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  陰極射線管(Cathode-Ray Tube或簡稱為CRT)是一種特別結構的真空管,在這特別結構的管子之中,由陰極放射電子,用電極使其形成一細線的電子束(Beam)然後予以加速,,使之衝擊一塗有燐光物質的屏幕,打出一光點,電子束在飛奔途中,若用靜電或電磁引力的方法使之偏折,那麼控制靜電或電磁引力就可以光點掃描或排列成一定之圖型以便觀測。

  常見的陰極射線管例如電視接收機上的影像管,或示波器的示波管以及早期真空管收音機或錄音機常用的調諧指示或錄音電平指示用的魔眼管等,都屬於陰極射線管之一。

  現在,儘管一般用途的真空管已因固態元件的高速發展,已逐漸被固態元件所取代,但陰極射線管卻隨著各類型資訊系統之發展,而變得更不可或缺,而且在製造及運用的技術更較前更為進步。本文想就以簡單的敘述,加上一特定廠商所生產的各類型陰極射線管的規格資料,使讀者獲得基礎的認識。

1.陰極射線管的分類

1-1 資訊系統用陰極射線管:

  所謂資訊系統(Information System)主要是指現今各類電子計算機──包括各類型大小電腦或微電腦、微處理機而言、在資訊系統中處理或儲存、傳遞的各式各樣資料,到最後有一部份總不免要變成人類能夠讀取的資料,這一部份設備稱之為終端系統。一般的終端系統除了印字機之外,使用得最多的還是陰極射線管。在資訊系統的終端設備中所用的陰極射線管大致又分為三類,一是專供感光紙類的光學紀錄用的所謂三明治管,三明治管為一毛刷狀管,產生狹長的光跡,可使一移動的紀錄紙感光而留下曲線紀錄;一是具高分析力專門觀測高速光點用的陰極射線管,此類陰極射線管多以高感光度軟片感光存跡以便事後觀察用;另一資訊系統中所用之陰極射線管為類似電視接收機影像管之大型陰極射線管,它可以文字或圖形顯示資訊系統中儲存或正在被處理的資料,以供監視或讀取用,故稱之為顯示管(Display Tubes)或監視管(Monitor Tubes)。

1-2 觀測用陰極射線管

  一般用為波形觀測的設備,我們稱之為示波器(Oscilloscope)觀測用的陰極射線管即是用於示波器上的示波管。由於被觀測波形的性質不同,所以示波器仍有許多類型,例如一般電子實驗用的示波器生產線上品管監視用的示波器或醫學用途的示波器等等。

  示波器用的示波管通常以管面的大小區分型別,二吋稱為二吋管三吋則稱為三吋管,但近年來以發展出許多長方型管面並有刻劃以減少視差的新型管束了。

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  觀測用的示波管為了獲得從直流到極高頻間均有寬廣而平坦的頻率響應,均使用靜電偏向方式,圖一中顯示各不同加速方式之示波管的內部結構,計為: 

  單加速型(Mono accel. type)

  後加速型(Post accel. type)

  後螺絲體加速型(Helical Post accel. type)

  後網狀加速型(Mesh Post accel. type)

  在圖中,我們可以看到全部的內部結構,最前頭是為陰極(Cathode),陰極被熱絲加熱後放出自由電子,套在陰極外面的為一圓筒型柵極,稱為第一柵極(No. 1 grid),電子由其開口處通過時,因第一柵負電壓的變化而可控制電子束的強度,產生亮度控制作用(Intensity Control or Brightness Control),當然實際的控制方式當須視電路而定,有時可能控制陰極的電壓(使相對於第一柵之電壓變化),而第一柵則供回描遮沒或Z調變之用。

  電子束經第一柵之後即到達第二柵(No. 2 grid)此柵之功能主要在修正電子束之方向,使能順利通過隨後之陽極(No. 1 anode)時,因所加電壓略較第二柵為低,故使電子束產生收斂作用因而聚焦成一小束,稱之為聚焦(Focusing),故第一陽極又稱之為聚焦陽極。

  第二陽極(No. 2 anode)為一加有甚高正電壓之陽極,其與第一陽極間之較低電壓,形成一強大的加速電場,故電子束即被加速並更形成一細束。以上各電極通常被合稱為電子槍(Electron Gun)。

  由電子槍所發射出來的高速電子細束,撞擊在屏幕的螢光體上時,即可發出一明亮的光點。為若僅此一光點,對「觀測」並不顯示任何意義,所以又被加入垂直及水平偏向屏(Y-deflectros and X-deflectros),水平偏向屏通常被施加一定速度之掃描電壓,使電子束由左至右週而復始地掃描,垂直偏向軸則被施加欲觀測的信號,這樣我們便可以看到「信號」隨時間週期變化的情形了。

  至於圖一ⓑⓒⓓ均為其改進的形式,改進的重點主要在提高偏向屏的偏向電敏度但又不加大偏向屏的相對面積,以免極間電容加大,如此即可提高偏向頻率。第一個改進方式是把加速陽極移到偏向屏之後,甚至加上第三陽極以補加速不足並吸收離群的電子。其次之改進方式稱為沒螺線加速型,即加速陽極在管壁上形成一螺線體狀以增進加速作用,以上兩種改進可說都是有限的,故通常只見於尺寸型別不同做適切的運用罷了,及至的後網狀加速型的出現,可說使得示波管的頻率響應有了突破性的發展,這類加速型的示波管其頻率特性已能到達100MHz~300MHz了。

1-3 直接影像儲存管

  有些欲觀察的波形,並不是周而復始的,甚或雖是周而復始的,但我們卻希望在許多周而復始的波形中互相作一比較,此時便需要一種類似能感光的影像儲存管,每一次掃描均在幕上留下光跡,多次不同波形的掃描即可留下多條光跡,這種能儲存光跡的示波管我們稱之為直接影像儲存管(Direct View Storage Tube)。之所以稱之為直接影像儲存,是為別於一種「電路儲存」的方式。

  直接影像儲存管與一般示波管不同之處,是另外增加了儲存柵(Storage Gride)、集柵(Collector Grid)和影像槍(Viewing Gun)。

  儲存柵位於接近磷光屏幕之後方,為一有細密孔眼的屏幕,細孔一面朝向電子槍,表面則塗有非導電物質,此種物質,在電子束的撞擊下有極高的二次放射率,二次放射後便剩下正電荷,而放射的電子則被集柵極吸收。

  影響槍則裝置於電子槍附近,是一未經聚焦加速的電子槍,由其放射出來的電子速度極慢,且是散射的。當它到達儲柵極時,部份即通過了儲柵極上原先留下有正電荷的位置而到達磷光屏並發光。當儲柵極被加上一正脈波後,影像即可消除,此即為直接影響儲存管的原理。

1-4 雷達●羅遠用管

  雷達與羅遠均為現代航空航海不可或缺之儀器,前者為利用本機所發出之高頻脈波至目標反射回來後,計算其時間以測距及測向,後者則利用兩已知位置之海岸電台信號之時差以測定自己的位置,這兩種裝置均須使用陰極射線管,在隨後的資料中,亦附有少數此類用管的特性以供參考。

2.陰極射線管的編號

  陰極射線管的編號,通常採取兩種方式,一是美國之EIA標準以英吋為單位,一為日本之JIS即若干歐洲國家標準以毫米(m/m)為單位。

  整個型號如5up1或130AEB31,可寫成5-u-p1或130-AE-B31,其中第一節之數字表示管面直徑,如5表5吋管130表示130m/m管等,第二節為單一或二字母,通常由製造工廠依製造登記順序或用途等所賦予,第三節為一字母及一組數字所組成,且字母通常為B或P,B與P與數字的組合代表了磷光體的性質(參考下節敘述)。

  最近陰有方型管面的出現,此類方型管面陰極射線管的編號,除大型採對角線長度以定型別如270FB4屬於對角線為27公分的型別之外,小型觀測管多採用四位數以表示特定的意義。

3.磷光體的種類及特性

  依據美國EIA標準之記載,供陰極射線管使用磷光體計有由P1到P48等共48種之多。當然,一般常用的不過十數種之多,而在觀測用示波管裡又多只用P1、P7、P31等數種。在表一中我們列了十四種標準的磷光體性質另有PFA、PYP、PFC等三種為日本東芝公司所開發之特殊磷光物質。

  在圖二中,讀者可看到各不同磷光物質的波長特性。

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4.電及機械特性

  為使陰極射線管發揮正常的功能,在使用上、更換及修理前,最好詳細閱讀有關該管的廠方公佈資料,一般地說來,以下幾種資料所表示的意義,最好能做徹底瞭解:

4-1 熱絲規格:

  熱絲規格通常以額定的電壓及電流表示之,且一般允許有±10%的寬容度。在高於額定值的寬容度上限使用時,可能使熱絲壽命減短,而在不足額定值使用時,則無法發揮正常的功能。

4-2 最大規格:

  同一般電子零件規格的表示方法一樣,陰極射線管亦定有最大規格限制,那示表示該管使用的極限,使用時,最好不要逾越此規格,否則可能因所施電壓太高引起極間放電現象而致電極受損。

  當然部份最大規格的限制,是依據有效使用期限(額定壽命)或最惡劣的環境條件下所定,在一般的情況使用下,偶然超過此規格並不會立刻遭致毀損,但仍不能不特別予以注意。

4-3 使用範例:

  這是表示製造廠商所推薦的典型使用的規格範例,有時可能表示此管在此範例規格下使用可以發揮最佳的性能,但未必每一設計者均必須完全遵循此範例使用,而可予以酌情調整,例如降低加速電壓可以偏向靈敏度提高,但亮度則降低等等。

5.特別警告

  陰極射線管為一高度真空的特殊真空管,且在各電極加有高壓,因此不管裝卸、修理均應特別遵循有關安全方面的警告。

5-1 裝卸:

  包括包裝、運輸、開封、拿取及裝配等,英特別注意防止振動及衝擊,由其注意相關電極在裝卸上的脆弱點,而加以妥善保護。

5-2 高壓危險!

  陰極射線管一般所加電壓均在一千到數千伏以上,若不注意可能發生感電、觸電的危險,此中應特別注意的乃是在興表上所標示的電壓,通常是加在加速陽極上,而實際的應用則在陰極加負高壓,因此連帶地熱絲對地之間即存有極高的負電壓,在修理時宜特別注意在未弄清楚各電極及相關電路對地(機座)的電壓之前,萬勿貿然取電壓,以免毀損儀表。再者有些射線管的外層塗有導電膜等物質在關去電源後仍有高壓電荷存在,宜實施放電後,再進行檢修工作。

5-3 X 射線:

  當陰極射線管的電極被施加超過一萬伏特以上的電壓時,即可能有X射線產生,應予特別注意防護的工作。

5-4 爆炸:

  因為陰極射線管內部為高度真空結構,所以在使用不慎或遇碰撞時,可能發生爆炸事件,應予特別防範。在無法全力防範的情況之下,則宜採用特製的防爆管。

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轉載音響技術第51期 MAR. 1980 陰極射線管的基本認識/非君子

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