Die Kathodenstrahlröhre (, abgekürzt CRT, auch Braun’sche Röhre) ist eine Elektronenröhre, die einen gebündelten Elektronenstrahl erzeugt. Dieser kann mittels magnetischer oder elektrischer Felder abgelenkt bzw. moduliert werden, so dass ein sichtbares Bild erzeugt wird, wenn der Elektronenstrahl beim Auftreffen auf eine an der Innenseite der Röhre angebrachte Leuchtstoff-Schicht trifft. Andere Elektronenröhren, in denen auch ein abgelenkter Elektronenstrahl verwendet wird, sind zum Beispiel das Elektronenmikroskop oder das Betatron.
Die bekannteste Anwendung war die Bildröhre in Fernsehgeräten, bei denen sie aber inzwischen durch Flachbildschirm-Technologien abgelöst worden ist.
miniatur|9″-Schwarz-Weiß-Bildröhre mit zugehöriger Ablenkeinheit aus einem Kassenmonitor miniatur|Kathodenstrahlröhre (Schema der magnetischen Ablenkung)
Geschichte mini|Braun’sche Röhre, 1897
Die Kathodenstrahlröhre mit Ablenkung des Strahls in Horizontal- und Vertikalrichtung wurde 1897 von Ferdinand Braun entwickelt, weshalb sie auch Braunsche Röhre genannt wird. Anfangs war nicht bekannt, dass die von der Kathode ausgehende Strahlung aus Elektronen besteht, daher verwendete man dafür die Bezeichnung Kathodenstrahlen.
Max Dieckmann schlug bereits 1906 die Verwendung von Kathodenstrahlröhren für das Fernsehen vor, Braun tat diese Idee als „Unsinn wie das Perpetuum mobile“ ab. Das hinderte Dieckmann nicht daran, in einer Versuchsanordnung mittels Nipkow-Scheibe mechanisch abgetastete Metallvorlagen als Schattenbilder auf der Bildröhre darzustellen.
Kenjiro Takayanagi baute im Jahre 1926 den ersten Schwarzweiß-Fernseher mit Bildröhre (zuvor gab es bereits Fernseher mit mechanischer Bildzerlegung, siehe auch Mechanisches Fernsehen). Er übertrug zuerst ein japanisches Schriftzeichen mit Hilfe einer Braunschen Röhre. Später gelang ihm die erste elektronische Übertragung eines menschlichen Gesichts. Daher gilt er als Vater des japanischen Fernsehens.
Manfred von Ardenne erwarb sich große Verdienste bei der Weiterentwicklung der Braunschen Röhre zum Fernsehgerät, der Rasterelektronenmikroskope und von starken Elektronenstrahlquellen für industrielle Anwendungen.
Aufbau miniatur|Externe Magnetfelder beeinflussen Ablenkung und Farbdarstellung einer Dreifarben-Kathodenstrahlröhre
Die Kathodenstrahlröhre besteht aus einem geschlossenen, evakuierten Glaskolben mit einer Glühkathode, dem vor der Kathode sitzenden Wehneltzylinder, mehreren Fokussierelektroden und einer Anode. Der luftleere Glaskolben steht unter dem nicht unerheblichen Luftdruck von ca. 1 bar, was anschaulich einer Belastung von einem Kilogramm pro Quadratzentimeter des Kolbens entspricht. Je größer der Kolben der Röhre ist, desto stabiler muss er gebaut sein, was durch eine entsprechend dickere Glaskolbenwandung erreicht wird.
Der Wehneltzylinder dient zur Helligkeitssteuerung, soll aber auch verhindern, dass der Elektronenstrahl gleich nach seiner Erzeugung divergiert (auseinander läuft). Er umgibt die Kathode wie ein Topf und hat in seinem Boden, zum Bildschirm hin, ein kleines Loch, durch das der Strahl austreten kann.
In Kathodenstrahlröhren ist die Anode oft geteilt. Sie besteht aus: einer Vorbeschleunigungselektrode in Form eines Zylinders, dessen parallele Ebenen in der Strahlenbahn liegen, bei Bild- und Oszilloskopröhren zusätzlich aus einer elektrisch leitenden Beschichtung (Aquadag) des Glaskolbens im inwandigen, konischen Teil des Kolbens sowie einem Schirm am anderen Ende des Kolbens. Dieser besteht aus Mineralien, die bei Elektronenbeschuss entweder sichtbares Licht aussenden oder in Sonderfällen auch von außen auftreffendes Licht stärker absorbieren.
Der bei Bildröhren aluminiumhinterlegte Leuchtschirm, sowie (bei Farbbildröhren) die Loch- bzw. Schlitzmaske liegen ebenfalls auf Anodenpotential. Die Aluminiumschicht erhöht zum einen die erreichbare Helligkeit (nach innen fallendes Licht der Leuchtschicht wird reflektiert), zum anderen den erreichbaren Kontrast (dunkle Stellen werden nicht mehr durch Streulicht im Kolben aufgehellt). Außerdem verhindert sie die Bildung des Ionenflecks.
Außen ist der Glaskolben je nach Röhrentyp am konischen Teil häufig mit einer dünnen, geerdeten Graphitschicht überzogen, um den Rest des Gerätes vor Ladungsausgleichsvorgängen (vgl. Faradayscher Käfig) zu schützen. Diese äußere Schicht bildet zusammen mit der inneren Anodenbeschichtung einen Kondensator zur Glättung der Anodenspannung. Es gibt auch Röhrenmodelle, bei denen der Konus selbst aus Metall besteht und seinerseits auf Anodenpotential liegt. Diese Konstruktion konnte sich aber wegen der schwierig zu beherrschenden, dauerhaften Abdichtung des Vakuums zwischen Metallkonus und Glasbildschirm sowie aus Isolationsgründen nicht durchsetzen.
Strahlerzeugung miniatur|Ansicht eines Bildröhrenhalses mit schräg eingebautem System
Wird zwischen der geheizten Kathode und der Anode eine hohe elektrische Spannung angelegt, so werden die aus der Kathode ausgetretenen Elektronen durch ein entstehendes elektrisches Feld beschleunigt und durchfliegen das Beschleunigungsfeld bis zum Bildschirm, auf dem sie durch Fluoreszenz Licht erzeugen.
Die Geschwindigkeit der auftreffenden Elektronen lässt sich wie folgt berechnen:
Die aufgenommene elektrische Energie beim Durchlaufen der Spannung ist:
Die gesamte aufgenommene elektrische Energie wird in kinetische Energie umgewandelt:
Durch Gleichsetzen mit der relativistischen Formel für kinetische Energie
und Umstellen nach ergibt sich folgende Formel:
entspricht bei Elektronen der Elementarladung ist der Betrag der elektrischen Spannung, die im elektrischen Feld vorherrscht entspricht der Masse der Elektronen ist die Lichtgeschwindigkeit
Im nebenstehenden Bild ist das Strahlsystem einer veralteten Fernsehbildröhre mit Ionenfalle zu sehen. Die bis zur Rotglut geheizte Kathode ist nicht zu sehen. Ganz rechts sind der Wehneltzylinder sowie die Vorbeschleunigungselektrode zu erkennen. Danach folgt links die Anode, in deren Verlauf das Strahlsystem axial zum Röhrenhals abknickt. Der Grund für diese Konstruktion ist die Separierung der ebenfalls beschleunigten Restgas-Ionen vom eigentlichen Elektronenstrahl, die ansonsten einen Ionenfleck (durch Ionenbombardement zerstörte Leuchtstoffschicht) hervorriefen. Spätere Röhren konnten darauf verzichten, da die aluminiumhinterlegten Bildschirme weniger empfindlich waren.
Die notwendige Anodenspannung für eine ausreichende Anregung des Leuchtstoffes beträgt bei Oszilloskop-Röhren zwischen 500 und 8.000 Volt (vereinzelt bis 24.000 V), bei Schwarz-Weiß-Fernsehbildschirmen zwischen 14.000 und 18.000 Volt, bei Farb-Fernsehbildschirmen 25.000 bis 35.000 Volt, bei Spezialröhren zur nachträglichen optischen Vergrößerung des Bildes mittels optischer Linsen (Projektionsverfahren) bis 50.000 Volt, bei Elektronenstrahlen zur Materialbearbeitung und in Röntgenröhren oft über 100.000 Volt.
Es fließen Ströme im Bereich unter 1 mA pro Kathode, sodass die Gesamtleistungsaufnahme einer Bildröhre einige Dutzend Watt erreichen kann. Ein einfacher Versuch zeigt, dass das Darstellen eines sehr hellen Flecks das Glas (vom Betrachter gesehen) vor der Leuchtschicht nach einigen Minuten leicht erwärmt, während dunkle Stellen vergleichsweise kühl bleiben.
Zur Begrenzung der Intensität und der Quantenenergie der schädlichen Röntgenbremsstrahlung wurden für Schwarzweiß- und Farbfernsehröhren die Beschleunigungsspannung per technischer Norm limitiert. Geräte wurden im Verkauf mit ihrer niedrigen Beschleunigungsspannung, etwa per Aufkleber, beworben, die Beschleunigungsspannung wurde vorschriftsgemäß an der Gehäuserückwand vermerkt. Die Röhrenfrontscheibe ist aus Bleiglas, um die Röntgenstrahlung zu absorbieren, die beim Auftreffen der beschleunigten Elektronen auf den Bildschirm entsteht.
Strahlfokussierung Damit auf der Leuchtschicht ein scharf begrenzter Fleck entsteht, ist es notwendig, den Strahl in seinem Verlauf zu fokussieren.
Dazu ist in elektrostatisch fokussierten Röhren der Anodenzylinder auf einer Länge von wenigen Zentimetern unterbrochen. An dieser Stelle ist, elektrisch isoliert, ein weiterer Zylinder größeren Durchmessers angebracht. An diesen Zylinder wird die Fokussierspannung angelegt. Siehe dazu auch Elektronenoptik.
In früheren Fernsehbildröhren, in Wanderfeldröhren und in Elektronenmikroskopen erfolgte die Strahlfokussierung auch durch zum Strahlverlauf axiale Magnetfelder.
Strahlablenkung miniatur|Ablenksystem einer Fernseh-Bildröhre von innen, Blick in Richtung Kathode; zu sehen sind nur die Horizontalablenkspulen
Durch Ablenkfelder (elektrische Felder bei Oszilloskopen oder magnetische Felder bei Fernseh- und Computerbildschirmen) kann der Elektronenstrahl auf jeden beliebigen Punkt des Leuchtschirmes gerichtet werden. Die Ablenkfelder werden dabei durch elektrische Spannungen an horizontalen und vertikalen Ablenkplatten oder durch elektrische Ströme in den orthogonal angeordneten Ablenkspulen erzeugt.
In Bildröhren für Fernseher und Computerbildschirme werden magnetische Ablenksysteme verwendet, da mit ihnen ein größerer Ablenkwinkel des Strahles realisierbar und somit eine kürzere Bauweise der gesamten Röhre möglich ist.
Demgegenüber verwenden Oszilloskopröhren die elektrostatische Ablenkung, weil damit ein über weite Frequenzbereiche (bis zu mehreren GHz Bandbreite, typisch einige hundert MHz Bandbreite) konstanter Zusammenhang zwischen Ablenkspannung und Ablenkwinkel besteht. Der Ablenkwinkel und die Anodenspannung sind vergleichsweise klein, weshalb keine allzu großen Ablenkspannungen benötigt werden, im Gegenzug sind die Röhren jedoch sehr lang (bis zu 60 cm) für eine eher kleine Diagonale (typisch etwa 13 cm). Durch die große Länge sind diese Röhren auch mechanisch empfindlicher als kurze Röhren mit magnetischer Ablenkung.
Ein Problem bei Bildröhren sind Abbildungsfehler, die korrigiert werden müssen. Dazu zählen u. a.: Kissenverzerrungen, Schwankungen der Bildschärfe je nach Position des Leuchtflecks.
Beide Fehler haben ihren Ursprung in der Tatsache, dass der Leuchtschirm aus Gründen der besseren Betrachtung nicht in dem Maße gekrümmt ist, wie das für einen gleichbleibenden Abstand des Fokuspunktes von der Kathode nötig wäre.
Für die entstehende Bahn, die die Elektronen beschreiben, ergibt sich über den Ansatz, dass die Elektronen eine konstante Geschwindigkeit in ihrer Ausgangsrichtung haben und dass die Elektronen in orthogonaler Richtung über E-Felder abgelenkt (beschleunigt) werden über das Zusammenfügen der Formeln (gleichförmige Bewegung) und , sowie und folgende Funktion für die Bahnkurve:
Strahlmodulation Zusätzlich zur Ablenkung des Strahles über den Leuchtschirm kann die Helligkeit des Leuchteindrucks geändert werden, indem der Wehneltzylinder eine mehr oder weniger große, gegenüber der Kathode negative Spannung erhält. Ändert sich diese Spannung mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, während der Strahl kontinuierlich abgelenkt wird, so erhält man eine entsprechend der angelegten Spannung helligkeitsmodulierte Leuchtspur. Diese Funktion ist mithin eine der wichtigsten für die übliche Darstellung von Fernsehbildern mittels eines Rasters.
Während des Zeilen- und Bildrücklaufs (der Sprung auf die Ausgangspositionen) muss der Elektronenstrahl „dunkel“ gesteuert werden.
Die Modulation erfordert zur Bilddarstellung eine sehr hohe Bandbreite der Ansteuerspannung von null bis zu mehreren Megahertz. Sie wird von den Video-Endstufen bereitgestellt. Die Amplitude beträgt bei Bildröhren bis zu 300 Volt.
Farbbildröhren miniatur|„Elektronenkanone“, ausgebaut aus einem Farbfernseher; links: Seitenansicht, deutlich zu erkennen die Vakuumdurchführung; rechts: Frontansicht, man sieht deutlich die Austrittslöcher der drei Elektronenstrahlen, die die drei Farben ansteuern