Kathodestraalbuis

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 het elektronenkanon met daarin de kathode die de elektronen voor de bundel genereert en met zogenaamde roosters om de elektronenbundels naar een punt te convergeren (focusseren).

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.

Het vakgebied dat zich bezighoudt met het bundelen, afbuigen en verder manipuleren van elektronenbundels, heet elektronenoptica.

Een kathodestraalbuis (beeldbuis) is vervaardigd uit loodhoudend kwartsglas en metalen onderdelen. De inwendige ruimte is hermetisch gesloten en hoogvacuüm gepompt.

Het glas is aan de voorzijde minstens een centimeter dik, in het buisvormige deel slechts een paar millimeter. Het heeft op het breed uitlopende deel aan de buitenkant een loodachtige coating (aquadag). Aan de binnenkant bevindt zich bij beeldbuizen een opgedampte aluminiumlaag om de elektronen van het scherm af te voeren. In oscilloscoopbuizen is dit ook weleens een koolstoflaag. 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 flybacktransformator 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 elektronenkanon aangebracht waarvan hun aansluitdraden door de glaswand heen naar buiten zijn gebracht. Het elektronenkanon brengt in een oscilloscoop of zwart-wit-tv-buis één elektronenstraal en in een kleurenbeeldbuis drie elektronenstralen voort.

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 de stroomsterkte door de afbuigspoelen te variëren, kan de elektronenstraal over het gehele oppervlak van de voorzijde worden gestuurd. Zo kan een raster worden gemaakt waarmee ieder punt van het scherm kan worden verlicht. Door de elektronenstraalbundel(s) af te buigen onder gelijktijdige variatie van de bundelintensiteit(en) kan een beeld worden opgebouwd, dat door de traagheid van de beeldverwerking door onze ogen als een volledig geheel wordt waargenomen. (Zie hiervoor details in de pagina Televisietechniek.)

Het voorste deel, de faceplate, bestaat uit een veel dikkere, vlakkere plaat van kwartsglas waarop aan de binnenzijde het fosfor is aangebracht. Eén soort fosfor voor monochrome schermen, drie aparte fosfors (in banen of groepen Rood, Groen of Blauw) voor de kleurenschermen.

Aan de binnenkant van deze fosforlaag is een opgedampte laag aluminium aangebracht om ionen op te vangen die anders door hun veel grotere massa dan elektronen het fosfor op den duur bruin verkleuren, waardoor de lichtopbrengst zal verminderen (de zogenaamde Ionenvlek). Doordat ionen zoveel zwaarder zijn dan elektronen, zullen ze door het magnetisch veld van de afbuigspoelen, ofwel door het elektrisch veld tussen de afbuigplaten, minder sterk afgebogen worden, waardoor deze verkleuring alleen maar in het midden van het beeldscherm optreedt. Vroegere CRT-schermen, die nog geen opgedampte aluminiumlaag hadden, hadden een zogeheten ionenval.

Bij kleurenbeeldschermen is elk beeldpunt opgebouwd uit drie fosforescerende punten, een voor elk van de kleuren rood, groen en blauw. Aan de binnenzijde van het glas, op een afstand van circa 0,5 cm vanaf het fosfor, bevindt zich een geperforeerde metalen plaat, het zogeheten schaduwmasker, die de bolling van de binnenzijde van de voorkant volgt. De perforaties komen overeen met de beeldpunten en zorgen ervoor dat de drie elektronenbundels van de drie elektronenkanonnen, die ieder onder een verschillende hoek op het masker komen, alleen het fosforescerende punt van de betrokken kleur treffen.

In het verleden werden hierbij steeds drie fosforpuntjes in een Delta opstelling (Driehoek) gebruikt. (Delta beeldbuis) Vanaf de 80'er jaren is de "In-line"-beeldbuis ontwikkeld. In dit type beeldbuis zijn de kleuren in verticale rijen geplaatst, waardoor de convergentie veel gemakkelijker is, en er veel minder externe elektronica (extra spoelen en hun aansturing bij het afbuigjuk) benodigd is.

Bij de Sony Trinitron-beeldbuizen zijn dit verticaal gespannen lintvormige snaren. Deze techniek is speciaal door Sony ontwikkeld, en geeft een hoger rendement waardoor het beeld veel helderder en contrastrijker kan zijn dan deze van de "standaard" beeldbuizen.

De elektronenbundels die de weg vanaf het schaduwmasker tot het fosforscherm volgen worden door magnetische velden van hun richting afgebogen. Door storende magnetische velden, zoals het aardmagnetisch veld kunnen de fosforpuntjes van de "verkeerde" kleur getroffen worden. Daarom moeten beeldbuizen voor ieder punt op aarde anders magnetisch afgeregeld worden.

Het elektronenkanon bestaat uit een kathode en een aantal metalen plaatjes met voor iedere bundel een opening. Die plaatjes worden in analogie met radiobuizen roosters genoemd worden. Binnen de kathode bevindt zich een gloeidraad die de kathode tot ongeveer 1000 °C opwarmt, waardoor elektronen door de warmtebeweging vrijkomen. De potentiaal op het tweede plaatje trekt de elektronen van de kathode weg. Door de spanning op de kathode en daarmee het potentiaalverschil met het tweede plaatje, te variëren kan de stroom in de bundel geregeld worden. De volgende roosters versnellen de elektronen tot ongeveer 30 keV en focusseren de bundel. Bij deze energie hebben de elektronen een snelheid gelijk aan ongeveer een derde van de lichtsnelheid, zodat ontwerpers van beeldbuizen met relativistische effecten rekening moeten houden. In sommige beeldbuizen is die focussering dynamisch, wat wil zeggen dat de focussering afhangt van de positie op het scherm waar de elektronen zullen landen. Tussen elektronenkanon en fosforscherm heerst een equipotentiaalruimte doordat het scherm op dezelfde potentiaal wordt gebracht als het laatste plaatje van het elektronenkanon. In de equipotentaalruimte worden de elektronen aldus niet meer versneld, maar door de aanwezigheid van een magnetisch deflectieveld naar een bepaald punt op het scherm afgebogen. 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.

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.

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-wittelevisieschermen en rood, groen, blauw voor kleurentelevisie. De nalichttijd is meestal kort, behalve voor radarschermen.

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.

Beeldscherm slijtage van kathodestraalbuis van meetzender Rohde & Schwarz CMT 54.

De fosforescerende stof kan door het gebruik 'slijten' zodat de lichtopbrengst minder wordt. Dit effect kan worden vertraagd door de intensiteit zo laag mogelijk in te stellen, en zo de levensduur te optimaliseren. De lichtopbrengst kan bij "versleten" delen van het scherm (sterk) gereduceerd zijn en zelfs inbranden, zodat ook bij uitgeschakeld beeldscherm een afdruk van het oorspronkelijke beeld zichtbaar is. Op de hiernaast staande afbeelding is verminderde lichtopbrengst zichtbaar gemaakt van het scherm van een langdurig gebruikte meetzender van het type Rohde & Schwarz CMT 54. De lichtopbrengst op de plekken van de cijfer- en lettertekens (selectiepijl onderin het scherm) en het middengebied is duidelijk verminderd. Er is zelfs een afdruk van een sinusvorm zichtbaar.

De kathodestraalbuis als beeldscherm vindt nauwelijks nog toepassing. Vooral bij grotere beeldformaten nemen ze veel plaats in, zijn heel zwaar en hebben hogere spanningen nodig, wat weer schadelijke stoffen nodig heeft zoals fosfor. In plaats van een oscilloscoop met een kathodestraalbuis worden steeds meer oscilloscopen verkocht met een LCD-scherm, en zijn er meetaparaten die via een USB-interface met een computer verbonden kunnen worden.

De radarbeeldbuis is al vrijwel overal vervangen door een computerscherm. En zowel computers als televisies maken nauwelijks nog gebruik van kathodestraalbuizen, maar zijn voorzien van een dun LCD-scherm (Liquid Cristal Display) of plasmascherm.

• 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.
• Het elektronenkanon op de achterkant van het scherm is zeer gevoelig en het scherm mag daar nóóit op liggen. Dit omdat het glas bij het elektronenkanon erg dun is. Bij een implosie kunnen de schadelijke stoffen in de buis (fosfor, lood) vrij komen, wat kan leiden tot longschade.

• The Cathode Ray Tube site

1. Sijtage van CMT 54 kathodestraalbuis: http://amateurtele.com/index.php?artikel=249

Elektronenbuis
diode · triode · tetrode · pentode · hexode · heptode · octode · enneode kathodestraalbuis · indicatorbuis · fotocel · fotomultiplicator · klystron · magnetron · lopende-golfbuis · geigerteller · gasontladingsbuis · thyratron · kwikdampgelijkrichter · ignitron

Zie de categorie Cathode ray tubes van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.