自1972年秋美国RCA公司首先研制成功自会聚彩色显象管以来，经过近几年的迅速发展，自会聚彩色显象管已逐步取代了三枪三束彩色显象管，成为彩色显象管生产中的主流。鉴于这种显象管在我国的应用也日益广泛，本文特向大家介绍它的结构和工作原理。
产生的背景
本刊1978年第6期曾介绍过，在三枪三束彩色显象管中，红、绿、蓝三条电子束相交会合在荫罩板上（称为会聚），并穿过荫罩板上的小孔各自打在相应的荧光粉小点上。三条电子束的会聚情况如图1所示。
会聚包括静会聚和动会聚两部分。当电子束不受偏转磁场作用时，三条电子束相交会合在荫罩板的中心称静会聚；当电子束在作水平和垂直扫描时，三条电子束仍相交会合在荫罩板的各个部位称动会聚。
静会聚比较容易实现。在三枪三束管中，使按三角形（品字形）排列的三只电子枪对管子中心轴线成1度左右的倾斜角，便可实现三条电子束相交会聚在荫罩板的中心处。而动会聚则由于电子枪中各零部件和电磁场分布的不均匀等原因，使电子束横截面上各部分电子所受到的电磁场作用力的大小及方向不完全一样，就会产生各种各样的会聚误差，使三条电子束不能会聚在萌罩板上，结果造成失会聚现象。
在三枪三束管中，是用相当复杂的动会聚系统并经反复调整才能消除这种会聚误差达到动会聚。这使电路调整工作带来很多困难。
人们对三枪三束管的偏转磁场进行了研究，设计了特殊的偏转线圈，改进了显象管的结构，制成了自会聚彩色显象管系统。
自会聚管的偏转线圈，在管径水平方向产生枕形分布磁场，垂直方向产生桶形分布磁场。其目的是人为地增加三条电子束在屏幕垂直方向的象散，取得三条电子束在水平方向上的会聚，最后使三条电子束会聚在球面状的荫槽板（相当于三枪三束管荫罩）上。
自会聚原理
在未采取动会聚措施的均匀分布的垂直偏转磁场中，三条电子束着落到球面荫罩板上的位置如图2a、b所示。而在桶形分布的垂直偏转磁场的作用下，可使绿和蓝电子束在荫槽板上的着落位置校正成直线形状，如图2c、d所示。
我们先来分析桶形分布的垂直偏转磁场对电子束的作用情况。如图3a所示，当三条电子束向上偏转到屏幕的上半部分A、B、C三点时，A、C两点处的磁场具有垂直分量和水平分量两个部分（图3b）。根据左手定则可知，其磁场水平分量使绿和蓝电子束向上偏转，这是垂直偏转线圈的主要任务；其垂直分量使绿电子束受一个水平方向的作用力F，该力指向右方，使蓝电子束也受到同样大小的水平方向的力F，该力指向左方。在左右两边磁力线更加弯曲的部分，磁场的垂直分量越大，电子束所受的水平方向的偏转力也越大。当电子束偏转到屏幕下半部分时，由于桶形分布的磁力线改变了方向如图中虚线所示。故作用在绿和蓝电子束上水平方向的力的大小和方向，均与屏幕上半部分一样，这里不再重复。对于处在中间的红电束，因为红束上无磁场的垂直分量，故不存在水平方向的作用力。
再来分析水平偏转磁场对电子束的作用情况。水平偏转磁场如图4所示，呈枕形分布。该磁场的特点是靠近绿、蓝电子束处的磁场强度大，而靠近红电子束处的磁场强度小。当电子束向左方偏转时，由于蓝电子束处于较强的磁场中，故所受的偏转力较大；绿电子束也处于较强的磁场中，但在向左偏转的过程中，很快就进入到靠近红电子束的弱磁场范围内，所以与蓝束相比，其偏转量较小。由于绿、蓝两条边束的偏转量有差别，最后使这两条电子束会聚在荫槽板上。
对绿（G）、蓝（B）两条边束来说，无论是在桶形分布的垂直偏转磁场中，还是在枕形分布的水平偏转磁场中，所处的磁场强度，都始终比中束（红束R）所处的磁场的强度要强。所以两条边束所扫出的光栅比中束扫出的光栅大，如图5所示。这种光栅尺寸的误差在电子光学上称“慧星象差”。为了消除这种误差，在电子枪的顶部装了一个磁环称“消慧磁环”其结构如图6。消慧磁环中包括有两个磁分路器和两个磁增强器。当两条边束通过磁分路器时，由于磁分路器改变了磁力线的分布，减弱了两条边束所处的磁场，使两边束的偏转量减小；而在中束上下部位处，设有两个磁增强器，把磁力线引导过来，增强了中束的偏转磁场，以增加中束的偏转量，最后使中束与边束所形成的光栅完全重合。
自会聚管的结构
为了克服自会聚管的三条电子束在垂直方向上的严重失聚，把原在三枪三束管中按正三角形排列的电子枪改为在水平方向上按一字形排列。这样，在荫槽板和三色荧光粉的结构和排列上也都作了相应的改进。下面介绍一种生产历史较长，工艺结构比较成熟的90度偏转角20英寸自会聚管的结构，如图7所示。
电子枪 在自会聚彩色显象管中，为使三条电子束在经几百毫米的行程后仍有十分准确的着屏点，要求绿、红、蓝三条电子束保持精确的相对位置，因此对电极之间相对尺寸的精度要求十分严格。为保证这一点，在电子枪中，除三个阴极外，其他各个电极都采用冲制工艺，做在同一块金属板上，以消除在装配过程中带来的误差。
图7中的K为三个互相独立的阴极，G\(_{1}\)为调制极，G2为加速极。这三个电极组成电子发射系统。依靠G\(_{2}\)加速极上的正电位，把电子从阴极发射面上拉出来。在电子发射系统中，三条电子束是平行前进的。G3是聚焦极，G\(_{4}\)是高压电极，这两个电极组成电子聚焦系统，依靠这两个电极十分高的电位差（通常在2万伏左右），把三条电子束尖锐地聚焦在荧光屏上。
三条电子束的静会聚是依靠两条边束（即绿、蓝束）上高压电极（G\(_{4}\)）小孔轴心线与聚焦电极（G3）小孔轴心线之间有很微小的偏离，让高压电极小孔轴心线略为偏向外侧，使电子聚焦系统中的电场分布呈不对称性，使从电子发射系统中平行入射电子聚焦系统中的两条边束产生偏向中束的静会聚作用。当三条电子束穿出电子枪后，两条边束与中束之间有1°左右的倾斜角，最后使三条电子束恰好会聚在荫槽板的中心，达到静会聚目的。
电子枪的聚焦极（G\(_{3}\)）与高压电极（G4）之间有2万伏左右的电位差，为防止电极之间高压打火，使小圆孔处电场的分布更为均匀，把两电极的小孔边缘都冲制成卷边的形状。
在高压电极（G\(_{4}\)）上，三条电子束出口小孔的直径是不同的。对中束（红电子束）来说，由于电场和磁场对电子束截面的中心都具有对称性，容易把电子束聚焦成足够小的着屏点，所以中束小孔的直径可以做得大一些（20英寸显象管的中束孔径为0.43毫米）。对两条边束而言，一方面由于边束对整个管径中心轴线偏离一定的距离，另外由于电场和磁场对电子束截面不是对称分布的，因此聚焦质量要比中束差得多。为了保证两条边束有足够小的着屏点，就要使两条边束所通过的小孔直径小些（约0.25毫米），把处在电子束截面边缘处发散的电子被小孔边缘挡住。由于挡住了一部份电子，使打到荧光屏上两条边束的电流要比中束电流略为小些。这是考虑到因红色荧光粉的光电转换效率要低于蓝、绿荧光粉，故使中束电流略大些。正好对荧光屏的白场平衡时三条电子束的电流比的差值进行了补偿。
三条电子束在荧光屏上聚焦的好坏与图像清晰度密切相关。对三枪三束彩显管来讲，在荧光屏中心可以获得良好的聚焦光点，但当三条电子束偏转到屏幕四角时，光点变成了一个具有光亮中心的模糊光斑，如图8（a）所示。对直列式彩显管来讲，当三条电子束偏转到屏幕四角时，光点在水平方向被拉长了，在垂直方向产生了模糊的雾斑，如图8（b）所示。为了消除雾斑对图像清晰度的不良影响，在加速极（G\(_{2}\)）上加一块带有水平隙缝的膜片，这样虽使屏幕中心处的光点在垂直方向略为拉长些，但使屏幕四角处雾斑的面积大大减小，如图8（c）所示，可以显著地改善图像清晰度。
荧光屏和荫槽板 如图9所示，在自会聚管的荧光屏上，涂复有绿（G）、红（R）、蓝（B）三基色荧光粉小长条。这些荧光粉条，与荫槽板上的开孔相对应，相互交错排列，使会聚在荫槽板开孔处的三条电子束能各自打在相应的荧光粉条上。
由于三条电子束在水平方向上呈一字形排列，所以荫槽板在垂直方向上开有长条形的小槽，如图9所示。在垂直方向小长条之间有窄的横向连接条。垂直小长条的数量和相邻小长条之间连接条的宽度等，除了保证荫槽板有足够的强度外，另一条设计原则是抑制讨厌的莫尔效应。即当扫描束电流不变时，屏幕光栅亮度应均匀。由于行扫描线与荫槽板小孔之间的互相干扰作用，使屏幕在水平方向上出现周期性的亮度调制，即在水平扫描方向上出现明暗相间的像水波一样的在整个屏幕上慢慢移动的波形。这种现象，也称波纹形图像失真。
荫槽板与荧光屏玻璃都做成球面状，便于冲压成形，适应于大批生产。
自会聚彩显管屏幕电压在25千伏左右。在电子轰击下，屏幕上所辐射出的X射线与屏幕电压的平方成正比。为了使X射线的辐射量控制在所规定的安全剂量（0.5毫伦琴/小时）以下，屏幕采用钡锶铈玻璃，它能有效地吸收X射线。
偏转线圈 由自会聚原理可知，要实现水平方向的自会聚，水平偏转磁场的磁力线分布应是枕形的；要实现垂直方向的自会聚，垂直偏转磁场的磁力线分布应是桶形的，如图10。
自会聚显象管偏转线圈也称精密静态环形偏转线圈。它具有较广的磁场范围，以减小电子束的着屏误差。偏转线圈精密地绕制在塑料环骨架的沟槽里，每一根铜线都有精确的位置。行、帧偏转线圈并不绝然分开，而是混绕在一起，从而获得所期望的偏转磁场。
偏转线圈的形状，有的行、帧偏转线圈都采用马鞍形结构；有的帧偏转线圈采用环形结构，水平偏转线圈采用马鞍形结构；还有的把显象管锥体偏转部份做成短形锥体，而偏转线圈也做成矩形锥体形状。
最后将偏转线圈连同已调整好的静态会聚元件用热塑材料永久地粘结在显象管上，使偏转线圈在运输和使用期间不会与管子有相对的位移。
静态会聚元件 静会聚的调整是依靠套在管颈上的三对磁环来完成的；如图11（a）所示。为了避免调节磁环本身对偏转磁场的干扰作用，将磁环材料选用导磁率等于1的钡铁氧体。
一对两极磁环组成色纯度磁环。在磁环上做有突耳或槽口的标记，转动突耳，可以调节两磁环之间的夹角，并让两个磁环共同地绕管颈转动，可以使三条电子束同时向任何方向偏转，还可以控制偏转量的大小，通过对色纯磁环的调整，可使三条电子束在屏幕中心处会聚。应注意，调节色纯磁环时，四极磁环和六极磁环的磁场应调整到零，即两突耳的标记相距180°。
一对四极磁环所产生的磁力线如图11（b）所示，它可以使两条边束向相反方向作等量的移动，移动量也可以人为地控制。改变两磁环之间夹角的大小，可使蓝、绿垂直线重合；绕管颈转动两个磁环，可使蓝、绿水平线重合。最后蓝、绿光栅合成青光栅。
一对六极磁环所产生的磁力线如图11（c）所示，它可以使两条边束向相同方向作等量的移动，移动量也可以人为地控制。改变两磁环之间夹角的大小，可使青、红垂直线重合；绕管颈转动两个磁环，可使青、红水平线重合。最后青红光栅合成白光栅。
自会聚彩色显象管的寿命目前已提高到1万5千到2万小时。绝大多数自会聚管都采用快速起动阴极，即打开电视机后，图像出现的时间从过去15秒到25秒减少到5秒左右。很多荧光屏采用黑底管技术，即在三色荧光粉条之间涂以黑色包围物石墨，黑色包围物占屏幕面积的百分之四十左右，从而提高图像对比度，适宜于白天收看电视。
自会聚彩显管的色纯度和会聚调节都在显象管制造厂完成。省掉了全部动态会聚电路，使彩显管的使用和维护大大简化，电视接收机的成本下降，使彩色电视机的发展进入一个新时期。（邹家祥）