Tabung Sinar Katoda

Latar Belakang

Sebuah tabung sinar katoda, sering disebut CRT, adalah perangkat tampilan elektronik di mana berkas elektron dapat difokuskan pada layar tampilan berpendar dan dengan cepat bervariasi dalam posisi dan intensitas untuk menghasilkan gambar. Mungkin aplikasi tabung sinar katoda yang paling terkenal adalah sebagai tabung gambar di televisi. Aplikasi lain termasuk digunakan dalam osiloskop, layar radar, monitor komputer, dan simulator penerbangan.

Tabung sinar katoda dikembangkan pada tahun 1897 oleh Ferdinand Braun dari Strasbourg di daerah yang saat itu merupakan wilayah Prancis-Jerman Alsace-Lorraine. Ini pertama kali digunakan sebagai osiloskop untuk melihat dan mengukur sinyal listrik. Pada tahun 1908, A.A. Campbell-Swinton dari Inggris mengusulkan penggunaan CRT untuk mengirim dan menerima gambar secara elektronik. Namun, baru pada tahun 1920-an, sistem televisi praktis pertama dikembangkan. Konsep tabung sinar katoda warna diusulkan pada tahun 1938 dan berhasil dikembangkan pada tahun 1949.

Meskipun General Electric memperkenalkan pesawat televisi pertama mereka untuk digunakan di rumah pada tahun 1928, penyiaran televisi komersial tetap merupakan teknologi eksperimental dengan jangkauan dan penonton yang terbatas. Butuh waktu hingga akhir 1940-an sebelum jaringan televisi cukup memantapkan diri untuk memulai ledakan penjualan konsumen. Televisi hitam-putih digantikan oleh perangkat berwarna pertama di tahun 1960-an. Dalam dekade berikutnya tabung sinar katoda untuk televisi menjadi lebih besar dan lebih kecil karena produsen berusaha untuk memenuhi keinginan konsumen. Perkembangan terbaru termasuk tabung dengan permukaan yang lebih datar, sudut yang lebih tajam, dan resolusi yang lebih tinggi untuk tampilan yang lebih baik.

CRT terdiri dari tiga bagian dasar:rakitan senjata elektron, permukaan tampilan fosfor, dan selubung kaca. Perakitan senjata elektron terdiri dari katoda logam yang dipanaskan yang dikelilingi oleh anoda logam. Katoda diberi tegangan listrik negatif dan anoda diberi tegangan positif. Elektron dari katoda mengalir melalui lubang kecil di anoda untuk menghasilkan seberkas elektron. Pistol elektron juga berisi kumparan atau pelat listrik yang mempercepat, memfokuskan, dan membelokkan berkas elektron untuk mengenai permukaan tampilan fosfor dalam gerakan pemindaian sisi-ke-sisi yang cepat mulai dari atas permukaan dan bekerja ke bawah. Permukaan tampilan fosfor adalah lapisan tipis bahan yang memancarkan cahaya tampak ketika terkena berkas elektron. Komposisi kimia fosfor dapat diubah untuk menghasilkan warna putih, biru, kuning, hijau, atau merah. Amplop kaca terdiri dari pelat muka yang relatif datar, bagian corong, dan bagian leher. Permukaan tampilan fosfor disimpan di bagian dalam pelat muka kaca, dan rakitan senjata elektron disegel ke leher kaca di ujung yang berlawanan. Tujuan dari corong adalah untuk menempatkan pistol elektron pada jarak yang tepat dari pelat muka dan untuk menahan selubung kaca bersama-sama sehingga ruang hampa dapat dicapai di dalam tabung yang sudah jadi.

CRT yang digunakan dalam televisi berwarna atau monitor komputer berwarna memiliki beberapa bagian tambahan. Alih-alih satu senapan elektron, ada tiga—satu untuk sinyal warna merah, satu untuk biru, dan satu untuk hijau. Ada juga tiga bahan fosfor berbeda yang digunakan pada permukaan tampilan—sekali lagi, satu untuk setiap warna. Fosfor ini disimpan dalam bentuk titik-titik yang sangat kecil dalam pola berulang di seluruh layar—merah, biru, hijau, merah, biru, hijau, dan seterusnya. Kunci CRT warna adalah sepotong logam berlubang, yang dikenal sebagai topeng bayangan, yang ditempatkan di antara senjata elektron dan layar tampilan. Lubang-lubang pada topeng bayangan disejajarkan sehingga senjata merah dapat menembakkan elektron hanya pada titik-titik fosfor yang menghasilkan warna merah, senjata biru pada titik-titik biru, dan senjata hijau pada titik-titik hijau. Dengan mengontrol intensitas pancaran sinar untuk setiap warna saat memindai seluruh layar, warna yang berbeda dapat dihasilkan pada area layar yang berbeda, sehingga menghasilkan gambar berwarna. Untuk memberikan gambaran tentang seberapa kecil perforasi dan titik yang harus dibuat, tabung gambar televisi berwarna 25 inci (63 cm) mungkin memiliki topeng bayangan dengan 500.000 perforasi dan 1,5 juta titik fosfor individu.

Desain

Pistol elektron harus dirancang untuk setiap aplikasi baru. Ukuran layar baru, dimensi amplop kaca baru secara keseluruhan, dan persyaratan resolusi gambar baru semuanya memerlukan desain senjata baru. Gambar yang lebih terang mungkin memerlukan kumparan akselerasi daya yang lebih tinggi. Resolusi gambar yang lebih baik mungkin memerlukan koil atau pelat pemfokusan berkas yang ditingkatkan. Meskipun desain dasarnya tetap sama, detailnya terus disempurnakan.

Demikian juga desain dasar dari permukaan tampilan fosfor didefinisikan dengan cukup baik, tetapi detailnya dapat berubah. Persyaratan resolusi gambar baru mungkin memerlukan metode baru untuk menyimpan titik-titik fosfor pada pelat muka, yang pada gilirannya mungkin memerlukan teknik pemrosesan material baru. Pencarian warna yang lebih benar dapat menghasilkan formulasi material baru. Jumlah waktu fosfor memancarkan cahaya, atau cahaya, setelah dipukul oleh berkas elektron juga penting dan dikendalikan oleh komposisi kimia fosfor. Properti ini disebut ketekunan. Dalam televisi berwarna, berkas elektron memindai layar 25 kali per detik. Jika persistensi lebih lama dari satu dua puluh lima detik (0,04 detik), gambar akan menampilkan dua pemindaian pada saat yang sama dan akan tampak kabur. Jika persistensi lebih pendek dari waktu ini, gambar dari pemindaian pertama akan menghilang sebelum pemindaian kedua muncul, dan gambar akan tampak berkedip.

Bahkan amplop kaca membutuhkan desain yang luas. Kekuatan, karakteristik penyerapan radiasi, toleransi suhu, ketahanan benturan, sifat dielektrik, dan kejernihan optik adalah beberapa kriteria desain yang digunakan saat mendesain komponen kaca. Komputer dapat digunakan untuk melakukan analisis elemen hingga untuk mengevaluasi tegangan dalam bentuk amplop yang kompleks. Teknik ini membagi bagian menjadi beberapa bagian yang lebih kecil dan lebih mudah ditentukan, atau elemen, dan kemudian melakukan perhitungan untuk setiap elemen untuk menemukan konsentrasi tegangan tinggi yang tidak dapat diterima. Dengan menggunakan komputer, dimensi kontur dan ketebalan dinding dapat dengan mudah disesuaikan hingga tercapai desain yang memuaskan.

Bahan Baku

Tabung sinar katoda menggunakan kumpulan bahan baku yang menarik dan bervariasi. Dalam banyak kasus, bahan mentah, bukan desain atau proses manufaktur, yang menentukan karakteristik kinerja produk jadi.

Pistol elektron terbuat dari berbagai potongan logam. Katoda, atau pemancar elektron, terbuat dari paduan cesium. Cesium digunakan sebagai katoda di banyak perangkat tabung vakum elektronik karena mudah melepaskan elektron ketika dipanaskan atau terkena cahaya. Dalam CRT, katoda dipanaskan dengan kabel listrik resistansi tinggi. Kumparan percepatan, pemfokusan, dan defleksi dapat dibuat dari kawat tembaga berdiameter kecil. Sebuah tabung kaca menonjol dari bagian belakang rakitan senjata elektron dan digunakan untuk mengevakuasi udara dari CRT yang sudah jadi.

Permukaan tampilan fosfor terbentuk dari lapisan kontinu bahan tunggal dalam CRT monokromatik, atau terdiri dari titik-titik individu dari tiga bahan berbeda dalam CRT warna. Seng sulfida adalah bahan fosfor umum. Warna ditentukan dengan menambahkan sejumlah kecil bahan yang disebut aktivator. Seng sulfida dengan aktivator perak 0,01% memancarkan cahaya biru. Ketika aktivator tembaga 0,001% digunakan, itu menghasilkan lampu hijau. Campuran 50/50 seng sulfida dan kadmium sulfida dengan aktivator perak 0,005% menghasilkan cahaya kuning. Lampu merah dapat dihasilkan dengan menambahkan perak atau tembaga ke seng sulfida yang dicampur dengan a CRT terdiri dari tiga bagian dasar:rakitan senjata elektron, permukaan tampilan fosfor, dan selubung kaca. Perakitan senjata elektron terdiri dari katoda logam yang dipanaskan yang dikelilingi oleh anoda logam. Permukaan tampilan fosfor adalah lapisan tipis bahan yang memancarkan cahaya tampak ketika terkena berkas elektron. Amplop kaca terdiri dari pelat muka yang relatif Tikus, bagian corong, dan bagian leher. persentase kadmium sulfida yang tinggi. Fosfor biasanya digiling menjadi bubuk halus sebelum dioleskan ke bagian dalam pelat muka.

Amplop kaca menggunakan bahan baku yang sedikit berbeda untuk masing-masing dari tiga bagian komponennya. Bahan baku dasar untuk semua komponen kaca adalah silika. Alumina dapat ditambahkan untuk menyesuaikan sifat aliran kaca cair saat membentuknya. Berbagai oksida digunakan untuk menurunkan suhu leleh. Barium oksida, strontium oksida, dan timbal oksida digunakan untuk memberikan perlindungan radiasi di leher dan corong. Pelat muka, di sisi lain, harus memiliki minimal timbal oksida untuk mencegah fenomena perubahan warna yang dikenal sebagai elektron atau pencoklatan sinar-x. Neodymium oksida dapat digunakan pada pelat muka untuk meningkatkan kontras gambar yang dilihat.

Dalam CRT warna, topeng bayangan biasanya terbuat dari lembaran tipis paduan nikel.

Manufaktur
Proses

Selubung kaca atau komponennya biasanya dibentuk di fasilitas manufaktur kaca dan dikirim ke pabrik tabung sinar katoda yang membentuk layar tampilan fosfor, membuat dan merakit senjata elektron, dan merakit CRT yang sudah jadi.

Membentuk amplop kaca

• 1 Bahan gelas ditimbang dan dicampur sebelum dilebur. Kaca dilebur dalam tungku berbahan bakar gas berukuran sekitar 500-3.000 kaki persegi (46-279 m persegi). Jika ini adalah proses yang berkelanjutan, bahan baru ditambahkan untuk mempertahankan tingkat yang konstan saat gelas cair mengalir keluar dari tungku ke area pembentukan. Sebelum dibentuk, gelas cair harus didinginkan sedikit dan dibuat seragam dalam suhu di seluruh.
• 2 Pelat muka biasanya ditekan ke dalam bentuk yang diinginkan dengan menjatuhkan sekumpulan gelas cair ke dalam cetakan dan menekannya dengan pendorong. Corong dapat dibentuk baik dengan menekan atau dengan pengecoran sentrifugal. Dalam metode pengecoran, gumpalan kaca cair jatuh ke dalam cetakan, yang kemudian berputar dengan cepat untuk menyebarkan kaca secara merata di atas permukaan bagian dalam cetakan. Disk grooving di dekat bagian atas cetakan memotong kaca lunak pada ketinggian yang diinginkan sehingga kelebihan kaca dapat dihilangkan dengan mudah. Leher terbuat dari tabung kaca, dan salah satu ujungnya melebar untuk memudahkan penyisipan senjata elektron.
• 3 Dalam CRT monokromatik, tiga komponen kaca digabungkan bersama sebelum dikirim ke pabrik CRT. Dalam CRT warna hanya leher dan corong yang digabungkan, dan pelat muka dikirim secara terpisah untuk diproses lebih lanjut. Komponen kaca biasanya bergabung dengan memanaskan permukaan kawin ke suhu tinggi dengan pancaran gas atau pemanas listrik.

Menerapkan fosfor

• 4 Dalam CRT monokromatik, permukaan tampilan fosfor dilapisi di bagian dalam pelat muka kaca. Hal ini dilakukan dengan menyiapkan suspensi cair dari fosfor dan menuangkan sejumlah terukur ke dalam leher amplop kaca bersama dengan zat pembentuk gel. Setelah sekitar 20 menit, lapisan telah mengeras dan kelebihan cairan dituangkan. Proses untuk CRT warna lebih rumit. Pertama, topeng bayangan dibuat dengan menerapkan lapisan peka cahaya ke bahan topeng tipis, memaparkannya ke cahaya melalui templat berlubang, dan kemudian mengetsa lapisan yang terbuka dengan asam untuk membentuk jutaan lubang. Masker kemudian ditekan menjadi bentuk yang sedikit melengkung dan ditempelkan tepat di belakang pelat muka. Pelat muka ditempatkan di centrifuge dan permukaan bagian dalam dilapisi dengan bahan fosfor hijau. Centrifuge memutar pelat muka untuk memastikan lapisan fosfor yang merata. Sinar ultraviolet yang kuat ditunjukkan melalui topeng untuk mengeraskan bahan fosfor hijau menjadi ratusan ribu titik. Bahan yang tersisa kemudian dicuci. Proses ini diulang untuk membentuk titik-titik fosfor merah dan biru, dengan sinar ultraviolet yang digeser sedikit setiap kali. Ketika proses ini selesai, pelat muka kaca disambungkan ke corong. Pada tabung warna, titik-titik fosfor sensitif terhadap suhu tinggi, jadi alih-alih menggunakan pancaran gas suhu tinggi, campuran pelarut kimia dan kaca bubuk, yang disebut frit, diterapkan pada sambungan. Ini bertindak seperti "solder" kaca, dan sambungan dapat disegel pada suhu yang jauh lebih rendah.

Merakit senjata elektron

• 5 Komponen logam dari pistol elektron dibentuk dengan presisi. Jika gulungan digunakan, mereka dililit dari kawat tembaga halus. Beberapa senjata elektron menggunakan pelat logam bukan kumparan, dan pelat ini dicap dan dibentuk. Komponen dirakit baik dengan tangan atau dengan mesin otomatis di lingkungan yang bersih. Tabung kaca disegel ke alasnya, dan alasnya dilas ke rakitan senjata.

Perakitan dan pengemasan akhir

• 6 Bagian dalam leher amplop kaca dilumasi dengan grafit, dan pistol elektron dimasukkan dan disejajarkan. Leher kemudian disegel di sekitar pistol. Sebuah pompa vakum terpasang pada tabung kaca yang memanjang dari bagian belakang pistol, dan bagian dalam CRT dievakuasi dari udara. Ketika vakum yang tepat telah tercapai, tabung gelas dipanaskan dan dengan cepat ditutup rapat untuk membentuk segel.
• 7 CRT yang telah selesai diuji kinerjanya dan dikemas dengan hati-hati untuk mencegah kerusakan. Karena CRT berada di bawah vakum tinggi, setiap retakan pada selubung kaca dapat mengakibatkan ledakan ke dalam yang dikenal sebagai ledakan.

Kontrol Kualitas

Meskipun prinsip pengoperasian tabung sinar katoda sederhana, proses pembuatannya memerlukan kontrol yang ketat dan penyelarasan yang tepat. Bahan fosfor harus sangat murni untuk mencapai warna yang diinginkan. Bahkan sedikit perbedaan dalam jumlah aktivator yang digunakan dapat menghasilkan perubahan warna yang signifikan. Demikian juga, ketika Anda mempertimbangkan bahwa CRT televisi berwarna membutuhkan penempatan lebih dari satu juta titik kecil berdampingan di permukaan tampilan, bahkan kesalahan kecil dalam penyelarasan bisa menjadi bencana.

Produk Sampingan dan Daur Ulang

Produk sampingan utama dari manufaktur CRT adalah kaca bekas. Sebagian besar kaca ini didaur ulang. Kaca daur ulang dengan kandungan timbal oksida yang tinggi digunakan untuk memberikan perlindungan radiasi di corong CRT dan telah sepenuhnya menggantikan sumber timbal oksida sebelumnya untuk aplikasi ini.

Masa Depan

Pasar di seluruh dunia untuk tabung sinar katoda diperkirakan hampir 400 juta unit pada tahun 1994 dan diharapkan tumbuh pada tingkat tahunan 6% sampai tahun 2000. Pasar televisi berwarna diharapkan tumbuh pada tingkat tahunan 5%, sedangkan komputer berwarna memantau pasar diharapkan tumbuh pada tingkat 20%. Di pasar televisi, permintaan tabung gambar televisi yang lebih besar dengan resolusi gambar yang lebih tinggi diperkirakan akan terus berlanjut.

Salah satu tren penting adalah perkembangan televisi definisi tinggi (HDTV), yang memiliki tingkat pemindaian lebih dari dua kali lipat dari sistem konvensional. Ini akan membutuhkan desain senjata elektron baru serta bahan dan teknologi kaca baru untuk menangani tingkat radiasi dua kali lipat.