阴极射线显示是基于阴极射线发光技术来显示成像的技术。阴极射线发光是指发光体在加速电子的轰击下激发发光。典型的器件有显像管（CRT），其中的电子枪的在加速场作用下产生高速电子束，轰击屏幕上的荧光粉而发光。

发光机理(复合发光 分立发光)

显像管CRT

黑白显像管(电子枪 偏转系统 荧光屏)

彩色显像管

发光机理

阴极射线发光主要包括光致发光中的分立发光和阴极射线发光中的复合发光。

复合发光

典型的阴极射线显示发光物质为晶态发光体，这是一类含有杂质和其他缺陷的离子型晶体。晶态发光体的发光机理为复合发光，其特点是：能量吸收在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上产生，即发光过程的整个晶体内完成。由于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂移或扩散，从而常常产生特征性光电导现象，因而这类发光一般又称为光电导型发光。相对而言这类发光余辉较长，俗称磷光。电视机或监视器就是这类发光。

它由晶体基质所决定的价带和导带、制备发光体掺入的激活剂离子所产生的局部能级G（一般为基态能级）以及晶体结构缺陷或加入的协同激活剂而产生的局部能级T（一般为电子陷阱能级）等几部分组成。其发光的微观过程包括：

（1）吸收激发能电离过程

晶体吸收外界激发能，引起基质价带电子和激活剂G能级上的电子（远少于基质电子）激发、电离而到达导带，从而在价带中引入空穴，导带中引入电子。

（2）电子和空穴的中介运动过程

电离产生的电子和空穴分别在导带和价带中扩散。空穴扩散到价带顶附近后被激活激活剂离子G能级俘获。电子扩散到导带底附近时，有时不经过亚稳态，直接落入激活剂离子G能级相应的激发态A（a过程）；有的被浅层亚稳态的陷阱能级T俘获，之后借助热运动回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（b过程）；有的被深层陷阱能级T俘获，之后在外界能量激发下回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（c过程）。

（3）电子空穴对复合发光过程

激活剂离子A能级上的电子与G能级上的空穴复合并向外辐射光子。上述a过程中的电子在导带中停留时间少于0.1ns即复合发光，因为称为短时复合发光；而b,c过程的电子由于存在T能级俘获过程，因而复合发光滞后于电子受激发跃迁，存在余辉时间，称为长时复合发光。

硫化物型发光体是这类发光体的典型代表。发光过程中，除了基质ZnA本身提供的导带和价带外，不仅需要激活剂提供能级G，还需要协间激活剂提供陷阱能级T。通常基质的常数大大超过激活剂和协同激活剂的数量，所以其发光特性主要决定于基质劲歌母体本身。激活剂和协同激活剂主要是通过其化学价间接起作用而非元素本身直接起作用，作用结果使晶格受到恰当微扰，但没有他们，ZnS不能正常发光。

分立发光

分立发光是另一类重要的发光机制，其特点是能量吸收和辐射均发生在晶体单分子中的激活剂附近，即发光中心上，因而成为短时非光电导型发光，俗称荧光。日光灯发光就属于这类发光。

分立发光机理常用位形坐标模型来解释，如图。由于原子的势能场对电子的作用与位置有关，因而晶格处子振动状态电子的能态随原子位置变化而变化。位形坐标就是用来描述激活剂原子空间位置变化时电子能态的变化情况的。

当一束高能（>1keV）粒子打到某一固体上时，小部分（约10%）被反向散射，剩余部分穿透到固体中并在其中失去能量，使图中处于基态1位置A处的电子吸收外界高能量子而跃迁到微发态2上位置A`处。由于电子在A`处不稳定，因而必然经由状态B`下降到激发态能量最低点G`。当电子从激发态G`跃迁到基态G点时，便发生发光现象。其发射光子的能量总小于吸收的能量，这种能量损失成为斯托克斯损失。当外部激发量子为光子时，这种损失就体现为发射光谱的峰值相对吸收光谱峰值向长波方向移动的现象，称斯托克斯位移。

事实上，在电子进行这一系列运动时，由于原子质量远大于电子质量，因而原子平衡位置的运动速度不能得到及时调整，结果原子仅能在平衡位置附近发生微小振动。这种劲歌振动对活化剂离子能级产生影响，似的吸收不是发生在一点，而是发生在一个能带上，也就是说一个吸收带，同样发射光谱也是一个能带。这必然造成晶态发光体的发生光谱具有一定的带宽，并且光谱分布通常是钟形的。

荧光灯就是斯托克斯位移的一个重要应用。在荧光灯中，通过由氩气和水银蒸发组成的混合气体放电，发出浅蓝色的光和具有大能量的紫外线。如果在荧光灯的管壁上涂上适当的发光材料，就可发生斯托克斯位移，把紫外线变为可见光，从而大大增加荧光灯发光效率。

显像管CRT

阴极射线管的发展可追溯到1897年的布朗的示波管，1938年德国人W.Fleching提出彩色显像管专利，1950年美国的RCA公司研制出三束三枪荫罩式彩色显像管，1953年实用化。20世纪60年代，玻壳由圆形发展为圆角矩阵管，尺寸由21英寸进展到25英寸，偏转角由70°增大到90°，荧光粉由发光效率较低的磷酸盐型发展到硫化物蓝绿荧光粉和稀土类红色荧光粉；709年代以后，彩色显像管进行了一系列改进，显示屏由平面直角前进到超平、纯平，尺寸发展到主流29英寸以上，偏转角由90°增大到110°，横纵比不断增大，采用自会聚管以提高显示分辨路。并且正向高分辨率彩电方向发展。这些方面取得了突破性进展，研制成功了超薄、纯平彩电。

黑白显像管

黑白显像管是通过电光转换重现电视图像的一种窄束强流电子束管，其基本工作原理是：电子枪发射出的电子束被加在电子枪栅极还或阴极上的视频电信号所调制后，经过加速、聚焦、扫描、复合发光等一系列过程最终变成荧光屏上按空间分布的、亮度随电信号强弱面变化的相应光信号，从而得到与原被摄景物几何相似、明暗对应的合适人眼视觉特性要求的光学图像。

黑白显像管的基本结构包括电子枪、偏转系统、荧光屏和玻壳。

电子枪

电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的发射、调制、加速、聚焦均由电子枪来承担。显示管用电子枪属于弱流电子枪，由圆筒、圆帽和原片等旋转对称的金属电极同轴排列、装配和固定而成。一般分双电位电子枪（BPF）和单电位电子枪（UPF）。BPF枪中电子束在主聚焦透镜出入口处电位不同，UPF枪则主透镜出入口处电位相同。UPF电子枪比BPF电子枪多一个高压阳极，大幅度增强了聚焦能力，使得显像管具有了自聚焦能力，保证了显像管聚焦特性的稳定和提高，因为被广泛采用。以下是分析UPF电子枪的结构和工作原理。

电子枪的第一个作用是发射并加速电子。显像管一般采用氧化物阴极，在基体金属上涂敷一层以氧化钡为主体的氧化物，当灯丝加热使阴极表面温度达到800摄氏度左右，开始发射电子。电子枪的电子发射系统主要由阴极、控制极、加速极组成，加速极电压一般在700V左右，当阴极-控制极电压低于截止电压时，阴极表面中心部位出现电子加速场，达到一定温度的阴极就能发射出电子束，电子束经G2加速，形成高速电子束流。

电子枪的第二个作用是用视频信号调制电子束流。电子束流由阴极和控制极的电位控制。发射电子束流的强度Ic表示为Ic=ke（ug-Eg）。目前显像管一般采用阴极调制的方式，也就是控制极接地，将视频信号加到阴极上，此时阴极电压越向负极变化，电子束流就越大，所以称负极性调制。这种调制方式对电子束的控制较强，调制灵敏度较高。

电子枪的第三个作用是利用电子透镜汇聚电子束，并在荧光面上将电子束聚成小点。高速电子束流经G2和G3构成的预聚焦透镜被压缩变细，再静G3、G4、G5构成的聚焦透镜进一步聚焦，在荧光粉面上产生足够小的光电。

偏转系统

如果不加偏转电压，则经过上述加速、聚焦的具有很高功能的电子束轰击荧光面时，仅能在荧光屏中心位置产生亮度很高的光点，难以成像；为了显示一幅图像，必须让电子束在水平方向和垂直方向上同时偏转，使整个荧光屏上的任何一点都能发光而形成光栅，这就是偏转系统的作用。

电子束的偏转方式分压偏转和磁偏转两类。由于磁偏转像差小，适用于大角度偏转，并且在高阳极电压下偏转灵敏度的变化比电偏转小，所以显像管通常采用磁偏转。磁偏转系统由两组套在管颈外面的相互垂直的偏转线圈组成，常为S/T型结构，即：垂直偏转线圈绕在磁环上为环形，水平偏转线圈为空心鞍型；水平线圈放在垂直线圈里面，且紧贴管颈，偏转线圈细管颈、大偏转角结构可使显像管长度减小，从而大大减小体积。

一般情况下，在水平偏转线圈上输入行频为15625Hz的锯齿波电流，在垂直偏转线圈上输入场频为50HZ的锯齿波电流。当电流通过线圈时，产生偏转磁场，使电子束偏转，如图。改变电流的大小和方向，磁场的强弱和方向也随之改变，电子束于是随之上下左右偏移。假设偏转磁场只均匀存在于管轴方向上长度为L的区域，其外磁场为零。于是垂直磁场入射的电子束在磁场内作圆周运动，离开磁场后沿圆周切线射向荧光屏面，电子束直线部分的方向延长线与z轴的交点C为电子束的偏转中心，θ为电子束偏转角，D为电子束着屏点偏移量。

荧光屏

荧光屏是实现显像管电光转换的关键部位之一，要求发光亮度和发光效率足够高，发光光谱适合人眼观察，图像分辨率高、传递效果好，余辉时间适当，机械、化学、热稳定性好，寿命高。

荧光屏由涂覆在玻壳内表面的荧光粉层和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成。

显像管的发光性能首先取决于所用的荧光粉材料。黑白显像管的荧光粉称白场粉，一般用两种荧光粉混合制成，或直接采用单一白色粉。制作方法一般采用沉积法：把洗净烘干的玻屏放在涂胶机上，玻屏的倾角和转速都可由涂胶机控制。向玻屏中心注入加油醋酸钡等电解质的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂胶机使其均匀涂布于玻璃基板上，经烘干后即形成牢固的荧光粉层。

在荧光粉层表面蒸度一层0.1-0.5μm的铝膜，并使之与电子枪的阳极相连，可以提高图像显示性能，所得荧光屏称为金属化荧光屏。这种荧光屏具有三大优点，一是铝膜与电子枪的阳极相连，可以防止介电性的荧光粉负电荷积累导致的荧光面电位下降；二是铝膜可将荧光粉所发向管内的光纤反射到观察者一侧，从而增高荧光屏亮度、改善对比度；三是铝层能有效阻挡管内负离子对荧光粉的轰击，防止荧光屏出现离子斑。

另外，荧光屏发光亮度还和阳极高压有关，当阳极高压大于熄点电压后，荧光屏发光亮度随阳极高压增加而呈指数增大，所以提高阳极电压是提高亮度的有效方法之一。

彩色显像管

彩色显像管（后简称彩管）是彩色电视机中利用三基色混色原理来实现彩色图像显示的电子束管。根据彩色图像重现方法的不同，可分为矩形式彩管和穿透式彩管。

穿透式彩管结构简单，具有较高的分辨率，管内无荫罩或栅网使其耐受振动和冲击的性能良好，另外对杂散磁场抗干扰性能强，因而适用于图像显示、航空管理系统、飞机和舰船上的显示和雷达装置，但显示颜色太少，发光亮度因受阻挡层影响而不太高，外电路复杂，功耗大，因而没能实现商品化，在市场上没有留下什么痕迹。

矩形式彩色显像管根据选色机构的不同可分成荫罩式、聚焦荫罩式、束指引式等各种类型，其三基色组在荧光屏上矩阵状排列，每个色组含三基色荧光粉点，被各自电子枪激发，发光点直径很小、且彼此靠的很近，所以，当离开一定距离观看时，利用人眼的空间混色特性就只能看到它们的混合色。穿透式彩管的荧光屏分三色层，每层均匀涂敷一种基色，三个电子束分别以不同的速度穿透不同的粉层厚度去激励相应的荧光粉层发光，于是，根据人眼的时间混色特性，荧光屏上的一点就可以得到混色后的色彩，从而实现了才色图像显示。

荫罩式彩管主要由电子枪、偏转系统、三色组荧光屏以及荫罩四部分组成。荫罩是彩管中特有的极为重要的组件，是显像管的选色机构，当显像管工作时，荫罩限制电子束着屏方向和着屏束经，以保证电子束只能打中荧光屏面上规定的基色粉点，即保证电子束正确选色，同时制管过程中荫罩还起涂屏曝光的投影模板彩管管壳采用全玻璃结构，由玻屏、玻锥和管颈几部分组成。由于彩管内阳极电压很高，达20000V以上，因而电子束轰击会产生软X射线，于是在玻璃配方中掺入重金属，以加大对软X射线的吸收。根据荫罩管四个组成部分的不同组合方式，可分为品字形三枪三束荫罩式彩管、单枪三束栅网荫罩彩管和自会聚式彩管。目前彩色电视机采用最多的是自会聚管。

三枪三束荫罩管中，红绿蓝三基色点呈品字形均匀交替排列的整个荧光屏上，如图，每个色点很小，只有几微米到十几微米，数目达100万颗以上，分别被各自电子枪激发发光。发光点排列很近，于是根据空间混色原理，可以得到各种所需颜色。这种彩管的电子枪由三个在管颈内呈品字形排列，相隔120度、与管颈中轴线倾斜1°-1.5°的小电子枪组成，如图，其作用是发射三基色电信号控制的电子束并保证它们能同时通过荫罩上同一小孔，并分别打在各自荧光粉点上荫罩板上打有十万个小孔（如图中（b）所示），保证每个电子束在整个扫描过程中都能打到自己的基色粉点上。。为了得到鲜艳清晰的彩色图像，这类彩管通常还要在管外附加磁铁、偏转线圈和相应电路等来对电子束运动加以校正，进行色纯化；提高阳极电压，以提高亮度；加大荫罩孔孔径，使通过小孔的电子束直径增大到荧光粉点直径大小，进一步提高亮度；在荧光粉间隙涂以石墨，以提高对比度。

单枪三束栅网荫罩彩管是荫罩管的改进型，其荧光粉层由1000多余三种基色荧光粉竖条按RGB次序交替排列而成；孔状荫罩板被垂直刻有400-500条细丝栅网的薄钢片取代，保证三电子束正好在缝隙处交叉，且出射后打在各自的色条上；其三个电子枪灯丝，阴极与控制极水平放置，其余电极共用。这种结构使得电子束的会聚调整比色点管简单许多，亮度大大提高，还可缩小显像管颈尺寸，减小偏转功率，促进彩电小型化。但彩色重现较为粗糙，因而多用于小型彩电。

自会聚彩管是近年彩管的主流，其典型结构如图所示。电子枪采用了三枪三束精密直列式结构，除阴极相互独立并用分立引线外，其他电极均采用整体式结构，用公共引线；采用开槽式荫罩板及条形荧光屏，在板上开出细长时间的间隙微型槽，克服了栅网式结构怕振动的缺陷，降低了垂直方向聚焦精度要求；采用精密环形偏转线圈，实现了会聚自校正。另外，精密环形偏转线圈形成固定组件装架在管颈与管子形成了一个整体，大大方便了安装和调整。