שפופרת קרן קתודית (התקן תצוגה)

שפופרת קרן קתודית או שק"ק (באנגלית: Cathode Ray Tube או בראשי תיבות CRT) היא טכנולוגיה לבניית צגים, הנקראת על שם ההתקן החשמלי עליו היא מתבססת. ממציאה היה קרל פרדיננד בראון, אשר בנה שק"ק לראשונה ב-1897. צגי CRT היו בשימוש נרחב בטלוויזיות, במחשבים, בתצוגות מכ"ם ובציוד מדידה כגון אוסצילוסקופים לאורך המאה ה-20. במהלך העשור הראשון של המאה ה-21 נכנסו לשימוש נרחב טכנולוגיות צגים אחרות כגון LCD ופלזמה אשר החליפו את צגי השק"ק ברוב היישומים. שפופרת הקרן הקתודית מבוססת על ניתוב אלומות אלקטרונים הנפלטות מהקתודה אל מסך המצופה בחומר זרחני. כדי לקבל תמונה גדולה, מחייבת טכנולוגיה זו מרחק רב יחסית בין מקור האלקטרונים (ה"תותח") לבין המרקע, ועל כן לא ניתן לבנות בעזרתה מסכים דקים. בצגים הראשונים שיוצרו, המסך עליו מוצגת התמונה היה מעוגל במקצת, משיקולים אופטיים, אך בדורות האחרונים של הטכנולוגיה (סוף המאה ה-20) נבנו גם צגים עם מסך שטוח לחלוטין ואיכות תמונה משופרת. הצגים הראשונים שנבנו היו מונוכרומטיים (חד-צבעיים – שחור-לבן, שחור-ירוק וכדומה). פעולתם של צגים אלה דומה לזו של צגים צבעוניים, כמוסבר להלן, אך פשוטה יותר. בתוך הצג יש שפופרת זכוכית אטומה הנתונה בריק. צורתה כמעין פירמידה שבסיסה המלבני הוא מסך התצוגה, ובקודקוד המוארך במקצת יש 3 תותחי אלקטרונים, כל אחד מיועד עבור ייצוג צבע אחר: אדום, ירוק וכחול (RGB). לדוגמה, כאשר משתמשים בעוצמת הקרן המקסימלית עבור כל שלושת הצבעים, מקבלים צבע לבן, וכאשר מכבים את כל שלוש הקרניים מתקבל צבע שחור. בתוך התותח ישנו מחולל אלקטרונים, שהוא חוט להט הפולט אלקטרונים אשר מואצים בעזרת מתח גבוה לכיוון המסך. כל אחד מתותחי האלקטרונים יורה קרן אלקטרונים לחלק הרחב של השפופרת וסלילי הטיה אלקטרומגנטיים משפיעים על כיוון הקרן ומכוונים את הקרן כך שתפגע במקום המיועד לה במסך. צג המסך מצופה בצדו הפנימי בחומרים זרחניים (אין קשר ליסוד זרחן). כאשר האלקטרונים פוגעים בציפוי הזרחני, הם גורמים לו להפיק אור (קרינה פלואורסצנטית). לכל אלמנט תמונה (פיקסל) בצג ישנן 3 נקודות פלואורסצנטיות, וכל אחת מהן יוצרת צבע אחר: אדום, ירוק או כחול. קרן האלקטרונים פוגעת במשטח בנקודה המתאימה לאותו הצבע בתוך הפיקסל שאמור להידלק. כל פיקסל שמופיע על המסך בצבע השונה מאדום, ירוק או כחול הוא בעצם שילוב של 3 התת-פיקסלים בצבעים הללו הנראים כנקודה אחת. כדי ליצור צבעים מגוונים משתמשים בעוצמות שונות של קרני האלקטרונים כדי לקבל עוצמות שונות של הצבעים; כאשר העוצמה של קרן האלקטרונים חזקה יותר, הציפוי הזרחני שבו היא פוגעת יאיר חזק יותר. אפשר להיווכח בצורת פעולה זו על ידי הסתכלות מקרוב באמצעות בתצוגה מוגדלת המגלה את הנקודות האדומות, הירוקות והכחולות (ראו תמונה). מעל לשכבת הזרחנית מונחת שכבה נוספת, העשויה רשת ממתכת דקה ומכונה "מסיכת צל". היא נועדה לוודא שכל קרן תפגע בדיוק בנקודה הדרושה לה - כך ש"קרן אדומה", למשל, לא תפגע בנקודה הירוקה, דבר שיגרום ל"מריחת צבעים". בשכבה זו יש חורים קטנים, המיושרים במקביל לנקודות של המסך. כך, גם אם הקרן סוטה מעט מיעדה, היא לא תפגע בנקודת צבע שונה, כי מסיכת הצל מסתירה אותה. בטלוויזיה וברוב צגי המחשבים מסוג שק"ק, התמונה נבנית על ידי סריקה מלבנית (raster scan) של המסך בעזרת הזזת קרני האלקטרונים לרוחב (ליצירת "שורה") ולאורך (כך שנוצרות שורות רבות). הסריקה נעשית בתדר גבוה מספיק כך שהעין האנושית לא מבחינה בה ומתקבלת תחושה של תמונה אחידה. בתצוגות שק"ק של מכשירים אחרים (כגון אוסצילוסקופים אנלוגיים ומכ"מ) הסריקה אינה מלבנית, ותלויה באותות בקרה השולטים בקרן האלקטרונים ליצירת התצוגה הרצויה. תצוגות מסוג זה הן לרוב מונוכרומטיות. בצגים מונוכרומטיים יש רק תותח אלקטרונים אחד, הציפוי הזרחני הוא אחיד, ואין מסיכת צל. כתוצאה מכך ניתן להגיע בהם לכושר הפרדה גבוה יותר מאשר בצגים צבעוניים מאותו גודל. צגי שק"ק יוצרים קרינה מסוגים שונים. בנוסף ליצירת אור נראה הנפלט מן המסך, שהיא תופעה רצויה, נוצרת קרינה בתחומים נוספים: מעגלי סריקת המסך עשויים לפלוט גלי רדיו (קרינה בלתי מייננת), וצגים ישנים היו מפריעים לפעולת מכשירי רדיו בעת פעולתם. בדורות האחרונים של הטכנולוגיה הוגברה ההקפדה על תאימות אלקטרומגנטית ופליטת גלי הרדיו ירדה לרמה זניחה. כמות קטנה מאוד של קרינה בתחום קרני הרנטגן (קרינה מייננת) נוצרת כתוצאה מפגיעת האלקטרונים במסך. קרינה זו מוגבלת בתקני בטיחות. פעולת צגי שק"ק יוצרת חום רב יחסית לטכנולוגיות חדישות יותר, וגורמת לפליטת קרינה בתחום התת-אדום. צג LCD צג פלזמה Marshall Brain, How Television Works - The Cathode Ray Tube, באתר HowStuffWorks, ‏26 בנובמבר 2006 (באנגלית)