Tube à rayons cathodiques

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Contexte

Un tube cathodique, souvent appelé tube cathodique, est un dispositif d'affichage électronique dans lequel un faisceau d'électrons peut être focalisé sur un écran de visualisation phosphorescent et faire varier rapidement sa position et son intensité pour produire une image. L'application la plus connue d'un tube cathodique est probablement celle du tube image d'un téléviseur. D'autres applications incluent l'utilisation dans les oscilloscopes, les écrans radar, les écrans d'ordinateur et les simulateurs de vol.

Le tube cathodique a été développé en 1897 par Ferdinand Braun de Strasbourg dans ce qui était alors la région franco-allemande d'Alsace-Lorraine. Il a d'abord été utilisé comme oscilloscope pour visualiser et mesurer des signaux électriques. En 1908, les A.A. Campbell-Swinton d'Angleterre a proposé d'utiliser un tube cathodique pour envoyer et recevoir des images par voie électronique. Ce n'est que dans les années 1920, cependant, que le premier système de télévision pratique a été développé. Le concept d'un tube cathodique couleur a été proposé en 1938 et développé avec succès en 1949.

Bien que General Electric ait présenté son premier téléviseur à usage domestique en 1928, la télédiffusion commerciale est restée une technologie expérimentale avec une portée et un public limités. Il a fallu attendre la fin des années 40 avant que les réseaux de télévision ne se soient suffisamment établis pour déclencher un boom des ventes aux consommateurs. Les téléviseurs en noir et blanc ont cédé la place aux premiers téléviseurs en couleur dans les années 1960. Au cours des décennies suivantes, les tubes cathodiques pour téléviseurs sont devenus à la fois plus gros et plus petits, les fabricants cherchant à satisfaire les besoins des consommateurs. Les développements récents ont inclus des tubes avec des faces plus plates, des coins plus nets et une résolution plus élevée pour une meilleure visualisation.

Un tube cathodique se compose de trois parties de base :l'assemblage du canon à électrons, la surface d'observation du phosphore et l'enveloppe de verre. L'ensemble canon à électrons se compose d'une cathode métallique chauffée entourée d'une anode métallique. La cathode reçoit une tension électrique négative et l'anode une tension positive. Les électrons de la cathode traversent un petit trou dans l'anode pour produire un faisceau d'électrons. Le canon à électrons contient également des bobines ou des plaques électriques qui accélèrent, focalisent et dévient le faisceau d'électrons pour frapper la surface d'observation du phosphore dans un mouvement de balayage rapide d'un côté à l'autre en commençant par le haut de la surface et en descendant. La surface d'observation du phosphore est une fine couche de matériau qui émet de la lumière visible lorsqu'elle est frappée par le faisceau d'électrons. La composition chimique du phosphore peut être modifiée pour produire les couleurs blanc, bleu, jaune, vert ou rouge. L'enveloppe de verre se compose d'une plaque frontale relativement plate, d'une section d'entonnoir et d'une section de col. La surface d'observation du phosphore est déposée à l'intérieur de la plaque frontale en verre et l'ensemble canon à électrons est scellé dans le col en verre à l'extrémité opposée. Le but de l'entonnoir est d'espacer le canon à électrons à la bonne distance de la plaque frontale et de maintenir l'enveloppe de verre ensemble afin qu'un vide puisse être réalisé à l'intérieur du tube fini.

Le tube cathodique utilisé dans un téléviseur couleur ou un écran d'ordinateur couleur comporte quelques pièces supplémentaires. Au lieu d'un canon à électrons, il y en a trois :un pour le signal de couleur rouge, un pour le bleu et un pour le vert. Il existe également trois matériaux luminophores différents utilisés sur la surface de visualisation, encore une fois, un pour chaque couleur. Ces luminophores sont déposés sous la forme de très petits points dans un motif répété sur l'écran :rouge, bleu, vert, rouge, bleu, vert, etc. La clé d'un tube cathodique couleur est un morceau de métal perforé, connu sous le nom de masque d'ombre, qui est placé entre les canons à électrons et l'écran de visualisation. Les perforations du masque d'ombre sont alignées de sorte que le canon rouge ne puisse tirer des électrons que sur les points phosphorescents qui produisent la couleur rouge, le canon bleu sur les points bleus et le canon vert sur les points verts. En contrôlant l'intensité du faisceau pour chaque couleur lors de son balayage à travers l'écran, différentes couleurs peuvent être produites sur différentes zones de l'écran, produisant ainsi une image en couleur. Pour donner une idée de la taille des perforations et des points, un tube-image de télévision couleur de 25 pouces (63 cm) peut avoir un masque perforé avec 500 000 perforations et 1,5 million de points de phosphore individuels.

Conception

Le canon à électrons doit être conçu pour chaque nouvelle application. Les nouvelles tailles d'écran, les nouvelles dimensions globales de l'enveloppe de verre et les nouvelles exigences de résolution d'image nécessitent toutes une nouvelle conception de pistolet. Des images plus lumineuses peuvent nécessiter des bobines d'accélération de puissance plus élevée. Une résolution d'image plus fine peut nécessiter des bobines ou des plaques de focalisation de faisceau améliorées. Alors que le design de base reste le même, les détails sont constamment raffinés.

De même, la conception de base de la surface d'observation du phosphore est assez bien définie, mais les détails peuvent changer. Les nouvelles exigences de résolution d'image peuvent nécessiter une nouvelle méthode de dépôt des points de phosphore sur la plaque frontale, qui à son tour peut nécessiter de nouvelles techniques de traitement des matériaux. La recherche de couleurs plus vraies peut entraîner de nouvelles formulations de matériaux. La durée pendant laquelle les phosphores émettent de la lumière, ou brillent, après avoir été frappés par le faisceau d'électrons est également importante et est contrôlée par la composition chimique du phosphore. Cette propriété est appelée persistance. Dans une télévision couleur, le faisceau d'électrons balaie l'écran 25 fois par seconde. Si la persistance est supérieure à un vingt-cinquième de seconde (0,04 seconde), l'image affichera deux scans en même temps et apparaîtra floue. Si la persistance est plus courte que cette durée, l'image du premier balayage aurait disparu avant le deuxième balayage et l'image semblerait scintiller.

Même l'enveloppe de verre nécessite une conception approfondie. La résistance, les caractéristiques d'absorption du rayonnement, la tolérance à la température, la résistance aux chocs, les propriétés diélectriques et la clarté optique sont quelques-uns des critères de conception utilisés lors de la conception des composants en verre. Les ordinateurs peuvent être utilisés pour effectuer une analyse par éléments finis afin d'évaluer les contraintes dans des formes d'enveloppe complexes. Cette technique divise la pièce en un nombre fini de pièces ou d'éléments plus petits et plus faciles à définir, puis effectue les calculs pour chaque élément afin de repérer les concentrations de contraintes trop élevées. À l'aide de l'ordinateur, les dimensions des contours et l'épaisseur de la paroi peuvent être facilement ajustées jusqu'à ce qu'une conception satisfaisante soit obtenue.

Matières premières

Les tubes cathodiques utilisent un assemblage intéressant et varié de matières premières. Dans de nombreux cas, ce sont les matières premières, et non le processus de conception ou de fabrication, qui déterminent les caractéristiques de performance du produit fini.

Le canon à électrons est composé d'une variété de pièces métalliques. La cathode, ou émetteur d'électrons, est en alliage de césium. Le césium est utilisé comme cathode dans de nombreux appareils électroniques à tube à vide car il dégage facilement des électrons lorsqu'il est chauffé ou frappé par la lumière. Dans un tube cathodique, la cathode est chauffée avec un fil électrique à haute résistance. Les bobines d'accélération, de focalisation et de déviation peuvent être constituées de fil de cuivre de petit diamètre. Un tube de verre dépasse de l'arrière du canon à électrons et est utilisé pour évacuer l'air du tube cathodique fini.

La surface d'observation du phosphore est formée d'une couche continue d'un seul matériau dans les tubes cathodiques monochromatiques, ou est composée de points individuels de trois matériaux différents dans les tubes cathodiques couleur. Le sulfure de zinc est un matériau phosphoré courant. La couleur est déterminée en ajoutant une très petite quantité de matière appelée activateur. Le sulfure de zinc avec 0,01% d'activateur d'argent émet une lumière bleue. Lorsqu'un activateur de cuivre à 0,001% est utilisé, il produit une lumière verte. Un mélange 50/50 de sulfure de zinc et de sulfure de cadmium avec un activateur d'argent à 0,005% produit une lumière jaune. La lumière rouge peut être produite en ajoutant de l'argent ou du cuivre au sulfure de zinc mélangé à un Un tube cathodique se compose de trois parties de base :l'assemblage du canon à électrons, la surface d'observation du phosphore et l'enveloppe de verre. L'ensemble canon à électrons se compose d'une cathode métallique chauffée entourée d'une anode métallique. La surface d'observation du phosphore est une fine couche de matériau qui émet de la lumière visible lorsqu'elle est frappée par un faisceau d'électrons. L'enveloppe de verre se compose d'une plaque frontale relativement Rat, d'une section d'entonnoir et d'une section de cou. pourcentage élevé de sulfure de cadmium. Les luminophores sont généralement broyés en une fine poudre avant d'être appliqués à l'intérieur de la plaque frontale.

L'enveloppe de verre utilise des matières premières légèrement différentes pour chacun de ses trois composants. La matière première de base pour tous les composants du verre est la silice. De l'alumine peut être ajoutée pour ajuster les propriétés d'écoulement du verre fondu lors de sa formation. Divers oxydes sont utilisés pour abaisser la température de fusion. L'oxyde de baryum, l'oxyde de strontium et l'oxyde de plomb sont utilisés pour assurer la radioprotection du col et de l'entonnoir. La plaque frontale, quant à elle, doit avoir un minimum d'oxyde de plomb pour éviter un phénomène de décoloration connu sous le nom de brunissement par électrons ou par rayons X. De l'oxyde de néodyme peut être utilisé sur la plaque frontale pour améliorer le contraste de l'image visualisée.

Dans les tubes cathodiques couleur, le masque perforé est généralement constitué d'une fine feuille d'un alliage de nickel.

Le processus de fabrication

L'enveloppe de verre ou ses composants sont généralement formés dans une usine de fabrication de verre et expédiés au fabricant de tubes à rayons cathodiques qui forme l'écran de visualisation au phosphore, fabrique et assemble le canon à électrons et assemble le tube cathodique fini.

Former l'enveloppe de verre

• 1 Les ingrédients du verre sont pesés et mélangés avant de fondre. Le verre est fondu dans des fours à gaz d'environ 500 à 3 000 pieds carrés (46 à 279 m²). S'il s'agit d'un processus continu, de nouveaux ingrédients sont ajoutés pour maintenir un niveau constant à mesure que le verre fondu s'écoule du four vers les zones de formage. Avant le formage, le verre fondu doit être quelque peu refroidi et sa température uniforme doit être partout.
• 2 La plaque frontale est normalement pressée dans la forme désirée en laissant tomber une paraison de verre fondu dans un moule et en appuyant sur la paraison avec un piston. L'entonnoir peut être formé soit par pressage, soit par coulée centrifuge. Dans la méthode de coulée, une paraison de verre fondu tombe dans un moule, qui tourne ensuite rapidement pour étaler le verre uniformément sur la surface intérieure du moule. Un disque de rainurage près du haut du moule coupe le verre souple à la hauteur souhaitée afin que l'excès de verre puisse être facilement retiré. Le col est en tube de verre et une extrémité est évasée pour faciliter l'insertion du canon à électrons.
• 3 Dans un tube cathodique monochromatique, les trois composants en verre sont assemblés avant d'être expédiés au fabricant du tube cathodique. Dans un tube cathodique couleur, seuls le col et l'entonnoir sont joints, et la plaque frontale est expédiée séparément pour un traitement ultérieur. Les composants en verre sont généralement assemblés en chauffant les surfaces de contact à une température élevée avec des jets de gaz ou des radiateurs électriques.

Application des luminophores

• 4 Dans les tubes cathodiques monochromatiques, la surface de visualisation du phosphore est revêtue à l'intérieur de la plaque frontale en verre. Cela se fait en préparant une suspension liquide du phosphore et en versant une quantité mesurée dans le col de l'enveloppe de verre avec un agent gélifiant. Après environ 20 minutes, le revêtement a pris et l'excès de liquide est versé. Le processus pour les tubes cathodiques couleur est plus compliqué. Tout d'abord, le masque d'ombre est fabriqué en appliquant un revêtement sensible à la lumière sur le matériau du masque mince, en l'exposant à la lumière à travers un gabarit perforé, puis en décapant le revêtement exposé avec un acide pour former les millions de trous. Le masque est ensuite pressé dans une forme légèrement incurvée et fixé juste derrière la plaque faciale. La plaque frontale est placée dans une centrifugeuse et la surface intérieure est recouverte de matériau phosphorescent vert. La centrifugeuse fait tourner la plaque frontale pour assurer une couche uniforme de phosphore. Une forte lumière ultraviolette est montrée à travers le masque pour durcir le matériau phosphore vert en centaines de milliers de points. Le matériau restant est ensuite lavé. Ce processus est répété pour former les points de phosphore rouge et bleu, la lumière ultraviolette étant légèrement décalée à chaque fois. Lorsque ce processus est terminé, la plaque frontale en verre est jointe à l'entonnoir. Sur les tubes de couleur, les points de phosphore sont sensibles aux températures élevées. Ainsi, au lieu d'utiliser des jets de gaz à haute température, un mélange de solvant chimique et de verre en poudre, appelé fritte, est appliqué sur le joint. Cela agit comme une « soudure » de verre et le joint peut être scellé à une température beaucoup plus basse.

Assemblage du canon à électrons

• 5 Les composants métalliques du canon à électrons sont formés avec précision. Si des bobines sont utilisées, elles sont enroulées à partir de fil de cuivre fin. Certains canons à électrons utilisent des plaques métalliques au lieu de bobines, et ces plaques sont estampées et formées. Les composants sont assemblés soit à la main, soit avec des machines automatisées dans un environnement propre. Le tube de verre est scellé dans la base et la base est soudée dans l'ensemble pistolet.

Assemblage final et emballage

• 6 L'intérieur du col de l'enveloppe de verre est lubrifié avec du graphite, et le canon à électrons est inséré et aligné. Le col est ensuite scellé autour du pistolet. Une pompe à vide est fixée au tube de verre s'étendant depuis l'arrière du pistolet, et l'intérieur du tube cathodique est évacué de l'air. Lorsque le vide approprié a été atteint, le tube de verre est chauffé et rapidement pincé pour former un joint.
• 7 Le tube cathodique fini est testé pour ses performances et soigneusement emballé pour éviter tout dommage. Étant donné que le tube cathodique est soumis à un vide poussé, toute fracture dans l'enveloppe de verre pourrait entraîner une explosion vers l'intérieur connue sous le nom d'implosion.

Contrôle qualité

Bien que le principe de fonctionnement d'un tube cathodique soit simple, le processus de fabrication nécessite des contrôles stricts et des alignements précis. Les matériaux phosphorescents doivent être extrêmement purs pour obtenir les couleurs souhaitées. Même un petit écart dans la quantité d'activateur utilisé peut entraîner un changement significatif de couleur. De même, si l'on considère qu'un téléviseur à tube cathodique couleur nécessite le placement de plus d'un million de petits points côte à côte sur la surface de visualisation, même une petite erreur d'alignement peut être désastreuse.

Sous-produits et recyclage

Le sous-produit principal de la fabrication de tubes cathodiques est le verre de rebut. Une grande partie de ce verre est recyclé. Le verre recyclé à haute teneur en oxyde de plomb est utilisé pour assurer la radioprotection dans les entonnoirs CRT et a complètement remplacé les sources précédentes d'oxyde de plomb pour cette application.

Le futur

Le marché mondial des tubes cathodiques était estimé à près de 400 millions d'unités en 1994 et devrait croître à un taux annuel de 6 % jusqu'en 2000. Le marché de la télévision couleur devrait croître à un taux annuel de 5 %, tandis que l'ordinateur couleur Le marché des moniteurs devrait croître à un taux de 20 %. Sur le marché de la télévision, la demande de tubes-images de télévision plus grands avec une résolution d'image plus élevée devrait se poursuivre.

Une tendance importante est le développement de la télévision haute définition (TVHD), qui a des taux de balayage plus de deux fois supérieurs à ceux des systèmes conventionnels. Cela nécessitera de nouvelles conceptions de canons à électrons ainsi que de nouveaux matériaux et technologies de verre pour gérer le taux de rayonnement doublé.