CN101211738A - 一种crt显示设备及其阴极射线管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种CRT显示设备以及一种阴极射线管。所述CRT显示设备包括带有电子枪的阴极射线管，所述阴极射线管包括顺序设置的阴极、用于从该阴极引出电子和加速电子的电极、屏幕以及设置在所述阴极和屏幕之间的用于偏转电子束的偏转电路，所述偏转电路是电偏转电路和磁偏转电路的组合，所述电偏转电路包括至少一对电偏转板，所述磁偏转电路包括至少一对磁偏转线圈。本发明将电偏转电路应用到大体积的CRT显示设备中，让电偏转电路和磁偏转电路一起作为电子束的偏转电路，有效地增加了电子束的偏转角度，让CRT显示设备厚度更小、屏幕面积更大。

Description

一种CRT显示设备及其阴极射线管

技术领域

本发明涉及CRT(阴极射线管)图像扫描和图像显示技术，尤其涉及一种CRT显示设备及其使用的阴极射线管。

背景技术

一般的CRT显示设备如CRT示波器、CRT电视机和CRT电脑显示器，都有一个用于对电子束进行偏转的偏转电路。目前有两种偏转扫描电路，一种是电场偏转，简称电偏转，另一种是磁场偏转，简称磁偏转。

电偏转的原理就是在显示器之中安装一对或两对极板，然后在两个极板上加上电压，让极板之间产生电场，当电子束从电场之间穿过的时候，电子束就会受到电场作用而产生偏转，电偏转的原理如图1所示。

电偏转的优点是扫描线性好，扫描频率高，且扫描频率或偏转速率可以任意改变，缺点是偏转灵敏度低，需要很高的偏转电压。电偏转一般用于小型的CRT显示设备如CRT示波器。

磁偏转的原理就是在显示器的外边靠近脖子处安装一对或两对线圈，一般都称之为偏转线圈，然后让一个锯齿电流流过线圈，使两个线圈之间产生磁场。电子束穿过磁场之时受到磁场洛伦次力的作用而产生偏转，磁偏转的原理如图2所示。

磁偏转的特点正好与电偏转的特点相反，其优点是偏转灵敏度高，偏转电压低，缺点是扫描线性比较差，扫描频率低，且扫描频率或偏转速率不能任意改变。

在同样的偏转角度之下，电偏转比磁偏转需要更高的偏转电压。例如，对于偏转角度为90度的电视机，电偏转大约需要2000伏以上的偏转电压，采用普通示波器的水平扫描输出电路来实现这么高的电压输出是非常困难的；如果选用磁偏转，其中垂直偏转输出电压大约只需要24V，水平偏转输出电压大约只需要120V，工作电压相对较低。所以，大型的CRT显示设备如CRT电视机和CRT电脑显示器都选用偏转灵敏度比较高的磁偏转扫描电路。其中的偏转线圈一般都是做成喇叭口形状，并紧贴显像管的后壁玻璃，以防止图像显示出现暗角，其工作原理可以参看图2。

目前CRT显示设备如CRT电视、CRT电脑显示器正在不断地向超薄、大屏幕方向发展。很显然，电子束偏转的角度越大，显像管的厚度就可以越薄，CRT显示设备就能够越薄；同时，在厚度相同的情况之下，电子束偏转角度越大，CRT显示设备就能够使用更大的屏幕。但是，实践证明，CRT显像管电子束偏转的角度每增大30度，其偏转功率就要大约增大一倍。例如：CRT显像管电子束偏转角度由90度增大到120度，磁偏转功率将由40瓦增大到80瓦，如电子束偏转角度由120度增大到150度，磁偏转功率将由80瓦增大到160瓦。这意味着扫描电路器件以及偏转线圈的耐压参数都需要相应提高，但目前很难找到比普通CRT显示器常用的高压器件耐压更高的器件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的使用磁偏转电路的CRT显示设备无法满足所需要的偏转角度的缺陷，提供一种CRT显示设备和阴极射线管。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种CRT显示设备，包括带有电子枪的阴极射线管，所述阴极射线管包括顺序设置的阴极、用于从该阴极引出电子和加速电子的电极、屏幕以及设置在所述阴极和屏幕之间的用于偏转电子束的偏转电路，所述偏转电路是电偏转电路和磁偏转电路的组合，所述电偏转电路包括至少一对电偏转板，所述磁偏转电路包括至少一对磁偏转线圈。

在本发明所述的CRT显示设备中，所述电偏转板设置在所述磁偏转线圈与所述屏幕之间。

在本发明所述的CRT显示设备中，所述电偏转板设置在所述至少一对磁偏转线圈之间。

在本发明所述的CRT显示设备中，所述偏转电路对电子束的偏转角度等于所述电偏转电路、磁偏转电路对所述电子束的偏转角度的矢量和。

本发明还提供一种阴极射线管，包括顺序设置的阴极、用于从该阴极引出电子和加速电子的电极、屏幕以及设置在所述阴极和屏幕之间的用于偏转电子束的偏转电路，所述偏转电路是电偏转电路和磁偏转电路的组合，所述电偏转电路包括至少一对电偏转板，所述磁偏转电路包括至少一对磁偏转线圈。

在本发明所述的阴极射线管中，所述电偏转板设置在所述磁偏转线圈与所述屏幕之间。

在本发明所述的阴极射线管中，所述电偏转板设置在所述至少一对磁偏转线圈之间。

在本发明所述的阴极射线管中，所述偏转电路对电子束的偏转角度等于所述电偏转电路、磁偏转电路对所述电子束的偏转角度的矢量和。

实施本发明的，具有以下有益效果：本发明将电偏转电路应用到大体积的CRT显示设备中，让电偏转电路和磁偏转电路一起作为电子束的偏转电路，有效地增加了电子束的偏转角度，让CRT显示设备厚度更小、屏幕面积更大。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是CRT显示设备中电偏转电路的工作原理；

图2是CRT显示设备中磁偏转电路的工作示意图；

图3是在CRT显示设备中组合电偏转电路和磁偏转电路的工作示意图；

图4是在CRT显示设备中组合电偏转电路和磁偏转电路的工作示意图；

图5是阴极射线管中的电子枪的工作示意图。

具体实施方式

图1是CRT显示设备中电偏转电路的工作原理。如图所示，图中示出了正交的两对电偏转板3和4。电子束2从阴极1发出之后，在Y向电偏转板3之间的电场作用下发生Y向的偏转，在X向电偏转板4之间的电场作用下发生X向的偏转。电偏转的优点是扫描线性好，扫描频率高，且扫描频率或偏转速率可以任意改变，缺点是偏转灵敏度低，需要很高的偏转电压。电偏转一般用于小型的CRT显示设备如CRT示波器。

图2是CRT显示设备中磁偏转电路的工作示意图。磁偏转的原理是让一个电流流过偏转线圈5、6以产生磁场。电子束2从阴极1发出之后，受到磁场的作用而发生偏转。磁偏转的优点是偏转灵敏度高，偏转电压低，缺点是扫描线性比较差，扫描频率低，且扫描频率或偏转速率不能任意改变。电偏转一般用于大型的CRT显示设备如CRT电视机和CRT电脑显示器。

图3是在CRT显示设备中组合电偏转电路和磁偏转电路的工作示意图。通过有机地结合电偏转电路和磁偏转电路，能够充分利用电偏转和磁偏转的优点。图3中，通过偏转线圈5、6对电子束进行磁偏转，通过电偏转板7、8对电子束进行电偏转。由于这种电磁混合偏转CRT显示设备比普通CRT显示设备多了一级电偏转，因此，其扫描偏转角要比普通CRT显示器的扫描偏转角大。这种电磁混合偏转电路对电子束的偏转角度等于电偏转板7、8和磁偏转线圈5、6对所述电子束的偏转角度的矢量和。因为在三维空间中，角度是有方向性的，所以，需要通过矢量相加的方法计算总的偏转角度。例如，如果电子束单独受电偏转板7、8偏转后在三维空间的角度方向是ax+by+cz，单独受磁偏转线圈5、6偏转后在三维空间的角度方向是ex+fy+gz，那么，电子束受这种电磁混合偏转电路偏转后的角度方向是(a+e)x+(b+f)y+(c+g)z。

所以，通过采用这种混合电磁偏转电路，有可能将CRT显示设备做得更薄。另一方面，偏转角度越大，就有可能将屏幕做得越大，也容易地制造16：9这类的宽屏显示器。

图3中，电偏转板7、8设置在磁偏转线圈5、6之间。但是本发明不局限于这种情况。例如，可以将电偏转板7、8设置在磁偏转线圈5、6与屏幕之间，如图4所示。

图4是在CRT显示设备中组合电偏转电路和磁偏转电路的工作示意图。本说明书通过图4来进一步进行说明电磁混合扫描CRT显示器的工作原理及性能。图4中，l₀为不受任何偏转时的电子束轨迹，l₁为单独受偏转线圈5、6作用时电子束偏转的轨迹，l₂为单独受电偏转板7、8作用时电子束偏转的轨迹；偏转线圈5、6对电子束偏转的角度为

，电偏转板7、8对电子束偏转的角度为

。由于偏转线圈5、6和电偏转7、8对电子束的偏转方向相同，所以电子束偏转总角度就是

与之和。从图中还可以看到，如果没有电偏转板的作用，哪怕是偏转线圈能使扫描偏转角度达到

与

之和，电子束也无法扫描到显像管屏幕的边缘，因为，电子束2在达到最大偏转角时会打到显像管颈上；为了避免电子束2打到显像管颈，可以将偏转线圈做成开口角度很大的喇叭形状，但这样会降低磁扫描偏转灵敏度，以及容易产生扫描线性失真。

图5是阴极射线管中的电子枪的工作示意图。

一般CRT显像管都有一个叫电子枪的发射电子装置，它的作用是发射电子与对电子束进行聚焦。电子枪一般都由一个专门发射电子的阴极和多个电位不同的圆筒电极组成，圆筒电极的一端开有小孔，以限制不同方向的电子穿过，而另一端完全敞开。电子枪机械结构和电场分布相对来说非常复杂，由于不同电位圆筒电极之间前后不是一个平面，所以电场强度分布非常复杂，这种特殊的电场强度分布人们称之为电子透镜，会对电子束产生聚焦作用。

不同型号的显像管，其电子枪聚焦极的结构也有很大的区别，目前显像管电子枪聚焦极的结构大约有BPF、UPF、HI-BPF、HI-UPF、B-UPF、U-BPF、U-UPF、TPF，以及B-U、EA-UB、EA-DF等十多种，要想对每种电子枪中电子束的运动速度进行精确计算是很困难的。为了简化，本说明书将各种不同结构的电子枪简化成图5。

图5中，电子枪的阴极1发射电子，电子在控制栅极(也叫调制极)G1、帘栅极G2(也叫加速极)、聚焦极G3、高压阳极G4的作用下形成高速电子束2。一般而言，阴极1加有与图像内容相关的正电压，对电子束电流起调制作用；控制栅极G1接地，其电位为零；帘栅极G2加有500～600伏的正电压，对电子运动起加速作用；聚焦极G3也加有5000～10000伏的正电压，其对电子运动也起加速作用；高压阳极G4加有25000～30000伏的正电压，它对电子运动起主要加速作用。

从图5中可以看出，由于各电极K、G2、G3、G4都不是一个平面，因此，由阴极K到其它电极G2、G3、G4产生的电场力线方向也不是一条直线，而是由很多弧形曲线组成，因为电场力线方向总是要与带电物体的表面垂直，所以电子在经过这些电极G2、G3、G4时，是一边在按曲线跳动，一边在向前运动，并且很多电子在运动的时候还会互相碰撞，使电子束2的运动速度总是低于单个电子的运动速度。有些电子在运动过程中还要被电极俘获，形成I_G2、I_G3、I_G4电流，只有一部分速度比较高的电子能够成为射线电流，打到荧光屏上。图5中只是电子大致运动的几种简单情况，实际上电子运动的轨迹要比图5复杂得多，但基本原理是图5所示的原理是一致的。

由于电子束2偏转角度与加到电偏转板上电压U的数值有关，还与电子束2经过电偏转板的速度有关，因此，下面我们先来分析电子束2在CRT显示器中运动的速度。

如果知道了电子束2通过高压阳极G4的速度，就很容易求出CRT显像管的电偏转灵敏度，为此，首先分析单个电子运动速度。

根据电学知道，电子在均匀电场中要做匀加速运动，加速度可由

$a=\frac{F}{m}$ 和 $F=\mathrm{eE}=e\frac{U}{d}$ 求出：

即 $a=\frac{\mathrm{eU}}{\mathrm{md}}$ (等式1)

式中m为电子的质量，m＝0.91×10^-30千克，e为电子的电荷量，e＝1.60×10^-19库仑，d为产生电场强度的两带电体之间的距离，U为两带电体之间的电位差。

先假设从阴极K到加速极G4之间的电场分布为均匀电场，即：阴极K与加速极G4是两个互相平行的平面，

以电子从阴极K到加速极G4的瞬时速度计算为例，设电子离开阴极到达G4那一时刻的速度为v_G4，那么v_G24与时间t，以及电子运动距离S的关系为：

v_G4 ^＝at

$S=\frac{{\mathrm{at}}^2}{2}$ (等式2)

或 $t=\sqrt{\frac{2S}{a}}$ (等式3)

由此求得：

$v_{G4}=\mathrm{at}=\sqrt{2\mathrm{aS}}$

$=\sqrt{\frac{2\mathrm{eUS}}{\mathrm{md}}}$ (等式4)

由于电子是逆着电场的方向作直线运动，因此，电子运动的距离就是两带电极板之间的距离，即S＝d，由此(4)式又可以改写为：

$v_{G4}=\mathrm{at}=\sqrt{\frac{2\mathrm{eU}}{m}}$ (等式5)

由等式5式可知，电子运动的末速度只与该点的电压(电位差)有关，而与距离无关，这是因为，加速度与电场强度成正比，而电场强度又与距离成反比的缘故。

一般CRT显像管的阳极电压最高为30000伏，

已知e＝1.60×10^-19库仑，m＝0.91×10^-30千克，U＝30000伏，由等式5可以求得：

$v_{G4}=\sqrt{\frac{2\mathrm{eU}}{m}}=\sqrt{\frac{2\×1.6\×{10}^{-19}\×30000}{0.91\×{10}^{-30}}}$

$=\sqrt{105.4945055\×{10}^{14}}$

(等式6)

等式6式是CRT显像管电子束可能达到的最高速度，实际上电子束要达到这个速度是不可能的。一方面这个速度已超过光速的三分之一，根据爱因斯坦的相对论：

$m_v=\frac{m_0}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$ (等式7)

式中m_v为电子的运动质量，m₀为电子的静止质量，光速c＝30×10⁷(米/秒)。

把v_G4＝10.27×10⁷(米/秒)代入等式7式可以求得：

m_v＝1.064m₀                  (等式8)

另一方面，电子束2与单个电子的运动速度是不相同的，电子束会产生空间电荷效应，即电子束中的电子会互相产生排斥，运动时不同速度的电子之间还会互相产生碰撞，并且这种碰撞并不是电子直接接触，而是通过电子在其周围产生的电场相互发生作用，运动速度高的电子会对运动速度低的电子产生加速作用，使能量相互转移，最后的结果是大多数电子的速度基本趋于一致。

特别是电子束经过聚焦电极的时候，由于聚焦电极的电场强度分布是不均匀的，电子束2经过不均匀电场强度分布的时候，其运动力向和速度都会被改变。当电子从阴极1出发，由不同方向进入聚焦极的时候，不同方向的电子会被不同强度和不同方向的电力线改变其运动方向，使电子最后集中到达一个目标点上，如图5所示。

由此可知，电子运动的轨迹并不完全是一条直线，而是一条不断被折射的曲线，电子每被折射一次，其径向速度就要乘上一个方向系数COSθ，θ为入射角，因此电子束的运动速度总是慢于单个电子运动的速度。

要精确计算电子束的速度，一方面要知道电场强度的精确分布，同时还要知道电子互相碰撞的概率，以及电子的入射方向，然后才能根据等式4和等式7式逐点进行计算，即等式4中的变量要换成微分变量来分析。不过，因为理论分析与实际应用一般会有些不同，所以要通过实验来验证理论分析的结果。

在实践中，通过比较计算结果与实际测试结果，发现电子束在显像管中的实际运动速度远小于用等式4计算得出的速度。大约只有计算结果的三分之一左右。

如果我们把v_G4的速度选取等式6结果的三分之一，大约为3.4×10⁷(米/秒)，即：电子束水平运动的速度为：

v₀＝3.4×10⁷(米/秒)             (等式9)

知道了电子束2水平运动的速度v₀，然后再求出电子在离开电场那一时刻在垂直方向的分速度v_⊥，就可以求出电偏转板对电子束偏转角度

。v_⊥和

可按下面方法求得：

v_⊥的计算方法与v₀的计算方法基本相同，当电子从电偏转板之间的经过时，由于电子在水平方向做匀速运动，所以通过极板需要的时间t，可以由极板的长度l和电子进入极板时的速度v₀求出：

$t=\frac{l}{v_0}$ (等式10)

当电子从电偏转板之间的经过时，电子在垂直方向做初速度为零的匀加速运动。加速度可由

$a=\frac{F}{m}$ 和 $F=\mathrm{eE}=e\frac{U}{d}$ 求出：

$a=\frac{\mathrm{eU}}{\mathrm{md}}$ (等式11)

等式11与等式1式形式完全一样，只是d表示电偏转板之间的距离，U表示电偏转板之间的电压。

电子离开电场那一时刻在垂直方向的分速度v_⊥＝at，由等式10和等式11式可求得：

$v_{\⊥}=\frac{\mathrm{eUl}}{\mathrm{md}{v}_0}$ (等式12)

知道了v_⊥和v₀，就可以由

(等式13)

这里特别指出，由于CRT显像管电子枪的结构和电偏转板的结构非常复杂，不能简单地套用等式4和等式12式来计算v₀和v_⊥。根据图3，实际等式12中电偏转板的距离d并不是一个常量，而是水平距离的函数，因此，如果需要进行比较精确计算的时候最好采用微分统计的方法来进行计算。实际应用中，CRT显像管的电偏转板可以直接在显像管内部的玻璃表面涂上导电材料来生成，因此，电偏转CRT显像管的结构与普通电偏转示波管的结构是不同的。

通过计算和比较试验，对于29寸的CRT显像管，加于电偏转板上的电压，每1000V大约偏转角度为15°～30°，偏转灵敏度除了与偏转电压有关以外，还与电偏转板的结构有关，以及与阳极高压有关。

本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种CRT显示设备，包括带有电子枪的阴极射线管，所述阴极射线管包括顺序设置的阴极、用于从该阴极引出电子和加速电子的电极、屏幕以及设置在所述阴极和屏幕之间的用于偏转电子束的偏转电路，其特征在于，所述偏转电路是电偏转电路和磁偏转电路的组合，所述电偏转电路包括至少一对电偏转板，所述磁偏转电路包括至少一对磁偏转线圈。

2.根据权利要求1所述的CRT显示设备，其特征在于，所述电偏转板设置在所述磁偏转线圈与所述屏幕之间。

3.根据权利要求1所述的CRT显示设备，其特征在于，所述电偏转板设置在所述至少一对磁偏转线圈之间。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的CRT显示设备，其特征在于，所述偏转电路对电子束的偏转角度等于所述电偏转电路、磁偏转电路对所述电子束的偏转角度的矢量和。

5.一种阴极射线管，包括顺序设置的阴极、用于从该阴极引出电子和加速电子的电极、屏幕以及设置在所述阴极和屏幕之间的用于偏转电子束的偏转电路，其特征在于，所述偏转电路是电偏转电路和磁偏转电路的组合，所述电偏转电路包括至少一对电偏转板，所述磁偏转电路包括至少一对磁偏转线圈。

6.根据权利要求5所述的阴极射线管，其特征在于，所述电偏转板设置在所述磁偏转线圈与所述屏幕之间。

7.根据权利要求5所述的阴极射线管，其特征在于，所述电偏转板设置在所述至少一对磁偏转线圈之间。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的阴极射线管，其特征在于，所述偏转电路对电子束的偏转角度等于所述电偏转电路、磁偏转电路对所述电子束的偏转角度的矢量和。

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