Tubo de rayos catódicos

Antecedentes

Un tubo de rayos catódicos, a menudo llamado CRT, es un dispositivo de visualización electrónico en el que un haz de electrones puede enfocarse en una pantalla de visualización fosforescente y variar rápidamente en posición e intensidad para producir una imagen. Probablemente la aplicación más conocida de un tubo de rayos catódicos sea como tubo de imagen en un televisor. Otras aplicaciones incluyen el uso en osciloscopios, pantallas de radar, monitores de computadora y simuladores de vuelo.

El tubo de rayos catódicos fue desarrollado en 1897 por Ferdinand Braun de Estrasburgo en lo que entonces era la región franco-alemana de Alsacia-Lorena. Se utilizó por primera vez como osciloscopio para ver y medir señales eléctricas. En 1908, A.A. Campbell-Swinton de Inglaterra propuso usar un CRT para enviar y recibir imágenes electrónicamente. Sin embargo, no fue hasta la década de 1920 que se desarrolló el primer sistema de televisión práctico. El concepto de tubo de rayos catódicos de color se propuso en 1938 y se desarrolló con éxito en 1949.

Aunque General Electric presentó su primer televisor para uso doméstico en 1928, la transmisión de televisión comercial siguió siendo una tecnología experimental con un alcance y audiencia limitados. Pasaron hasta finales de la década de 1940 antes de que las redes de televisión se establecieran lo suficiente como para iniciar un auge en las ventas al consumidor. Los televisores en blanco y negro dieron paso a los primeros en color en la década de 1960. En las décadas siguientes, los tubos de rayos catódicos para televisores se hicieron más grandes y más pequeños a medida que los fabricantes buscaban satisfacer los deseos de los consumidores. Los desarrollos recientes han incluido tubos con caras más planas, esquinas más nítidas y mayor resolución para una mejor visualización.

Un CRT consta de tres partes básicas:el ensamblaje del cañón de electrones, la superficie de visualización del fósforo y la envoltura de vidrio. El conjunto del cañón de electrones consta de un cátodo de metal calentado rodeado por un ánodo de metal. El cátodo recibe un voltaje eléctrico negativo y el ánodo un voltaje positivo. Los electrones del cátodo fluyen a través de un pequeño orificio en el ánodo para producir un haz de electrones. El cañón de electrones también contiene bobinas o placas eléctricas que aceleran, enfocan y desvían el haz de electrones para golpear la superficie de visualización del fósforo en un rápido movimiento de exploración de lado a lado comenzando en la parte superior de la superficie y trabajando hacia abajo. La superficie de visualización del fósforo es una capa delgada de material que emite luz visible cuando es golpeada por el haz de electrones. La composición química del fósforo se puede alterar para producir los colores blanco, azul, amarillo, verde o rojo. La envoltura de vidrio consta de una placa frontal relativamente plana, una sección de embudo y una sección de cuello. La superficie de visualización de fósforo se deposita en el interior de la placa frontal de vidrio y el conjunto de pistola de electrones se sella en el cuello de vidrio en el extremo opuesto. El propósito del embudo es espaciar el cañón de electrones a la distancia adecuada de la placa frontal y mantener la envoltura de vidrio junta para que se pueda lograr un vacío dentro del tubo terminado.

El CRT utilizado en una televisión en color o en un monitor de computadora en color tiene algunas partes adicionales. En lugar de un cañón de electrones, hay tres:uno para la señal de color rojo, uno para el azul y otro para el verde. También se utilizan tres materiales de fósforo diferentes en la superficie de visualización, nuevamente, uno para cada color. Estos fósforos se depositan en forma de puntos muy pequeños en un patrón repetido a lo largo de la pantalla:rojo, azul, verde, rojo, azul, verde, etc. La clave de un CRT de color es una pieza de metal perforado, conocida como máscara de sombra, que se coloca entre los cañones de electrones y la pantalla de visualización. Las perforaciones en la máscara de sombra están alineadas de modo que la pistola roja pueda disparar electrones solo a los puntos de fósforo que producen el color rojo, la pistola azul a los puntos azules y la pistola verde a los puntos verdes. Al controlar la intensidad del rayo para cada color a medida que escanea la pantalla, se pueden producir diferentes colores en diferentes áreas de la pantalla, produciendo así una imagen en color. Para dar una idea de cuán pequeñas deben ser las perforaciones y los puntos, un tubo de imagen de televisión en color de 25 pulgadas (63 cm) puede tener una máscara de sombra con 500,000 perforaciones y 1.5 millones de puntos de fósforo individuales.

Diseño

El cañón de electrones debe diseñarse para cada nueva aplicación. Los nuevos tamaños de pantalla, las nuevas dimensiones generales del sobre de vidrio y los nuevos requisitos de resolución de imagen requieren un nuevo diseño de pistola. Las imágenes más brillantes pueden requerir bobinas de aceleración de mayor potencia. Una resolución de imagen más fina puede requerir bobinas o placas de enfoque de haz mejoradas. Si bien el diseño básico sigue siendo el mismo, los detalles se refinan constantemente.

Asimismo, el diseño básico de la superficie de visualización del fósforo está bastante bien definido, pero los detalles pueden cambiar. Los nuevos requisitos de resolución de imagen pueden requerir un nuevo método para depositar los puntos de fósforo en la placa frontal, lo que a su vez puede requerir nuevas técnicas de procesamiento de materiales. La búsqueda de colores más reales puede resultar en nuevas formulaciones de materiales. La cantidad de tiempo que los fósforos emiten luz, o brillan, después de ser golpeados por el haz de electrones también es importante y está controlada por la composición química del fósforo. Esta propiedad se llama persistencia. En una televisión en color, el haz de electrones escanea la pantalla 25 veces por segundo. Si la persistencia es superior a un vigésimo quinto de segundo (0,04 segundos), la imagen mostraría dos escaneos al mismo tiempo y aparecería borrosa. Si la persistencia es más corta que este tiempo, la imagen del primer escaneo habría desaparecido antes de que apareciera el segundo escaneo y la imagen parecería parpadear.

Incluso el sobre de vidrio requiere un diseño extenso. La fuerza, las características de absorción de la radiación, la tolerancia a la temperatura, la resistencia al impacto, las propiedades dieléctricas y la claridad óptica son algunos de los criterios de diseño utilizados al diseñar los componentes de vidrio. Se pueden usar computadoras para realizar análisis de elementos finitos para evaluar las tensiones en formas de envolvente complejas. Esta técnica divide la pieza en un número finito de piezas o elementos más pequeños y más fáciles de definir, y luego realiza los cálculos para cada elemento para detectar concentraciones de tensión inaceptablemente altas. Usando la computadora, las dimensiones de los contornos y el grosor de la pared se pueden ajustar fácilmente hasta que se logre un diseño satisfactorio.

Materias primas

Los tubos de rayos catódicos utilizan un conjunto interesante y variado de materias primas. En muchos casos, son las materias primas, no el diseño o el proceso de fabricación, las que determinan las características de rendimiento del producto terminado.

El cañón de electrones está hecho de una variedad de piezas de metal. El cátodo, o emisor de electrones, está hecho de una aleación de cesio. El cesio se utiliza como cátodo en muchos dispositivos electrónicos de tubo de vacío porque emite electrones fácilmente cuando se calienta o golpea con la luz. En un CRT, el cátodo se calienta con un cable eléctrico de alta resistencia. Las bobinas de aceleración, enfoque y deflexión pueden estar hechas de alambre de cobre de pequeño diámetro. Un tubo de vidrio sobresale de la parte posterior del ensamblaje del cañón de electrones y se usa para evacuar el aire del CRT terminado.

La superficie de visualización del fósforo se forma a partir de una capa continua de un solo material en CRT monocromáticos, o se compone de puntos individuales de tres materiales diferentes en CRT de color. El sulfuro de zinc es un material fósforo común. El color se determina agregando una cantidad muy pequeña de material llamado activador. El sulfuro de zinc con un activador de plata al 0,01% emite una luz azul. Cuando se utiliza un activador de cobre al 0,001%, se produce una luz verde. Una mezcla 50/50 de sulfuro de zinc y sulfuro de cadmio con un activador de plata al 0,005% produce una luz amarilla. La luz roja se puede producir agregando plata o cobre al sulfuro de zinc mezclado con un Un CRT consta de tres partes básicas:el ensamblaje del cañón de electrones, la superficie de visualización del fósforo y la envoltura de vidrio. El conjunto del cañón de electrones consta de un cátodo de metal calentado rodeado por un ánodo de metal. La superficie de visualización del fósforo es una capa delgada de material que emite luz visible cuando es golpeada por un haz de electrones. El sobre de vidrio consta de una placa frontal relativamente Rat, una sección de embudo y una sección de cuello. alto porcentaje de sulfuro de cadmio. Los fósforos generalmente se muelen en un polvo fino antes de que se apliquen al interior de la placa frontal.

La envoltura de vidrio utiliza materias primas ligeramente diferentes para cada uno de sus tres componentes. La materia prima básica para todos los componentes del vidrio es la sílice. Se puede agregar alúmina para ajustar las propiedades de flujo del vidrio fundido al formarlo. Se utilizan varios óxidos para reducir la temperatura de fusión. El óxido de bario, el óxido de estroncio y el óxido de plomo se utilizan para proporcionar protección contra la radiación en el cuello y el embudo. La placa frontal, por otro lado, debe tener un mínimo de óxido de plomo para evitar un fenómeno de decoloración conocido como pardeamiento de electrones o rayos X. Se puede utilizar óxido de neodimio en la placa frontal para mejorar el contraste de la imagen visualizada.

En los TRC de color, la máscara de sombra suele estar hecha de una hoja delgada de una aleación de níquel.

El
proceso de fabricación

La envoltura de vidrio o sus componentes generalmente se forman en una instalación de fabricación de vidrio y se envían al fabricante del tubo de rayos catódicos que forma la pantalla de visualización de fósforo, fabrica y ensambla el cañón de electrones y ensambla el CRT terminado.

Formando el sobre de vidrio

• 1 Los ingredientes del vidrio se pesan y se mezclan antes de derretir. El vidrio se derrite en hornos de gas de aproximadamente 500-3,000 pies cuadrados (46-279 metros cuadrados) de tamaño. Si se trata de un proceso continuo, se agregan nuevos ingredientes para mantener un nivel constante a medida que el vidrio fundido sale del horno a las áreas de formación. Antes de formar, el vidrio fundido debe enfriarse un poco y uniformizar su temperatura en todo momento.
• 2 La placa frontal normalmente se presiona en la forma deseada dejando caer una gota de vidrio fundido en un molde y presionando la gota con un émbolo. El embudo se puede formar por prensado o por colada centrífuga. En el método de fundición, una gota de vidrio fundido cae en un molde, que luego gira rápidamente para esparcir el vidrio uniformemente sobre la superficie interior del molde. Un disco de ranurado cerca de la parte superior del molde corta el vidrio blando a la altura deseada para que el vidrio sobrante se pueda quitar fácilmente. El cuello está hecho de tubo de vidrio y un extremo está ensanchado para facilitar la inserción del cañón de electrones.
• 3 En un CRT monocromático, los tres componentes de vidrio se unen antes de enviarse al fabricante del CRT. En un CRT de color, solo se unen el cuello y el embudo, y la placa frontal se envía por separado para su posterior procesamiento. Los componentes de vidrio generalmente se unen calentando las superficies de contacto a una temperatura alta con chorros de gas o calentadores eléctricos.

Aplicación de fósforos

• 4 En los CRT monocromáticos, la superficie de visualización del fósforo está revestida en el interior de la placa frontal de vidrio. Esto se hace preparando una suspensión líquida del fósforo y vertiendo una cantidad medida en el cuello del sobre de vidrio junto con un agente gelificante. Después de unos 20 minutos, el recubrimiento se ha asentado y se vierte el exceso de líquido. El proceso de los CRT de color es más complicado. Primero, la máscara de sombra se hace aplicando una capa sensible a la luz al material de la máscara delgada, exponiéndola a la luz a través de una plantilla perforada y luego grabando la capa expuesta con un ácido para formar millones de agujeros. Luego, la máscara se presiona en una forma ligeramente curva y se coloca justo detrás de la placa frontal. La placa frontal se coloca en una centrífuga y la superficie interior se recubre con el material de fósforo verde. La centrífuga hace girar la placa frontal para garantizar una capa uniforme de fósforo. Se muestra una fuerte luz ultravioleta a través de la máscara para endurecer el material de fósforo verde en cientos de miles de puntos. A continuación, se lava el material restante. Este proceso se repite para formar los puntos de fósforo rojo y azul, cambiando la luz ultravioleta una pequeña cantidad cada vez. Una vez finalizado este proceso, la placa frontal de vidrio se une al embudo. En los tubos de color, los puntos de fósforo son sensibles a las altas temperaturas, por lo que en lugar de usar chorros de gas a alta temperatura, se aplica una mezcla de solvente químico y vidrio en polvo, llamado frita, a la junta. Esto actúa como una "soldadura" de vidrio y la junta se puede sellar a una temperatura mucho más baja.

Montaje del cañón de electrones

• 5 Los componentes metálicos del cañón de electrones están formados con precisión. Si se utilizan bobinas, se enrollan con alambre de cobre fino. Algunos cañones de electrones usan placas de metal en lugar de bobinas, y estas placas están estampadas y formadas. Los componentes se ensamblan a mano o con máquinas automatizadas en un ambiente limpio. El tubo de vidrio está sellado en la base y la base está soldada al ensamblaje de la pistola.

Montaje final y embalaje

• 6 El interior del cuello de la envoltura de vidrio se lubrica con grafito, y el cañón de electrones se inserta y alinea. Luego, el cuello se sella alrededor de la pistola. Se adjunta una bomba de vacío al tubo de vidrio que se extiende desde la parte trasera de la pistola, y el interior del CRT se evacua de aire. Cuando se ha logrado el vacío adecuado, el tubo de vidrio se calienta y se cierra rápidamente para formar un sello.
• 7 Se prueba el rendimiento del CRT terminado y se empaqueta cuidadosamente para evitar daños. Debido a que el CRT está bajo un alto vacío, cualquier fractura en la envoltura de vidrio podría resultar en una explosión hacia adentro conocida como implosión.

Control de calidad

Aunque el principio operativo de un tubo de rayos catódicos es simple, el proceso de fabricación requiere controles estrictos y alineaciones precisas. Los materiales de fósforo deben ser extremadamente puros para lograr los colores deseados. Incluso una pequeña variación en la cantidad de activador utilizado puede provocar un cambio significativo de color. Del mismo modo, cuando se considera que un CRT de televisión en color requiere la colocación de más de un millón de pequeños puntos uno al lado del otro en la superficie de visualización, incluso un pequeño error en la alineación podría ser desastroso.

Subproductos y reciclaje

El principal subproducto de la fabricación de CRT es el vidrio de desecho. Gran parte de este vidrio se recicla. El vidrio reciclado con un alto contenido de óxido de plomo se utiliza para proporcionar protección contra la radiación en los embudos CRT y ha reemplazado por completo las fuentes anteriores de óxido de plomo para esta aplicación.

El futuro

El mercado mundial de tubos de rayos catódicos se estimó en casi 400 millones de unidades en 1994 y se espera que crezca a una tasa anual del 6% hasta el año 2000. Se espera que el mercado de la televisión en color crezca a una tasa anual del 5%, mientras que la computadora en color Se espera que el mercado de monitores crezca a una tasa del 20%. En el mercado de la televisión, se espera que continúe la demanda de tubos de imagen de televisión más grandes con una resolución de imagen más alta.

Una tendencia importante es el desarrollo de la televisión de alta definición (HDTV), que tiene índices de exploración más del doble que los de los sistemas convencionales. Esto requerirá nuevos diseños de cañones de electrones, así como nuevos materiales y tecnologías de vidrio para manejar la tasa de radiación duplicada.