Компьютерлік жад ретінде қолданылған катодтық сәулелік түтіктер

Кіріспе

Компьютерлік жад ретінде қолдануға арналған CRT-лер. Сақтау түтіктері – бұл катодты сәуле түтіктерінің (CRT) бір класы, олар суретті ұзақ уақыт бойы сақтауға арналған, әдетте түтікке қуат түсірілгенге дейін. Williams түтігі деп аталатын сақтау түтігінің арнайы түрі 1940 жылдардың соңынан 1950 жылдардың басына дейін көптеген алғашқы компьютерлерде негізгі жад жүйесі ретінде қолданылды. 1950 жылдары олар негізгі жад сияқты басқа технологиялармен алмастырылды. Жаңа түрінде, бистабельді түтік сақтау түтіктері 1960 және 1970 жылдары компьютерлік графикада, әсіресе Tektronix 4010 сериясында қолдану үшін қайта пайда болды. Бүгінде олар қолданыстан шығып қалды, олардың функцияларын төмен құнмен жад құрылғылары және сұйық кристалды дисплейлер атқарады.

Өмірбаян

Әдеттегі КРТ түтіктің артқы жағында орналасқан электрондық пушкадан тұрады, ол түтіктің алдыңғы жағындағы фосфордың жұқа қабатына бағытталған. Рөліне байланысты, пушкадан шығарылатын электрондар сәулесі магниттік (теледидар) немесе электростатикалық (осциллограф) тәсілдерді пайдаланып дисплейде басқарылады. Электрондар фосфорға тигенде, фосфор сол жерде белгілі бір уақытқа "жарықтанады", содан кейін сөнеді. Дақтың қанша уақытқа сақталуы фосфордың химиялық қасиеттеріне байланысты. Өте төмен энергияда, пушкадан шыққан электрондар фосфорға тисе де, ештеңе болмайды. Энергия артқан сайын, ол фосфорды белсендіретін және жарық шығаруын қамтамасыз ететін белгілі бір мәнге жетеді. Кернеу Vcr1-ден асып кеткенде, дақтың жарықтығы артады. Бұл КРТ-ге теледидар суреті сияқты әртүрлі қарқындылықпен суреттерді көрсетуге мүмкіндік береді. Vcr1-ден жоғарырақ деңгейде тағы бір құбылыс басталады – екіншілік эмиссия. Кез келген оқшаулағыш материалға белгілі бір сыни энергиядан жоғары электрондар тигенде, материал ішіндегі электрондар соқтығысу арқылы одан шығарылып, еркін электрондардың санын арттырады. Бұл эффект түнгі көру жүйелеріндегі және осыған ұқсас құрылғылардағы электронды көбейткіштерде қолданылады. КРТ үшін бұл әсер көбінесе жағымсыз болады; жаңа электрондар әдетте дисплейге қайта түсіп, айналасындағы фосфордың жарыққа шығуына себеп болады, бұл суреттің нақтылығының төмендеуі ретінде көрінеді. Екіншілік эмиссияның жылдамдығы да электрондық сәуленің энергиясына байланысты, бірақ басқаша өсу қисығын ұстанады. Электрон энергиясы артқан сайын, жылдамдық Vcr2 деп аталатын шекті мәнге жеткенше артады, онда екіншілік эмиссиялардың саны пушкамен берілгеннен көп болады. Бұл жағдайда жергілікті сурет тез жоғалады, өйткені экраннан екіншілік электрондар арқылы шығатын энергия пушкамен берілетін энергиядан асып түседі. Кез келген КРТ-де суреттер экранға Vcr1 және Vcr2 арасындағы электрон энергиясымен тигізіледі. Vcr1-ден төменде сурет пайда болмайды, ал Vcr2-ден жоғарыдағы кез келген сурет тез сөнеді. Тағы бір қосымша эффект, бастапқыда қызығушылық тудырған, электрондар жарықтанған аймақтардағы фосфорға жабысады. Жарық сөнгеннен кейін, бұл электрондар да түтікке қайта оралады. Заряд көбінесе визуалды әсерге жеткіліксіз және дисплейлерде ескерілмейді.

A conventional CRT consists of an electron gun at the back of the tube that is aimed at a thin layer of phosphor at the front of the tube. Depending on the role, the beam of electrons emitted by the gun is steered around the display using magnetic (television) or electrostatic (oscilloscope) means. When the electrons strike the phosphor, the phosphor "lights up" at that location for a time, and then fades away. The length of time the spot remains is a function of the phosphor chemistry. At very low energies, electrons from the gun will strike the phosphor and nothing will happen. As the energy is increased, it will reach a critical point, , that will activate the phosphor and cause it to give off light. As the voltage increases beyond Vcr1 the brightness of the spot will increase. This allows the CRT to display images with varying intensity, like a television image. Above Vcr1 another effect also starts, secondary emission. When any insulating material is struck by electrons over a certain critical energy, electrons within the material are forced out of it through collisions, increasing the number of free electrons. This effect is used in electron multipliers as found in night vision systems and similar devices. In the case of a CRT this effect is generally undesirable; the new electrons generally fall back to the display and cause the surrounding phosphor to light up, which appears as a lowering of the focus of the image. The rate of secondary emission is also a function of the electron beam energy, but follows a different rate curve. As the electron energy is increased, the rate increases until it reaches a critical threshold, Vcr2 when the number of secondary emissions is greater than the number supplied by the gun. In this case the localized image rapidly fades as energy leaving the display through secondary electrons is greater than the rate it is being supplied by the gun. In any CRT, images are displayed by striking the screen with electron energies between these two values, Vcr1 and Vcr2. Below Vcr1 no image is formed, and above Vcr2 any image rapidly fades. Another side effect, initially a curiosity, is that electrons will stick to the phosphor in lit up areas. As the light emission fades, these electrons are likewise released back into the tube. The charge is generally far too small to have a visual effect, and was generally ignored in the case of displays.

Сақтау

Бұл екі эффект сақтау түтігін құрастыруда қолданылды. Сақтау кез келген жеткілікті ұзақ өмір сүретін люминофорды Vcr1-ден сәл жоғары энергиясы бар электрондармен бомбалау арқылы жүзеге асырылды, ал мәліметтерді Vcr2-ден жоғары энергиясы бар электрондармен бомбалау арқылы жойылды. Фокус жақсарту немесе бейнені түтік ішінде немесе сыртқы жад арқылы жаңарту үшін қолданылатын механикалық схемалардың көптеген түрлері болды. Ең оңай түсінілетін мысал – Уильямс түтігі сияқты алғашқы компьютерлік жад жүйелері. Оларға екінші дүниежүзілік соғыстан қалған радар дисплейлерінің электрондық-сәулелі түтікшелері (ЭСТ) компьютерге қосылған. X және Y бұрылыс пластиналары жад орындарын экрандағы X және Y координаталарына түрлендіретін күшейткіштерге қосылды. Жадыға мән жазу үшін мекенжай күшейтіліп, Y бұрылыс пластиналарына жіберілетін, сәулені экрандағы көлденең сызыққа бекітетін. Уақыт базасы генераторы X бұрылыс пластинасын кернеуді жоғарылатуға орнатады, бұл сәулені таңдалған сызық бойынша сканерлеуге әкеледі. Бұл тұрғысынан қарағанда, ол бір сызықты сканерлейтін қарапайым теледидарға ұқсас. Электрондық пушка Vcr1-ге жақын стандарттық энергияға орнатылды, ал компьютерден келетін биттер пушкаға 0-ді Vcr1-ден төмен, ал 1-ді одан жоғары кернеуді модуляциялау үшін жіберілді. Сәуле сызықтың екінші жағына жеткен кезде, әрбір 1 үшін қысқа штрихтардың үлгісі салынды, ал 0-дер бос орындарды білдірді. Мәліметтерді қайта оқу үшін бұрылыс пластиналары сол мәндерге орнатылды, бірақ электрондық пушканың энергиясы Vcr2-ден жоғары мәнге орнатылды. Сәуле сызықты сканерлегенде, люминофор екіншілік эмиссия шегінен асып түседі. Егер сәуле бос аймақта болса, белгілі бір мөлшерде электрондар шығарылады, ал егер ол жарықтандырылған аймақта болса, бұл сан осы аймаққа бұрын жабысқан электрондардың санына сәйкес артады. Уильямс түтігінде бұл мәндер түтік дисплейінің алдындағы металл пластинаның сыйымдылығын өлшеу арқылы оқылды. Электрондық-сәулелі түтікшенің алдыңғы жағынан шыққан электрондар пластинаға соқтығысып, оның зарядын өзгертеді. Оқу процесі сақталған мәндерді де жойғандықтан, сигналды байланысты схемалар арқылы жаңарту қажет болды. Оқуға арналған бір және жазуға арналған бір электрондық пушкасы бар электрондық-сәулелі түтікше бұл процесті жеңілдетті.

These two effects were both utilized in the construction of a storage tube. Storage was accomplished by striking any suitably long lived phosphor with electrons with energies just above Vcr1, and erased by striking them with electrons above Vcr2. There were any number of varieties of mechanical layouts used to improve focus or cause the image to be refreshed either internally to the tube or through off board storage. The easiest example to understand are the early computer memory systems as typified by the Williams tube. These consisted of World War II surplus radar display CRTs connected to a computer. The X and Y deflection plates were connected to amplifiers that converted memory locations into X and Y positions on the screen. To write a value to memory, the address was amplified and sent to the Y deflection plates, such that the beam would be fixed to a horizontal line on the screen. A time base generator then set the X deflection plate to increasing voltages, causing the beam to be scanned across the selected line. In this respect, it is similar to a conventional television scanning a single line. The gun was set to a default energy close to Vcr1, and the bits from the computer fed to the gun to modulate the voltage up and down such that 0's would be below Vcr1 and 1's above it. By the time the beam reached the other side of the line, a pattern of short dashes was drawn for each 1, while 0's were empty locations. To read the values back out, the deflections plates were set to the same values, but the gun energy set to a value above Vcr2. As the beam scanned the line, the phosphor was pushed well beyond the secondary emission threshold. If the beam was located over a blank area, a certain number of electrons would be released, but if it was over a lit area, the number would be increased by the number of electrons previously stuck to that area. In the Williams tube, these values were read by measuring the capacitance of a metal plate just in front of the display side of the tube. Electrons leaving the front of the CRT hit the plate and changed its charge. As the reading process also erased any stored values, the signal had to be regenerated through associated circuitry. A CRT with two electron guns, one for reading and one for writing, made this process trivial.