tekening). Bij een televisiebeeldbuis is het veld magnetisch. Dit veld wordt opgewekt door twee spoelen die uitwendig over de hals geschoven worden.

Meestal wordt de verkregen bundel versneld om de nodige lichtopbrengst te krijgen via een hoge spanning die aangebracht wordt op een geleidende koollaag binnen de conische overgang.

Details

De kathodestraalbuis wordt vervaardigd uit kwartsglas en metalen onderdelen. De inwendige ruimte is hermetisch gesloten en hoogvacuüm gepompt.

Het glas is hooguit een centimeter dik, in het buisvormige deel slechts een paar millimeter. Het heeft op het breed uitlopende deel aan zowel de binnen- als de buitenkant een lood-achtige coating (aquadag). De buitenlaag is verbonden met het metalen chassis van de betreffende installatie.(TV of monitor). De binnenlaag is door middel van een contactpunt in de glaswand (elektrode) verbonden met de hoogspanningstransformator die voor de naversnelling zorgt. Met het glas als diëlectricum vormt dit een condensator. In het smalle buisvormige gedeelte van dit deel is (zijn) het (de) elektronenkanon(nen) aangebracht waarvan hun contactdraden door de glaswand heen naar buiten zijn gebracht.

Bij zwart-wit/monochroom beeldschermen is er één elektronenkanon aanwezig. Bij kleurenbeeldschermen zijn het er gewoonlijk drie. Sony "trinitron" beeldbuizen hebben er maar één.

Bij een oscilloscoop worden de afbuigplaten binnenin het buisvormige gedeelte geplaatst. Bij een TV-beeldbuis worden in plaats daarvan uitwendige afbuigspoelen gebruikt. Hetzij door de spanning tussen de afbuigplaten te variëren, hetzij door het magnetische veld van de afbuigspoelen te regelen, kunnen de elektronen over het gehele oppervlak van de voorzijde worden gestuurd. Zo kan een raster worden gemaakt waarmee ieder punt van het scherm kan worden verlicht.

Het voorste deel bestaat uit een veel dikkere, (2+ cm) vlakkere plaat van kwartsglas waarop aan de binnenzijde het fosfor is aangebracht: één soort fosfor voor monochrome schermen, drie aparte fosfors (in banen of groepen) voor de kleurenschermen.

Over deze fosforlaag is weer een aluminiumpoederlaag aangebracht om de zogeheten "ionenvlek" te voorkomen. Voordat deze ontwikkeling was uitgevonden gebruikte men de zogeheten "ionenval". De beeldschermen die destijds geen ionenval hadden gingen na verloop van tijd in het midden van het scherm een donkere verkleuring vertonen die ook de lichtopbrengst van het fosfor verminderde.

Monochrome beeldschermen bestaan dus uit drie delen: aan de achterkant een elektronenkanon, dan een vacuüm ruimte en aan de voorkant een fosforscherm.

Kleurenschermen

Bij kleurenbeeldschermen zit er nog iets tussen: het schaduwmasker. Dit is een geperforeerde metalen plaat die exact de bolling van de binnenzijde van de voorkant volgt en er ± 0,5 cm achter is geplaatst. De perforatie is precies een derde van het aantal fosforpunten op de voorzijde. Doordat de drie elektronenkanonnen onder een zeer kleine convergente hoek geplaatst zijn, kruisen de drie elektronenbundels elkaar precies in zo'n opening, waarna de stralen zich weer divergeren en ieder een enkel fosforpunt treffen. Deze constructie maakt het mogelijk dat het "blauwe" kanon dus alleen de blauw-oplichtende fosforpunten kan raken. Bij rood en groen gebeurt exact hetzelfde.

Dit is een gevoelig concept en kan door magnetische invloeden van buitenaf zeer gemakkelijk verstoord worden. Bijvoorbeeld een kleurentelevisie kan door een magneet overwegend groen of paars worden. Hiermee wordt de gevoeligheid goed aangetoond maar een als het toestel zich te lang in een magnetisch veld bevindt dan kan die kleur blijvend worden. Het valt dus af te raden om dit te proberen. De stralen die de weg vanaf het schaduwmasker tot het fosforscherm volgen worden door magnetisme van hun richting afgebogen en treffen dan wel de fosforpuntjes van de "verkeerde" kleur.

Het elektronenkanon bestaat uit een gloeidraad met daaromheen de kathode en een aantal metalen ringen en roosters. Door het gloeien van de gloeidraad worden er elektronen uit de kathode losgeslagen en door de verschillende ringen naar voren (het uittreedpunt) van het kanon gericht. Wanneer de elektronen eenmaal vrij uit het kanon zijn, dan zal de positieve potentiaal van het fosforscherm (tot 50kV) de elektronen een dusdanige versnelling geven dat zij met voldoende energie inslaan om het fosfor te doen oplichten. De verschillende ringen en roosters in het elektronenkanon zorgen voor de "sterkte" en de focussering van de straal. Door de spanning over bepaalde roosters te variëren treedt er een elektronenstraal uit met een variërende sterkte. De roosters hebben ten opzichte van de kathode een variërende negatieve potentiaal, waardoor de elektronen meer of minder worden afgeremd. Dat heet negatieve modulatie. Als men de spanning op de roosters terugbrengt naar 0 volt dan is de uittredende straal op zijn sterkst. Door deze variaties met de afbuigspoelen te timen kan men in principe alle mogelijke ingewikkelde figuren "tekenen". Als de afbuigspoel defect zou raken of geheel niet aangestuurd worden dan zal de sterke elektronenstraal een gaatje in het fosfor branden, wat een onherstelbare zwarte plek veroorzaakt. Met deze variaties van spanningen op de roosters, alsmede de timing in de afbuig-elektronica kan men een beeld produceren dat voor onze ogen een volledig schermvullend geheel lijkt.

Configuratie

De klassieke configuratie met drie elektronenkanonnen in een gelijkzijdige driehoek leverde problemen op met het convergeren. Moderne kathodestraalbuizen hebben een configuratie met drie elektronenkanonnen die op een denkbeeldige horizontale lijn liggen.

Fosfors

Het fluorescentiescherm zelf is van een materiaal dat wordt aangeduid met de term fosfor en heeft volgende belangrijke eigenschappen: de kleur, de nalichttijd en de lichtopbrengst. De kleur is meestal groen voor goede zichtbaarheid of blauw wanneer voornamelijk foto's van het scherm genomen worden. De kleur was wit voor de zwart-wit televisieschermen en rood, groen, blauw voor kleurentelevisie. De nalichttijd is meestal kort, behalve voor radarschermen.

Opmerking: de benaming fosfor heeft te maken met de fosforescerende eigenschappen van het materiaal en niet met het scheikundig element fosfor. Feitelijk is fosfor in de betekenis van fosforescerende stof een anglicisme. De juiste Nederlandse term is fosforescent of fosforescerende stof. Het chemische element fosfor heet in het Engels phosphorus, terwijl een fosforescerende stof phosphor heet.

Toekomst

De kathodestraalbuizen hebben waarschijnlijk hun langste tijd gehad. Vooral bij grotere beeldformaten nemen ze veel plaats in, zijn heel zwaar en hebben erg hoge spanningen nodig, wat weer schadelijke röntgenstraling tot gevolg heeft. In plaats van een oscilloscoop wordt steeds meer gebruikt gemaakt van een meetapparaat dat via een USB-interface met een computer verbonden is. Met de computer kan het meetapparaat bediend worden en kunnen de resultaten zichtbaar gemaakt worden. De radarbeeldbuis is al vrijwel overal vervangen door een computerscherm. En zowel computers als televisies krijgen steeds vaker een plat LCD scherm (= TFT-scherm) of een plasmascherm.

Waarschuwing

Omdat in een kathodestraalbuis een vacuüm heerst, bestaat implosiegevaar bij beschadiging van de buis.
Kathodestraalbuizen werken met zeer hoge spanningen, bij de beeldbuis van een televisie is deze rond de 30.000 volt. Deze hoge spanning kan nog lang aanwezig blijven na het uitschakelen van het toestel. Werken aan dergelijke toestellen vereist vakkennis; beeldbuizen zijn niet geschikt om mee te experimenteren.