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CRT

Cathode Ray Tube – Die CRT oder auch Braunsche Röhre ist eine Elektronenröhre zur Erzeugung von Elektronenstrahlen, mit der sich u. a. schnell ändernde Spannungen und Ströme auf einem Fluoreszenzschirm sichtbar machen lassen.

Dots und Pixel

Ob Computer Monitor oder HDTV, alles reduziert sich auf Dots und Pixel

Surface-conduction Electron-emitter Display

High-Tech aus Asien macht Plasma und LCD Fernsehern Konkurrenz

Beschreibung

Die CRTs (Kathodenstrahlröhren) werden in Oszilloskopen, Radargeräten und verschiedenen Laborgeräten sowie in weiterentwickelter Form als Bildschirm in Fernsehgeräten und als Computerbildschirm verwendet. In letzteren Anwendungen wird sie jedoch zunehmend durch Plasma- und Flüssigkristallbildschirme abgelöst.

Raster- und Transmissions-Elektronenmikroskope enthalten CRTs zur Elektronen-Beleuchtung der Proben. Auch so genannte Elektronenkanonen mit Leistungen von hunderten Kilowatt zum Elektronenstrahlschweißen sind vom Prinzip her CRTs. Das Betatron enthält ein Kathodenstrahlsystem zur Injektion der zu beschleunigenden Elektronen. Ein Vidicon-Fernsehkamera verwendet zur Bilderzeugung ebenfalls eine CRT.

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

Geschichte:
Die CRT 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; gest. 1990) erfand im Jahre 1926 den ersten Schwarzweiß-Fernseher. Er hat zuerst ein japanisches Schriftzeichen mit Hilfe einer CRT übertragen. Später gelang ihm die erste elektronische Übertragung eines menschlichen Gesichts. Er gilt daher als Vater des japanischen Fernsehens.

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

Aufbau:
Die CRT besteht aus einem abgeschlossenen evakuierten Glaskolben mit einer Glühkathode, dem vor der Kathode liegenden Wehneltzylinder und einer Anode. Der Wehneltzylinder dient zur Helligkeitssteuerung, soll aber auch verhindern, dass der Elektronenstrahl gleich nach seiner Erzeugung divergiert (auseinander läuft).

In modernen Röhren ist die Anode geteilt. Sie besteht aus:

- einer Vorbeschleunigungselektrode in Form eines Zylinders, dessen parallele Ebenen in der Strahlenbahn liegen,
- einer elektrisch leitenden Glasbeschichtung im konischen Teil sowie
- einem Leuchtschirm am anderen Ende des Kolbens.

Der (meist) aluminiumhinterlegte Leuchtschirm sowie (bei Farb-CRTs) die Loch- bzw. Schlitzmaske liegen ebenfalls auf Anodenpotential. Die Aluminiumschicht erhöht zum einen die erreichbare Helligkeit (es geht kein Licht mehr im Innern des Kolbens nutzlos verloren), zum anderen den erreichbaren Kontrast (dunkle Stellen werden nicht mehr durch Streulicht im Kolben aufgehellt). Außerdem verhindert sie die Bildung des Ionenflecks.

In Farb-CRTs befinden sich drei Elektronenstrahlsysteme, deren Strahlen sich im Bereich der Loch- bzw. Schlitzmaske kreuzen und jeweils einen Sektor der gewünschten Fluoreszenzfarbe der Leuchtschicht treffen. Bei Farb-CRTs 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.

Außen ist der Glaskolben am 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 zur Glättung der Anodenspannung.

Wird zwischen der geheizten Kathode (Heizspannung üblicherweise 6,3 Volt) und der Anode eine hohe elektrische Spannung angelegt, so werden die aus der Kathode ausgetretenen Elektronen ausreichend beschleunigt und durchfliegen das Beschleunigungsfeld bis zum Bildschirm.

Die notwendige Spannung beträgt
- bei Oszilloskopenröhren zwischen 500 und 8.000 Volt,
- bei schwarzweiß-CRTs zwischen 14.000 und 18.000 Volt,
- bei Farb-CRTs 25.000 bis 35.000 Volt.

Strahlfokussierung:
Damit bei CRTs auf der Leuchtschicht ein scharf begrenzter Fleck entsteht, ist es notwendig, den Strahl in seinem Verlauf zu fokussieren. Dazu ist in modernen Röhren der Anodenzylinder auf einer Länge von wenigen cm unterbrochen. An dieser Stelle ist elektrisch isoliert ein weiterer Zylinder größeren Durchmessers angebracht. An diesen Zylinder wird die Fokussierspannung angelegt. Siehe auch den Artikel über Elektronenoptik.

Strahlablenkung:
Durch Ablenkfelder (elektrische Felder bei Oszilloskopen oder magnetische Felder (Ablenkspulen) 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 innerhalb der CRTs oder durch elektrische Ströme in den orthogonal angeordneten Ablenkspulen erzeugt.

In CRTs für Fernseher und Computer werden magnetische Ablenksysteme verwendet, da mit ihnen eine größere Ablenkung des Strahles und somit eine kürzere Bauweise der gesamten Röhre möglich ist. Demgegenüber verwenden Oszilloskopröhren die elektrostatische Ablenkung, weil hier eine über weite Frequenzbereiche konstante Ablenkung schaltungstechnisch einfacher handhabbar ist. Problem dabei sind die durch inhomogene Felder und den flachen Bildschirm entstehenden Abbildungsfehler (Kissenverzerrungen), die korrigiert werden müssen. Bei Farb-CRTs kommen weitere technische Anforderungen hinzu. Die Strahlen müssen im richtigen Winkel durch die Lochmaske fallen, um nur die jeweils zugeordneten Farbpunkte anzuregen (Farbreinheit). 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. Sehr häufig werden verbleibende Darstellungsfehler durch das Aufkleben kleiner Permanentmagnete verschiedener geometrischer Ausbildung auf den Röhrenkolben im Werk korrigiert.

Ein weiterer nicht zu vernachlässigender Faktor bei CRTs ist das Erdmagnetfeld. Dieses magnetisiert die Lochmaske. Als Kompensationsmaßnahme befinden sich um den Kolben die Entmagnetisierungsspulen, die beim Einschalten des Gerätes mit einem Wechselstrom langsam abnehmender Stärke die Lochmaske entmagnetisieren.

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

Delta-Lochmasken-Farb-CRT:
Bei den ersten Farb-CRTs waren die Elektronenkanonen und die Farbpigmente am Leuchtschirm in Form eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet. Zur Erzielung einer ausreichenden Konvergenz waren umfangreiche Korrekturschaltungen sowie ein aufwendiger manueller Abgleich mit Dutzenden von Konvergenz-Einstellern notwendig. Durch die flächeneffiziente Anordnung der Leuchtflächen war die Bildqualität allerdings überlegen.

Nach der Einführung der kostengünstigen Inline-CRTs in Fernsehempfängern blieben Delta-Röhren weiterhin im professionellen Umfeld sowie bei hoch auflösenden Monitoren im medizinischen Bereich in Verwendung. Delta-Farb-CRTs finden sich bis heute in qualitativ hochwertigen Computermonitoren, weil die Darstellungsqualität den erhöhten Aufwand rechtfertigt. Die in der Anfangszeit noch vorhandenen technischen Schwierigkeiten der Konvergenz resultierten in immer ausgefeilteren Ablenkspulensystemen, so dass moderne Monitore nur noch einen Bruchteil der damaligen Korrektureinstellungen aufweisen.

Inline-Streifen-Farb-CRT:
Die Mitte der 1970er Jahre einsetzende Massenproduktion von Farbfernsehern erforderte eine kostengünstige, einfach zu handhabende Farb-CRT. Diese wurde mit der Inline-Farb-CRT entwickelt. Durch die Miniaturisierung der Elektronenkanonen war deren nebeneinander liegende Anordnung im Bildröhrenhals zusammen mit einer gleichzeitigen Reduzierung des Halsdurchmessers möglich. Die Farbpigmente auf dem Bildröhrenschirm konnten so ebenfalls nebeneinander angeordnet werden, die notwendige Anzahl der Stellglieder zur Konvergenzeinstellung verringerte sich dadurch erheblich. Ein weiterer Erfolgsfaktor war die einhergehende Benutzung einer Schlitzmaske; durch die gegebene Geometrie konnten mehr Elektronen zur Leuchtschicht gelangen, anstatt ungenutzt auf der Lochmaske zu landen, so dass diese Röhren ein helleres Bild liefern.

Im Laufe der Zeit wurde die Inline-Röhre zur Black-Matrix-Röhre weiterentwickelt. Diese hat zwischen den einzelnen Leuchtstreifen einen lichtundurchlässigen Streifen schwarzer Farbe. Er erhöht den Kontrast (die Bildschirmfläche erscheint bei Fremdbeleuchtung dunkler) und die Farbreinheit (der Strahl darf nun etwas mehr "daneben" treffen, bevor nicht zur zugehörigen Kathode zugeordnete Leuchstreifen angeregt werden).

Sony entwickelte parallel die Trinitron-Röhre, deren augenfälligste Unterschiede gegenüber der Inline-Röhre die Reduzierung der Schlitzmaske zu senkrecht gespannten Drähten und die Kreuzung der Strahlen in einer gemeinsamen Fokussierungselektrode sind.

Allerdings ist die Auflösung der Inline-Röhren prinzipbedingt schlechter und es bilden sich an harten Kontrastübergängen im Bild leichter wahrnehmbare Farbsäume, obwohl die Konvergenzeinstellung stimmt.


Herstellung von Bildröhren:
An das Glas von CRTs 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 so genannte "Flowcoaten" (=Fließbeschichten) der Leuchtstoff aufgebracht: Bei Inline-Farb-CRTs sind dies senkrecht angeordnete, nebeneinander liegende 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 wenige µm dicke 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 mechanisch stabil sein.

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

Gefahr durch Röntgenstrahlung:
Ab einer Anodenspannung von ca. 20 kV entsteht in der CRT von Fernsehgeräten weiche Röntgenstrahlung. Nachdem im Zusammenhang mit fehlerhaften Ablenkschaltungen, die gleichzeitig die Anodenspannung erzeugen, gefährliche Fälle aufgetreten waren, wurden Abhilfen eingeführt, in Deutschland geregelt ab 1972 durch die Röntgenschutz-Verordnung:

Dem Glas des CRT-Konus wird Blei beigemischt, das vordere, sichtbare Bildschirmglas hat eine sehr große Wandstärke. Beide Maßnahmen setzen die abgegebene Röntgenstrahlung auf fast Null herab. Die Ablenkschaltung wurde so ergänzt, dass bei deren Ausfall der Strahlstrom abgeschaltet wird. Diese Maßnahme verhindert zusätzlich ein Einbrennen einer im Fehlerfalle auftretenden dünnen und sehr hellen Linie.

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