Katodisädenäyttö


Katodisädenäyttö on tyhjiöputki, jonka sisään elektronitykki ampuu magneettikentillä kohti näyttöpintaa ohjattavan elektronisuihkun.[1] Kyseessä on laite, joka muuntaa sähköistä kuvainformaatiota konkreettiseksi kuvaksi näyttöpinnalleen. Kuvaputken yleisimpiä käyttökohteita lienee ollut televisiot ja tietokoneen monitorit. Laitteesta käytetään yleisemmin nimitystä kuvaputki.

Katodisädenäytön historiaa


1800-luvulla alkanut sähköfysiikan raju kehitys sekä uudet sähkölaitekeksinnöt ( elektroniputki ) loivat pohjan katodisädenäytön keksimiselle. Itse kuvaputken historian voidaan katsoa alkaneen Heinrich Geisslerin (1815-1879) ja Julius Pluckerin (1801-1868) kokeista tehdä riittävän hyvä tyhjiö lasiputken sisään. Taitavana lasiseppänä Geisslerin onnistuikin tehdä mekaanisesti tyhjennettävä tyhjiöputki. Kun tähän tyhjiöputkeen ohjattiin elektronisuihku niin katodin ja anodin välille muodostui helposti havaittava sininen ”säde”. Geissler ja Plucker myös huomasivat, että tämä suihku reagoi ulkoisiin magneettikentän muutoksiin muuttamalla suuntaansa.

Ensimmäinen käytännön sovellus tälle uudelle keksinnölle saatiin jo 1800-luvun lopussa. Karl Ferdinand Braun rakensi oskilloskoopin, joka heijasti sisäänmenosignaalinsa liikkuvaksi kuvapisteeksi. Tämä piste luotiin ohjaamalla elektronisuihku fluoresoivalle kalvolle.

Kuitenkin varsinaista modernia kuvaputkea saatiin odottaa 1920-luvulle saakka. Philo T. Farnsworth käytti poikkeutusmagneetteja ohjaamaan ja kohdistamaan elektronisuihkua näyttöruudulle, johon hän näin sai muodostumaan karkeita kuvia. Moderni kuvaputkinäyttö oli saanut alkunsa.[2]

Rakenne ja toiminta


Katodisädenäytön tärkeimmät osat ovat elektronitykki, poikkeutusmagneetit, tyhjiöputki ja fluoresoiva näyttöpinta.[3]

Elektronitykin tehtävänä on luoda kuvaputken käyttämä elektronisuihku. Elektronitykin katodia kuumennetaan, joten siitä alkaa irrota elektroneja. Elektronit kiihdytetään homogenisella sähkökentällä haluttuun nopeuteen ja kohdistetaan säteen kaltaiseksi suihkuksi. Kohdistaminen tapahtuu joko kohdistusmagneetilla tai sähkökentällä.[4]

elektronitykki.jpg


Elektronisuihku kulkee seuraavaksi poikkeutusmagneettien välistä. Magneettien tehtävä on ohjata suihku haluttuun pisteeseen näytöllä. Nämä sähkömagneetit luovat välilleen homogeenisen, mutta muuttuvan magneettikentän. Magneettikentän vahvuutta ja suuntaa säätämällä vaikutetaan elektronisuihkun lentorataan.[5]

poikkeutusmagn.jpg

Lopulta elektronisuihku törmää fluoresoivan kalvon pintaan. Tämä fluoresoiva kalvo koostuu kuvapisteistä, joiden määrästä riippuu näyttölaitteen erottelutarkkuus eli resoluutio. Normaalissa värinäytössä jokainen kuvapiste koostuu kolmesta eri tyyppisestä loisteainepisteestä.[6] Elektronisuihkun törmätessä näihin pisteisiin tapahtuu fluoresenssi-ilmiö ( tarkemmin kohdassa "Teoreettinen pohja - Fluoresenssi" ).

Loisteaineella tarkoitetaan ainetta, jossa tapahtuu fotoresenssi-ilmiö ( tarkemmin kohdassa "Teoreettinen pohja - Fluoresenssi" ). Kuvapisteissä käytettäväksi loisteaineeksi valitaan sellaisia yhdisteitä, jotka emittoivat viritystilan purkautuessa ihmissilmälle näkyvää valoa.[7]

Taulukossa yleisimmin kuvaputkissa käytetyt loisteaineet.[8]
Väri
Kemiallinen koostumus
aallonpituus
Huomioita
Valkoinen
ZnS:Ag+(Zn,Cd)S:Ag
-
Musta-valkotelevisioissa sekä mittalaitteiden yksivärinäytöissä
Punainen
Y2O2S:Eu+Fe2O3

620 nm

Punainen loisteaine värinäyttöihin
Sininen
ZnS:Ag3

450nm
Sininen loisteaine värinäyttöihin
Vihreä
ZnS:Cu
531nm
Vihreä loisteaine värinäyttöihin
Keltainen
(Zn,Cd)S:Ag
-
Yksivärinäytöissä

Koko näytön kattava kuva saadaan, kun käydään suihkulla kuvapiste kerrallaan koko näyttöpinnan läpi. Kun tämä tehdään useita kertoja sekunnissa, esimerkiksi 50 kertaa sekunnissa, voidaan muodostaa liikkuvaa kuvaa näyttöpinnalla. [9]
kokonaytto3.jpg

Teoreettinen pohja


Michael Faraday esitti ensimmäisenä teorian sähkökentistä. Tämän mukaan varattu kappale luo aina ympärilleen sähkökentän. Kun sähkökenttään tuodaan uusi varattu kappale niin kenttä vaikuttaa kappaleeseen voimalla, joka on suhteessa kappaleen varaukseen ja kentän voimakkuuteen.[10]

F = E * Q

Tämä laki on perustana elektronien kiihdytykselle elektronitykin sisällä.

Katodisädenäytön kannalta merkittävä sähkömagnetiikan laki on myös nk. Lorenzin voima. Tämä on voima, joka kohdistuu varattuun kappaleeseen kun se liikkuu magneettikentässä. Voima on verrannollinen kappaleen varaukseen, nopeuteen, magneettikentän voimakkuuteen sekä varatun kappaleen tulokulmaan magneettikentän suhteen.[11]

F = Q ( v x B )

Tämä laki on perustana elektronisuihkun ohjaukselle poikkeutusmagneetteja käyttäen.


Fluoresenssi

Fluoresenssi on ilmiö, johon perustuu kuvaputken kuvan tuottaminen. Ilmiössä sähkömagneettinen säteily absorboituu fluoresoivaan aineeseen, mikä aiheuttaa materiaalin sidoselektronien virittymistä eli siirtymistä korkeammille energiatasoille. Näiden energiatasojen purkautuessa emittoituu vapautuva energia emittoituu sähkömagneettisena säteilynä, jonka aallonpituus sekä energia ovat pienempiä kuin alunperin materiaalin absorboiman säteily.

Fosforesenssi on fluoresenssin alalaji ja eroaa fluoresenssistä siten, että emittointi ja absorbtio tapahtuu lähes samanaikaisesti. Fluoresenssi-ilmiössä viritystilan purkautuminen tapahtuu viiveellä.
Loisteaineiksi kutsutaan aineita, joissa tapahtuu fosforesenssi-ilmiöitä. [12]

Käytännön sovellukset


Kuvaputkinäytöt olivat hyvin pitkään pääasiallinen kuvanmuodostustapa elektronisten laitteiden tapauksissa. Katodisädenäyttöä onkin käytetty näyttöinä mm. televisioille, tietokoneille, oskilloskoopeille ja elektronimikroskoopeille.

Kuvaputkinäyttöjen suosio on ollut jo useamman vuoden laskussa, sillä kuluttajaelektroniikassa kuvaputken ovat korvanneet LCD- ja TFT-näyttötekniikat.[13]

doominaytto.jpg
Kuvaputkinäyttö tositoimissa.

Lisätietoa aiheesta sivustolta:

The Cathod Ray Tube Site
http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/
  1. ^ http://en.kioskea.net/contents/pc/ecran-crt.php3
  2. ^ http://www.discoveriesinmedicine.com/Bar-Cod/Cathode-Ray-Tube-CRT.html
  3. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray_tube
  4. ^ http://electronics.howstuffworks.com/question694.htm
  5. ^ http://www.tpub.com/neets/book6/21e.htm
  6. ^ http://computer.howstuffworks.com/monitor7.htm
  7. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphor
  8. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphor
  9. ^ http://www.tpub.com/neets/book6/21e.htm
  10. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_field
  11. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz_force
  12. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphorescence
  13. ^ http://www.thisislondon.co.uk/news/article-23376023-the-future-is-flat-as-dixons-withdraws-sale-of-big-box-televisions.do