Elektronkiiretoru

Elektronkiiretoru ehk katoodkiiretoru (ingl cathode ray tube, lühend CRT) on elektrovaakumseadis, mille tekitatud ühe või mitme terava elektronkiire asendit ja intensiivsust tüüritakse elektri- ja magnetväljaga.
Elektronkiiretorude kõige laiemalt tuntud liik on kineskoop, mis muundab videosignaali ekraanil nähtavaks kujutiseks. Kineskoope kasutati telerites ja kuvarites kuni käesoleva sajandi esimeste aastateni.
Elektronkiiretoru teine tähtis rakenduskoht oli ostsilloskoop, mida kasutatakse kiiresti muutuvate elektripingete ja -voolude jälgimiseks.

Kineskoobi elektroodisüsteem

Elektronikahuris tekitab elektronkiire topsikujuline nikkelelkatood, mille otspinnale on kantud elektrone emiteeriv (väljutav) oksiidikiht. Topsi sees on volframist kütteniit. Küttepingel 6,3 V kuumutab kütteniit katoodi temperatuurini kuni 850 °C.
Katoodi emiteeriva pinna lähedal paikneb silindriline tüürelektrood ehk modulaator. Sellele antakse katoodi suhtes püsiv negatiivne pinge – eelpinge. Videosignaali pinge, mis muudab elektronkiire voolu signaali taktis, rakendatakse katoodi ja modulaatori vahele.
Katood, modulaator ja kiirenduselektrood moodustavad esimese koondav elektrostaatilise läätse, kus kiir aheneb ja uuesti laieneb. Edasi teravdab kiirt peafokuseerimissüsteem. Selle moodustavad fokuseerimiselektroodid, mida nimetatakse esimeseks ja teiseks anoodiks.
Kineskoobi koonilise osa sisepind on kaetud juhtiva grafiidikihiga – akvadaagiga, mis ühendab ekraani teise anoodiga. Sellele anoodile antakse positiivne kõrgepinge kuni 30 000 volti koonuseosas oleva kontakti kaudu. Teised elektroodid on ühendatud kineskoobi sokli kontakttihvtidega.
Kirjeldatud mustvalge kineskoobi elektronikahuri ehituse ja talitluse põhimõtted kehtivad ka värvikineskoopide korral.

Elektronkiire hälvitamine

Hälvitussüsteemi rea- ja kaadripoolidest lastakse läbi saehambakujulise graafikuga vool, mis tekitab muutuva magnetvälja nii, et elektronkiir hakkab ekraanil liikuma edasi-tagasi rõhtsihis (piki ridu) ja samuti püstsihis (realt reale). Niimoodi liikuv kiir joonistab ekraanile üksikpildi, mis vahetub analoogtelevisiooni videosignaali korral 25 korda sekundis (tegelikult poolpildid 50 korda sekundis), vt ka Kineskooptelerid.
Kineskoobi kaelaosal paiknev rõngakujuline püsimagnet võimaldab kaadrit tsentreerida, s.t ühitada hälvituskese elektronikahuri teljega.
Elektromagnetiline hälvitus võimaldab kallutada kiirt kuni 110° ulatuses. Mida suurem on hälvitusnurk, seda lühema kineskoobi saab valmistada.

Ekraan

Ekraaniks on toru paksu klaaspõhja sisekülge kattev luminofoorikiht. Elektronkiiretorudes kasutatakse kõrgepingelist (kuni 30 kV) katoodluminestsentsi. Kõrge pinge mõjul kiirendatud suure energiaga elektronid pommitavad luminofoori, mille juures teatav osa aatomeid läheb kõrgemale energiatasemele. Nende aatomite siirdumisel tagasi lähtetasandile tekib valguskiirgus.
Ekraani helenduse värvus valitakse mustvalgekineskoopidel valge; see saadakse kollase ja siniseluminofoori segamisel sobivas vahekorras.
Kuna ekraanile langeb töötades pidevalt elektrone, siis peaks ekraan laaduma negatiivselt. Tegelikult aga esineb sekundaaremissioon ja selle tulemusena laadub ekraan hoopis positiivselt. Ekraanilt sekundaaremiteerunud elektronid liiguvad positiivselt pingestatud anoodile. Sekundaaremiteerunud elektronide kiirus on aga ekraani läheduses väike ja tekib ruumilaeng, mis hajutab elektronkiirt. Ruumilaengu kõrvaldamiseks kaetakse toru sisekülg voolujuhtiva grafiitemulsiooni kihiga (akvadaagiga), mis ühendatakse teise anoodiga. Kasutatakse ka alumineeritud ekraani.
Elektronikahuri poolelt on ekraan kaetud õhukese, elektronidele "läbipaistva" alumiiniumikihiga. See suurendab ekraani valgusviljakust ja kontrastsust ning kaitseb luminofoori elektronikahurist koos elektronidega väljuvate ioonide eest. Et elektronid suudaksid alumiiniumikihti edukalt läbida, kasutatakse kõrgemat anoodpinget.
Ekraanile langevate elektronide energiast muutub valguseks 2–3%, ülejäänu aga kuumutab ekraani. Kuumenemise tulemusena luminofoor vananeb ja ekraan tuhmub. Samuti võib tugeva vooluga paigalseisev kiir ekraani langemispunktis "läbi põletada".

Värvikineskoobid

Värvikineskoobi ekraanil moodustub värviline kujutis kolme põhivärvi kooskiirgusest: punane (tähis R – red), roheline (tähis G – green) ja sinine (tähis B –blue). Igale värvusele on oma elektronkiir ja luminofoorielemendid. Eri kahurite katoodide kütteniidid on ühendatud paralleelselt, kuid iga värvi katood on eraldi välja toodud, ühine on heleduse modulaator ning ühised on ka fokuseerimiselektroodid.
On olemas kaks põhitüüpi värvikineskoope: aukmaskiga ja pilumaskiga. Aukmaskiga kineskoobis paiknevad eri värvi kiirte elektronkahurid võrdkülgse kolmnurga tippudes. Ekraanil on eri värvi luminofooride mosaiik ja selle ees aukmask, mis tagab, et õiget värvi kiir satuks õiget värvi mosaiiktäpile. Mosaiiktäppide arv võrdub aukude arvuga ja mida suurem on see arv, seda teravam on tekkiv kujutis.
Pilumaskkineskoobis paiknevad kolm eri värvi elektronkahurit ühes horisontaalreas, nii et ka nendest väljuvad elektronkiired on ühes tasapinnas. Ekraan koosneb eri värvi luminofooritriipudest. Need on paigutatud nii, et moodustavad kolmest triibust koosnevad triaadid RGB. Kiirte langemiseks täpselt triaadile ja nii, et iga kiir tabaks õiget luminofoori, on ekraani sisepinnast umbes 1–5 mm kaugusel pilumask. See on metall-leht, milles iga triaadi kohal on pilu. Pilud ja neile vastavad triaadid paiknevad astmeliselt. Luminofoor võib ekraanil paikneda ka ribadena. Normaalsel vaatamiskaugusel triaadide värvused liituvad ja silm tajub neid sõltuvalt eri värvi triipude heleduse vahekorrast mingi kindla värvusena.
Hälvitusmähised paigaldab ja reguleerib kineskoopide valmistaja, ainult korrigeerimismagneteid kineskoobi kaelal reguleerib teleri valmistaja.

Kuvaritorud

Kuvaritorud on kineskoopide eriliigiks, mille eripära tuleneb nende kasutamise iseärasustest. Põhiline erinevus on selles, et arvuti kasutaja vaatab kuvari ekraani palju ligemalt kui televaataja. Sellest tulenevad kiirguse ja ka kujutise teravuse erinõuded. Ka on kuvaritorud reeglina väiksema ekraanidiagonaaliga, kusjuures kasutatakse nii aukmaski kui ka ribamaskiga torusid.
Kujutise teravuse ehk eraldusvõime määrab ekraanile kantud pildipunktide ehk pikslite üldarv, mis saadakse reas olevate pildipunktide arv korrutamisel ridade arvuga. Iga pildipunkt moodustub kolmest ekraani sisepinnal olevast erivärvilisest luminofooritäpist või kolmest kõrvutisest luminofooririba lõigust. Eraldusvõime ja kujutise teravus on seda suurem, mida väiksemad on pildipunktid. Nende suurus on tavaliselt 0,25–0,41 mm. Pikslite koguarv sõltub sellest, mis otstarbeks on antud kuvar tehtud.
Kuvari tähtsaks parameetriks on ka vertikaalhälvitus- ehk kaadrisagedus. See näitab, mitu korda sekundis joonistab elektronkiir ekraanile kujutise. Kaadrisagedus on tavaliselt 60 Hz või rohkem. Mida suurem on sagedus, seda vähem väreleb kujutis. Ekraanilt valguse peegeldumise vähendamiseks on kallimate kuvaritorude pind kaetud spetsiaalse helkimisvastase aine kihiga.
Kuvari ekraan kiirgab infrapunast, raadio- ja röntgenikiirgust ja tekitab ka elektrostaatilist välja. Kiirgustasemed on kuvaritel normeeritud ja kiirguse vähendamiseks kasutatakse ekraanifiltreid, mis võivad olla ka kuvarisse sisse ehitatud. Täiustatud nn LR-kuvarid (LR – Low Radiation) täiendavaid filtreid ei vaja.

Ostsilloskoobitorud

Ostsilloskoobitorud on elektronkiiretorud, mida kasutatakse ostsilloskoopides kiiresti muutvate pingete ja voolud jälgimiseks. Suurema sagedusega tööpiirkonna tagamiseks kasutatakse neis elektrostaatilist hälvitussüsteemi.
Muutuvate pingete uurimisel rakendatakse uuritav pinge y-teljelistele plaatidele, x-teljelistele plaatidele aga antakse ajaliselt lineaarse laotuse saamiseks hammaspinge. Hammaspinge tõusu kestel kaldub elektronkiir perioodiliselt vasakult paremale ja langu kestel kiiresti tagasi. Kui hammaspinge periood on võrdne või kordne uuritava pinge perioodiga, saame olukorra, kus üksikute perioodide jäljed satuvad pealekuti ja ekraanil tekib jälgimiseks sobiv seisev kujutis.
Kasutatavamaks ekraanimaterjaliks on villemiit, mis võimaldab jälgida protsesse alates sagedusest 10–20 Hz. Väiksema sagedusega protsesside jälgimiseks kasutatakse pikema järelhelendusega ekraane. Eriti pika järelhelendusega ostsilloskoobitorusid saab kasutada kiirete, kuid väikese kordussagedusega või korrapäratute järgnevustega nähtuste jälgimiseks. Mäluga ostsilloskoopide kasutusele tulek on aga nende vajadust järsult vähendanud.
Ostsilloskoobitoru ülemine sageduspiir on küllalt kõrge. Ta on määratud elektronide lennuajaga hälvitussüsteemis ja samuti parasiitmahtuvuste ja juhtmete induktiivsuse toimega. Kõrgetel sagedustel jõuab hälvituspinge juba muutuda selle aja vältel, mille kestel elektronid on hälvitussüsteemis. Praktiliselt avaldub kirjeldatud nähtus elektronkiiretoru tundlikkuse vähenemises kõrgematel sagedustel. Ülemine sageduspiir on tavalistel ostsilloskoobitorudel kuni 150 MHz ja eriti kõrgetele sagedustele konstrueeritud torudel kuni 1 GHz.
Valmistatakse ka mitme kiirega ostsilloskoobitorusid, mida saab kasutada mitme üheaegse protsessi jälgimiseks. Mitme kiirega ostsilloskoobitorus on ühisesse kesta paigutatud mitu elektronikahurit ja hälvitussüsteemi, kiired aga juhitakse ühisele ekraanile, kus näemegi üheaegselt jälgitavaid protsesse.