Вакуумная и плазменная электроника 8 страница

где y₁ и у₂— размеры объекта и изображения соответственно;

θ₁ и θ₂ — апертурные углы;

n₁ и n₂ — показатели преломления двух сред.

 

Для электронно-оптической системы границей раздела двух сред служит эквипотенциальная поверхность, приближающаяся в прак­тических системах к сферической. В выражение (5.24) вместо опти­ческих показателей преломления нужно подставить скорости электро­нов в двух средах или же эквивалентные им значения потенциалов:

(5.25)

 

Для уменьшения размера изображения следует увеличивать угло­вое увеличение M₀=θ₂/θ₁, уменьшать размер объекта y₁ и соотно­шение скоростей электронов до и после оптической системы. При использовании оптической системы с одной линзой выполнение этих условий встречает очень серьезные затруднения. Объектом в такой системе является эмиттирующая поверхность катода. Уменьшение ее величины неизбежно будет сопровождаться снижением плотности тока, и размер изображения — пятна па экране трубки — будет зави­сеть от потенциала модулятора. Угол θ₁ выхода электронов с поверх­ности катода определяется тепловыми скоростями электронов и не может быть значительно уменьшен. Поэтому в электроннолучевых трубках применяют фокусирующие системы из двух линз, где объектом для второй линзы служит скрещение электронного пучка.

Электростатическая фокусирующая система. На рис.5.14 показаны электрическое поле, оптический эквивалент электронной фокусирую­щей системы и траектории движения электронов в электронной пушке простейшей конструкции. Система состоит из двух сложных линз, образованных неоднородными полями между модулятором и первым анодом, а также между первым и вторым анодами. Каждую из этих линз можно рассматривать как две простейшие линзы; двояковыпук­лую собирающую линзу, образованную эквипотенциальными поверх­ностями, обращенными выпуклостью к катоду, и двояковогнутую линзу, образованную эквипотенциальными поверхностями, обращенными в другую сторону. Конфигурация полей выбрана такой, что преломляющее действие собирающей линзы больше преломляющего действия рассеивающей линзы. Кроме того, скорости движения элек­тронов вследствие возрастания потенциала в поле рассеивающей линзы больше, чем в поле собирающей. Таким образом, каждая из слож­ных линз обладает собирательным действием и влияние рассеивающей

части линзы приводит лишь к уве­личению фокусного расстояния всей системы. Фокусное расстоя­ние второй системы линз с целью совмещения плоскости второго скрещения электронного луча с плоскостью экрана трубки можно регулировать, меняя пре­ломляющую силу одной из линз системы. Это достигается изме­нением напряжений на первом или втором аноде трубки.

 

Рис.5.14. Траектории электронов (а), картина электрического поля (б) и оптический эквивалент электронных линз (в)

 

Обычно потенциал первого анода значительно ниже потен­циала второго; в цепи послед­него протекает больший ток, и поэтому регулировка напряже­ния на втором аноде более зат­руднительна. Однако при изме­нении напряжения на первом аноде меняются также преломляющая сила первой системы линз и поле у поверхности катода, что неизбежно приводит к изменению плотности тока луча. В свою очередь в процессе управления плот­ностью тока, т. е. при регулировании напряжения на модуляторе, нарушается фокусирование луча. Для устранения этого недостатка в электроннолучевых трубках применяются электронные пушки более сложных конструкций.

Типы электронных пушек. В пушке, изображенной на рис.5.15 , а, между модулятором и первым анодом помещен ускоряющий электрод, находящийся под потенциалом второго анода. В этой пушке не только значительно уменьшается взаимное влияние регулировок плотности тока и фокусирования луча, но и улучшается фокусирование луча за счет уменьшения радиуса скрещения. На рис. 5.15, б изображена электронная пушка с нулевым током первого анода. Здесь, как и в пушке на рис. 5.15, а, первый анод, служащий для регулировки фокусирования луча, отделен от модулятора ускоряющим электродом. На первый анод с диафрагмой большого диаметра электроны почти не попадают, и ток в его цепи близок к нулю. Таким образом, при изменении потенциала первого анода не изменяется ток, потребляе­мый от выпрямителя, питающего все электроды трубки, и даже при использовании маломощного выпрямителя взаимное влияние потен­циалов различных электродов отсутствует.

 

а — с ускоряющим электродом; б — с нулевым током первого анода.

 

Рис.5.15. Устройство электронных пушек.

 

Выбор той или иной конструкции электронной пушки, а также конструкции отдельных электродов определяется назначением элек­троннолучевой трубки, требованиями к качеству фокусирования луча, яркости свечения, допустимыми искажениями и т. п.

Магнитные фокусирующие системы. В электроннолучевых трубках с магнитной фокусировкой луча в качестве второй линзы используется неоднородное магнитное поле короткой катушки. Устройство пушки с магнитной линзой показано на рис.5.16.

1— модулятор; 2 — экранирующий электрод; 3 — первый анод; 4 — фокусирующая катушка.

Рис.5.16. Устройство пушки с магнитной линзой.

 

Для уменьшения влияния потенциала первого анода на потенциал запирания между модулятором и первым анодом включен экранирую­щий электрод, находящийся обычно под потенциалом в несколько сотен вольт. Первая линза образуется неоднородным электростатиче­ским полем между модулятором и экранирующим электродом. Траек­тории электронов в этой части, электронной пушки такие же, как и в трубке с электростатической фокусировкой. Скрещение траекторий электронов служит объектом для второй — магнитной линзы, образо­ванной неоднородным магнитным полем короткой катушки, надевае­мой снаружи на горловину трубки. При прохождении параксиальных электронов через магнитное поле они подвергаются воздействию сил, отклоняющих электрон к оси и закручивающих его траекторию вокруг оси трубки. Регулируя ток, протекающий по фокусирующей катушке, и, меняя, таким образом, напряженность магнитного поля, можно добиться пересечения траекторий электронов с осью трубки в пло­скости экрана. Согласно (5.21) главное фокусное расстояние обратно пропорционально квадрату напряженности магнитного поля:

 

(5.26)

 

Известно также, что величина магнитного поля пропорциональна току катушки:

, где k— коэффициент, зависящий от конструкции и формы катушки. Используя два последних выражения, легко определить требуемое число ампер-витков:

(5.27)

 

Для катушки в виде тонкого тороида без экрана можно пользо­ваться следующей приближенной формулой:

(5.28)

где d — диаметр катушки.

 

Ускоряющий потенциал U в этой формуле выражен в вольтах, а ток — в амперах.

Для увеличения преломляющей силы магнитной линзы, а также для локализации магнитного поля в ограниченном пространстве фоку­сирующие катушки заключаются в экраны. Такие катушки называются панцирными. Различные конструкции экранов показаны на рис.5.17, где, кроме того, приведены кривые распределения напряженности магнитного поля вдоль оси трубки.

Рис5.17. Различные типы фокусирующих катушек и их поля.

 

 

5.5.Отклоняющие системы

 

Электростатическая система. Простейшая электростатическая откло­няющая система состоит из двух пар плоских параллельных пластин, расположенных друг за другом (рис.5.18). Одна пара пластин слу­жит для отклонения электронного луча в горизонтальной плоскости, другая пара отклоняет луч но вертикали. Если пренебречь краевым эффектом, то можно считать, что между пластинами сущест­вует однородное электрическое поле напряженностью ξ=U_пл/d.

Движение электрона происходит в од­нородном электростатическом поле, вектор напряженности которого перпендикулярен век­тору начальной скорости элек­трона. Тра­ектория электрона в этом случае описывается параболической кри­вой (5.5):

 

(5.28)

Рис.5.18. Система отклоняющих пластин.

 

Как видно из рис.5.19, электрон, двигаясь между пластинами по параболе, к моменту выхода из пластин отклоняется от оси на неко­торую величину z₁ и далее движется к экрану по касательной к его криволинейной траектории. Отклонение электрона за время движения от пластин до экрана равно z₂. Суммарное отклонение электрона от оси трубки равно:z=z₁+z₂. Величина z₁ легко определяется из уравнения параболической траектории электрона:

 

(5.29)

 

Рис.5.19. Траектория движения электрона в отклоняющей системе.

 

Скорость электрона υ₀ зависит от напряжения на втором аноде:

 

(5.30)

Подставляя это выражение, а также выражение для ξ в (5.30) получаем:

 

(5.31)

 

Отклонение z₂ равно: z₂=l₂tgα. Но tgα=dz/dx характеризует наклон касательной к траектории электрона в точке его выхода из пластин:

 

(5.32)

 

Подставляя сюда выражения для ξ и υ₀, получаем:

 

(5.33)

 

Таким образом,

 

(5.34)

Полное отклонение электрона от оси трубки равно:

 

(5.35)

 

Сумма в скобках — это расстояние L от середины пластин до экрана.

Таким образом,

(5.36)

 

Чувствительность к отклонению. Выражение (5.36) показывает, что отклонение луча прямо пропорционально разности потенциалов на отклоняющих пластинах. Коэффициент пропорциональности харак­теризует отклонение луча при разности потенциалов в 1 в и называется чувствительностью к отклонению:

 

(5.37)

 

Величина ε_э зависит от размеров отклоняющих пластин, обратно пропорциональна квадрату скорости электрона и прямо пропорцио­нальна расстоянию от пластин до экрана. Чувствительность трубки к отклонению в горизонтальной и вертикальной плоскостях, как пра­вило, различна вследствие разных расстояний вертикальных и гори­зонтальных пластин до экрана. При анализе чувствительности краёвой эффект не учитывается и считается то поле между пластинами однородно. В действительности же у концов пластин поле искривлено, и электрон подвергается его воздействию на некотором расстоянии от пластин. Вследствие этого практическая величина чувствительности повышается примерно на 15% по сравнению с расчетной.

Кроме чувствительности к отклонению, являющейся одним из важнейших параметров электронно-лучевой трубки, отклоняющая система характеризуется максимальным углом отклонения луча α_макс.

Как видно из рис.5.19, величина α_макс ограничивается в случае параллельных отклоняющих пластин длиной пластин и расстоянием между ними. Для увеличения α_макс в электронно-лучевых трубках применяются косо расставленные, изломанные и изогнутые пластины (рис.5.19). Наибольшее значение α_макс получается в случае применения изогнутых пластин, где траектория электрон­ного луча эквидистантна поверхности отклоняющей пластины.

При использовании пластин, показанных на рис.5.20, повышается также чувствительность к от­клонению. Если принять чувствительность трубки с изогнутыми пластинами за единицу, то при прочих равных условиях для изломанных, косо расставлен­ных и плоскопараллельных пластин значения чув­ствительности соответственно будут 0,95; 0,84 и 0,51.

а — косо расстав­ленные; б — нало­манные; в — изо­гнутые.

Рис.5.20. Раз­личные формы отклоняющих пластин.

 

Магнитная отклоняющая система обычно содер­жит две пары катушек, надеваемых снаружи на гор­ловину трубки и образующих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. При отклонении электрона магнитным полем одной пары катушек предполагается, что поле ограничено диамет­ром катушки и в этом пространстве однородно. На рис.5.21. силовые линии магнитного поля изображены уходящими от зрителя перпендикулярно плоскости чертежа. Попадая в магнитное поле с начальной скоростью υ₀, электрон движется по окружности с радиусом

(5.38)

Рис.5.21. Траектория электрона в магнитной откло­няющей системе.

По выходе из магнитного поля, электрон продолжает движение по касательной к его криволинейной траектории в точке выхода из поля. Он отклонится от оси трубки на некоторую величину: z=Ltgα. При малых величинах угла α≈tgα; z≈Lα.

Величина центрального угла . При подстановке сюда значения r получается:

 

(5.39)

 

Таким образом, отклонение электрона равно:

 

(5.40)

 

Выражая скорость υ₀ электрона через напряжение на аноде, можно по­лучить:

 

(5.41)

 

Учитывая, что напряженность магнитного поля пропорциональна числу ампер-витков, можно записать:

 

(5.42)

 

Чувствительность к отклонению для магнитной системы. Коэф­фициент пропорциональности между отклонением луча и индукцией магнитного поля называется чувствительностью трубка к откло­нению магнитным полем:

 

(5.43)

 

Чувствительность трубки, а главное, постоянство чувствитель­ности для любых углов отклонения луча существенным образом зави­сят от конструкции отклоняющих катушек.

Достоинства и недостатки электростатической и магнитной систем отклонения. Из выражения (5.41) видно, что отклоне­ние луча магнитным полем в меньшей сте­пени зависит от скорости электрона, чем это имеет место для электростатической системы отклонения (5.36). Магнитная отклоняющая система находит широкое применение в трубках с высоким анодным потенциалом, когда требуется большая яр­кость свечения экрана. Кроме того, откло­нение луча магнитным нолем зависит от от­ношения заряда движущейся частицы к ее массе. Поэтому отрицательные ионы, выле­тающие с катода и движущиеся вместе с электронами в луче, почти не подвер­гаются отклоняющему воздействию магнит­ного поля, так как их заряд равен заряду электрона, а масса превышает массу элек­трона более чем в 1 000 раз. Таким образом, ноны бомбардируют центр экрана трубки, постепенно разрушая его и образуя со вре­менем так называемое ионное пятно. Для устранения этого нежелательного явления в трубках применяются специальные ион­ные ловушки (рис. 5.22).

1 — второй анод; 2 — первый анод: 3 — второй ускоряющий электрод; 4 — поперечное маг­нитное поле; 5 — первый уско­ряющий электрод; 6 — модуля­тор; 7 — катод; 8 — ножка.

Рис.5.22. Пушка с ионной ловушкой.

В этой пушке электроны, движущиеся от катода под углом к оси, отклоняются магнитным полем и далее движутся вдоль оси пушки. Тяжелые ионы магнитным полем не отклоняются и удаляются из луча.

К недостаткам магнитных отклоняющих систем следует отнести невозможность их использования при отклоняющих напряжениях с частотой более 10—20 кГц, в то время как обычные трубки с электро­статическим отклонением имеют верхний частотный предел порядка десятков мегагерц. Кроме того, потребление магнитными отклоняющими катушками значительного тока требует применения мощных источников питания с большим внутренним сопротивлением.

Достоинством магнитной отклоняющей системы является ее внешнее относительно электронно-лучевой трубки расположение, что позволяет применять вращающиеся вокруг осп трубки отклоняющие системы.

 

5.6. Экраны электронно-лучевых трубок

 

Пройдя отклоняющую систему, электроны попадают на экран электронно-лучевой трубки — тонкий слой люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность торцовой части баллона трубки путем осаждения из раствора или же распылением.

Люминофоры — это вещества, способные интенсивно светиться под воздействием бомбардирующих их электронов. Люминофоры обычно содержат основной материал и активатор. В качестве основного мате­риала используются окиси и сульфиды цинка, кремния, кадмия, маг­ния и др. К основному материалу в качестве активаторов добавляются доли процентов серебра, марганца или хрома. Люминофор должен обладать высоким коэффициентом полезного действия, высокой свето­вой отдачей, т. е. эффективно преобразовывать кинетическую энергию электронов в световое излучение. Люминофор также должен хорошо обезгаживаться, быть температуростойким, стабильно сохранять свои свойства и иметь достаточный срок службы. Важен цвет светового излучения и длительность послесвечения, т. е. время свечения люми­нофора по окончании возбуждения.

Яркость свечения В люминофора подчиняется закону Ленарда:

 

(5.44)

 

и зависит от плотности электронного луча j, разности потенциалов U между катодом и экраном и некоторого наименьшего потенциала U₀ при котором начинается люминесценция экрана. Коэффициент А и показатель степени n, изменяющийся в пределах от 1 до 3, зависят от свойств люминофора. Величина U₀ для различных люминофоров колеблется от 10 до нескольких сотен вольт. Отсутствие люминесцен­ции при потенциалах, меньших U₀, объясняется недостаточной энер­гией электронов, которые, задерживаясь в поверхностных слоях люминофора, не возбуждают его атомов и образуют отрицательный заряд.

Светоотдача. Электроны луча, ударяясь об экран, возбуждают атомы люминофора, вызывая их свечение. Однако не вся кинетическая энергия превращается в энергию видимого излучения. Значительная ее часть затрачивается на нагревание экрана, вторичную эмиссию электронов и излучение в невидимой части спектра. Коэффициент полезного действия люминофора, равный отношению энергии излуче­ния в видимой части спектра к мощности, затраченной на возбуждение, называют световой отдачей люминофора. Энергию видимого излучения обычно определяют по величине светового потока или силе света, а светоотдачу измеряют св/вт. Для люминофоров электронно-лучевых трубок светоотдача колеблется от

0,1 до 10 cв/вт. Она возрастает с увеличением кинетической энергии электронов, и поэтому для сравне­ния различных люминофоров световую отдачу измеряют при опреде­ленном значении ускоряющего напряжения.

Практика показывает, что при длительной бомбардировке экрана интенсивным потоком электронов уменьшается его светоотдача. Уменьшение светоотдачи в некоторых пределах обратимо, поскольку через некоторое время после прекращения бомбардировки экрана он может полностью восстановить свои первоначальные свойства. Это явление называется «утомлением» экрана. Если время интенсивной бомбарди­ровки было очень длительным, то процесс снижения светоотдачи может оказаться необратимым и произойдет «выгорание» экрана, т. е. его разрушение.

Длительность послесвечения. Кинетическая энергия возбуждающих экран электронов превращается в энергию видимого излучения не мгновенно, а в течение достаточно малого, но конечного отрезка вре­мени, измеряемого долями микросекунд. Уменьшение яркости свече­ния люминофора по окончании возбуждения происходит по экспонен­циальному закону, причем показатель степени экспоненты зависит от физико-химических свойств люминофора. Время, в течение которого яркость свечения уменьшается до 1—2% от максимального значения, называется временем послесвечения экрана. Все экраны разделяются на экраны с очень коротким (<10^-5 сек), коротким (10^-5–10^-2 сек), средним (10^-2–10^-1 сек), длительным (10^-1–16 сек) и очень длительным (>16 сек) послесвечением. Трубки с коротким послесвечением широко применяются для приема телевизионных сигналов и для осциллографирования. В радиолокационных индикаторах обычно используются трубки с длительным послесвечением.

Потенциал экрана. Люминофоры, — как правило, изоляторы, и отвести заряд с их поверхности можно только за счет отбора электро­нов вторичной эмиссии с экрана. Для этого стенки баллона трубки вблизи экрана покрываются токопроводящим слоем — аквадагом, который внутри баллона соединяется со вторым анодом.

От величины вторичной эмиссии с экрана зависит также потен­циал экрана. Как видно из кривой зависимости коэффициента вторич­ной эмиссии от ускоряющего напряжения (рис.5.23,а), типичной для изоляторов, при небольших величинах ускоряющего потенциала (участок OA) σ < 1. На поверхности экрана скапливаются электроны, и его потенциал при любых ускоряющих напряжениях в интервале O – U_a2’ стремится к потенциалу анода. При дальнейшем увеличении ускоряющего напря­жения (участок АБ) коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, и потенциал экра­на в любой точке кривой равен потенциалу второго анода.

Рис.5.23. Кривые изменения коэффициента вторичной эмиссии с экрана трубки (а) и потенциала экрана (б) в зависимости от напряжения на втором аноде.

 

В самом деле, если напряжение на втором аноде равно U_a2i, а потенциал экрана U_э<U_a2i, то поле между экраном и анодом бу­дет ускоряющим для вторичных электронов. Почти все они уйдут на второй анод, и U_э увеличится. Если же U_э>U_a2i, то поле между экраном и вторым анодом тормозит вторичные электроны; часть из них возвра­щается на экран, и потенциал U_э уменьшается.

При U_э=U_a2i наступает динамическое равновесие: на второй анод уходит лишь часть вторичных электронов, равная числу первич­ных электронов; остальные вторичные элек­троны возвращаются на экран.

Потенциал U_а2’’ (точка В на рис.5.23, б) — предельное значение потенциала экрана.

Если U_a2>U_а2’’, то коэффициент вторичной эмиссии становится меньше единицы, а потенци­ал экрана, снижаясь, стремится к величине U_а2’’.

Сложные экраны. Для получения длительного послесвечения при­меняются двухслойные экраны (рис.5.24, а). На стекло трубки нано­сится вначале слой люминофора с желтым цветом свечения и дли­тельным послесвечением, который сверху покрывается слоем люмино­фора с коротким послесвечением синего цвета. Бомбардируя экран, электроны возбуждают атомы первого слоя люминофора и вызывают свечение синего цвета. Свечение первого слоя люминофора возбуж­дает свечение во втором слое, причем длительность послесвечения второго слоя люминофора при таком световом возбуждении зависит от толщины первого слоя и, как правило, значительно больше, чем при возбуждении непосредственно электронами луча.

а — с двойным слоем люми­нофора (с длительным после­свечением): б — с алюминие­вой подложкой; 1 — стекло; 2 — люминофор с длитель­ным послесвечением желтого цвета; 3 — люминофор с ко­ротким послесвечением сине­го цвета; 4 — люминофор; 5 — алюминий.

 

Рис.5.24. Сложные эк­раны.

 

Широкое распространение получили алюминированные экраны. В экранах такого типа на слой люминофора наносится тонкая (при­мерно 1 мкм) пленка алюминия (рис.5.24, б), которая обычно соеди­няется со вторым анодом. Вследствие этого потенциал экрана всегда равен ускоряющему потенциалу и не зависит от величины вторично-электронной эмиссии. Наиболее целесообразно применение алюминированных экранов в высоковольтных трубках, так как с увеличением ускоряющего потенциала, а следовательно, и потенциала экрана уве­личивается его световая отдача и уменьшается поглощение электронов луча в пленке алюминия. Алюминиевая пленка, кроме того, способ­ствует повышению светоотдачи за счет отражения светового потока от пленки в сторону наблюдателя, а также возрастанию контрастности изображения вследствие уменьшения засветки эк­рана рассеянным светом.

Очень важное значение имеет цвет свечения люми­нофора. В осциллографической технике при визуаль­ном наблюдении исполь­зуются электронно-лучевые трубки с зеленым свече­нием, наименее утомитель­ным для глаза. Таким цве­том свечения обладает ортосиликат цинка, активи­рованный марганцем, — виллемит. Спектральная характеристика 1 виллемита и кривая 2 восприя­тия различных частот из­лучения глазом показаны на рис.5.25, а. Для фото­графирования предпочти­тельны экраны с синим цветом свечения, свойст­венным вольфрамату каль­ция. В приемных телеви­зионных трубках стараются получить белый цвет, для чего применяются люмино­форы из двух компонент: синей и желтой. Спектральные характери­стики телевизионного экрана и составляющих компонент представлены на рис.5.25,б.

 

1 — спектральная характеристика виллемита; 2 — кривая чувствительности глаза; 3 — спектральная характеристика синей компоненты; 4 — спектраль­ная характеристика желтой компоненты; 5 — ха­рактеристика экрана с белым свечением.

 

Рис.5.25. Спектральные характеристики экра­на с зеленым свечением (а) и экрана с белым свечением (б).

 

5.7.Осциллографические трубки

 

Осциллографическая трубка — приемная электронно-лучевая трубка, предназначенная для графического воспроизведения фор­мы электрического сигнала, управляющего положением электрон­ного пучка на люминесцентном экране. Осциллографические труб­ки используют для визуального наблюдения на экране или реги­страции изменений быстро протекающих процессов. Аналогичные трубки используют также для получения изображения в радио­локационных установках.

Электронный прожектор строится на двухлинзовой системе: катод К, модулятор М и ускоряющий электрод УЭ образуют ко­роткофокусный иммерсионный объектив, который формирует крос­совер, отображаемый на экран одиночной линзой, образованной ускоряющим электродом УЭ и анодами А₁ и А₂ (рис.5.26).

Рис.5.26. Внешний вид и электрическая схема осциллографической трубки.

 

Электронный луч перемещается в пространстве при помощи отклоняющей системы, смещающей его в двух взаимно перпенди­кулярных направлениях. Электростатическое отклонение луча осу­ществляется с помощью двух пар пластин, X и У, на которые по­лаются отклоняющие напряжения U_{отк х} и U _{отк у}.

Основным параметром отклоняющей системы трубки является чувствительность к отклонению:

 

и (5.45)