книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

для qz ^ 1.

Аналогичными методами может быть найдено решение внешней задачи для полого осесимметричного (трубчатого) и плоскосим­ метричного (ленточного) пучков.

Таким образом, получены уравнения для распределения потен­ циала как внутри, как и вне пучка, т. е. решены внутренняя и внешняя задачи (в параксиальном приближении) теории форми­ рования интенсивных пучков. Конечно, при практическом исполь­ зовании общих уравнений могут встретиться затруднения, но они будут иметь не принципиальный, а вычислительный характер, для их преодоления могут потребоваться дополнительные преобразо­ вания, введение новых переменных и т. д., но тем не менее общая теория синтеза систем формирования интенсивных пучков является большим шагом вперед в создании формирующих систем.

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЖЕКТОР

§3.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

ИОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОЖЕКТОРА

Во многих типах электроннолучевых приборов (осциллографические и телевизионные приемные и передающие трубки, трубки для радиолокационных индикаторных установок и др.) используется узкий сфокусированный пучок электронов обычно круглого сече­ ния, так называемый электронный луч. Для создания электронного луча служит один из основных узлов электроннолучевого прибо­ ра— электронный прожектор, иногда называемый также электрон­ ной пушкой. Однако в настоящее время термин «электронная пуш­ ка» чаще относят к устройствам, формирующим интенсивные (высокопервеансные) электронные пучки (см. гл. 4).

В зависимости от назначения приборов электронные прожекто­ ры могут иметь сильно различающиеся параметры и конструктив­ ные особенности. Например, напряжение, ускоряющее электроны, может меняться от нескольких сот вольт в небольших осциллографических трубках до десятков киловольт в проекционных кинеско­ пах, а ток луча — от долей микроампера в некоторых передающих телевизионных трубках до нескольких миллиампер в кинескопах с большим экраном.

Независимо от величин электрических параметров и конструк­ тивных особенностей прожекторы большинства электроннолучевых приборов должны удовлетворять некоторым общим требованиям.

Электронно-оптическая система, формирующая луч (фокусиру­ ющая система прожекторов), должна обеспечивать в плоскости приемника электронов — экрана или мишени — возможно меньшее сечение электронного пучка; в большинстве случаев диаметр пучка у приемника не должен превышать десятых долей миллиметра, а ддя некоторых приборов он должен быть меньше 0,1 мм. В прожек­ торе должна быть предусмотрена возможность плавной регулиров­ ки величины тока луча от нуля (запирание прожектора) до макси­ мального значения, определяемого типом и назначением прибора. Кроме того, прожектор должен быть конструктивно не слишком сложным, хорошо увязываться со всем прибором, быть достаточно экономичным в эксплуатации и долговечным. Последнее требова­ ние особенно важно для прожекторов сложных и дорогостоящих приборов, так как выход из строя прожектора приводит в негод­ ность весь прибор. И, наконец, материалы, из которых изготовля­ ются элементы прожектора, должны иметь хорошие вакуумные свойства,— не выделять паров или газов, допускать прогрев до сравнительно высоких температур, что бывает необходимо при за-

варке и обезгаживании прибора. Желательно также изготовлять элементы прожектора из немагнитных материалов, так как при­ сутствие ферромагнетиков в области формирования электронного пучка может привести к усилению паразитных магнитных полей, затрудняющих фокусировку или приводящих к искажению при от­ клонении луча.

Электронный прожектор, создающий сфокусированный пучок электронов (электронный луч), состоит из источника электронов — катода и системы электродов с

получение возможно меньшего сечения луча в плоскости приемни­ ка. Принципиально возможно сфокусировать электроны, испускае­ мые катодом, при помощи одной электронной линзы (рис. 3.1, а). При этом в плоскости приемника (экрана) создается изображение катода.

Используем теорему Лагранжа — Гельмгольца (см. § 1.7):

•области, U2— потенциал в области изображения) и tg yi, tg уг че­ рез YI, Y2 (ограничиваясь малыми углами), можем оценить величи­ ну изображения катода:

r t iu iyi

(3.1)

У U2yz

Выражение (3.1) показывает, что уменьшения сечения луча в плоскости приемника (уменьшения г2) можно достигнуть, умень­ шая размер катода (/•]), потенциал в прикатодной области (U\) и •апертурный угол со стороны катода уь Однако уменьшение числИ-

теля выражения (3.1) практически трудно выполнимо: эмиссион­ ная способность катода не может быть сколь угодно большой и, чтобы получить необходимый для нормальной работы прибора ток луча, приходиться использовать катод со сравнительно большой эмиттирующей поверхностью. Снижение потенциала в прикатодной области нецелесообразно по двум причинам: 1) чем ниже потенци­ ал, тем сильнее сказывается влияние начальных скоростей элект­ ронов, больше хроматическая аберрация линзы; 2) чем медленнее электроны, тем значительнее действие пространственного заряда, приводящее за счет сил кулоновского расталкивания электронов к расширению пучка.

Уменьшение апертурного угла со стороны катода приводит к уменьшению тока луча, так как чем меньше угол уь тем относи­

прочностью прибора, а также не­ обходимостью иметь не слишком малую чувствительность при от-

клонении электронного луча (см. § 5.1). Увеличение угла у2 потребовало бы уменьшения расстояния от линзы до экрана (рис. 3.1, 6), что опять практически нецелесообразно, так как, во-первых, меж­ ду фокусирующей системой и экраном необходимо иметь доста­ точное место для размещения отклоняющих элементов и, во-вто- рЫх, чувствительность по отклонению в случае приближения от­ клоняющих элементов к экрану резко снижается.

Приведенные соображения показывают, что прожектор с одной электронной линзой не может обеспечить получение пучка малого сечения в плоскости приемника при выполнении требований полу­ чения не слишком малых значений тока пучка и чувствительности отклоняющих систем. Поэтому электронные прожекторы, построен­ ное по однолинзовой оптической схеме не получили распростране­ нии в электроннолучевых приборах.

Большинство прожекторов современных электроннолучевых приборов строится по двухлинзовой оптической схеме (рис. 3.2) Применяя в качестве первой сильную (короткофокусную) линзу, можно получить достаточно большой угол у2 и, следовательно, уменьшенное изображение катода. Кроме того, вторую, сравнитель­ но слабую линзу следует настроить так, чтобы на экране получилось изображение наименьшего сечения пучка, образующегося меж­

тельно просто получать в плоскости приемника электронов сече­ ние луча с радиусом порядка 0,1 мм при радиусе эмиттирующей поверхности катода ~ 1 мм.

Примерный вид траекторий электронов в электронном прожек­ торе, построенном по двухлинзовой оптической схеме, приведен на рис. 3.3.

Первая линза прожектора, кроме фокусировки, должна уско­ рять электроны, т. е. поле этой линзы должно доходить до поверх­ ности катода и подхватывать электроны, испускаемые катодом. Таким образом, катод оказывается как бы «погруженным» в поле первой линзы; первая линза с оптической точки зрения является иммерсионным объективом. Поскольку первая линза должна соз­ давать поле, ускоряющее электроны в прикатодной области, она,

Первая Вторая

очевидно, принципиально должна быть электростатической. Вто­ рая линза прожектора может быть электростатической или магнит­ ной. В соответствии с этим рассматривают прожекторы с электро­ статической фокусировкой, построенные по оптической схеме: им­ мерсионный объектив + иммерсионная линза или иммерсионный объектив + одиночная линза, и прожекторы с магнитной фокусиров­ кой, построенные по схеме: иммерсионный объектив (электростати­ ческий) + магнитная линза.

В некоторых типах электроннолучевых приборов, например в большинстве кинескопов с большими экранами, прожектор строит­ ся по трехлинзовой схеме: иммерсионный объектив + иммерсион­ ная линза + одиночная линза. Применение промежуточной иммер­ сионной линзы между иммерсионным объективом и главной фоку­ сирующей линзой позволяет уменьшить угол расхождения пучка и его сечение при входе в главную линзу, что приводит к уменьшению аберраций главной линзы и, как следствие, к уменьшению сечения пучка в плоскости экрана.

Таким образом, использование двухили трехлинзовой оптиче­ ской схемы позволяет строить прожекторы, достаточно хорошо удо­ влетворяющие основным требованиям, приведенным в начале пара­

графа. Отличительной особенностью таких прожекторов является то, что сечение пучка в плоскости приемника определяется не ве­ личиной эмиттирующей поверхности катода, а радиусом скрещения, который, как будет показано ниже, может быть в десятки раз меньше радиуса катода.

§ 3.2. ПЕРВАЯ ЛИНЗА ПРОЖЕКТОРА

Как было указано, первая линза прожектора с оптической точки зрения является иммерсионным объективом. Задачей иммерсион­ ного объектива является формирование скрещения электронных траекторий (кроссовера), являющегося объектом для второй лин­ зы. Кроме того, в первой линзе обычно предусматривается воз­ можность управления током луча.

Полный расчет иммерсионного объектива представляет значи­ тельные трудности, однако, введя некоторые упрощающие предпо­ ложения, можно приближенно найти форму траекторий электро­

удобно выразить через эквивалентную разность потенциалов на ос-

mvl

новании закона сохранения энергии —- — = ещ. Для катода, име­

ющего рабочую температуру 1000° К, величина «о составляет около 0,17 в. Допустим также, что линза является идеальной, т. е. не имеет аберраций. И, наконец, пренебрежем силой кулоновского расталкивания электронов в области формирования скрещения.

Рассмотрим теперь картину электростатического поля в прикатодной области прожектора (рис. 3.4).

Как видно из рисунка, это поле формируется тремя электрода­ ми— катодом К (потенциал которого принимается равным нулю), диафрагмой (модулятором) М с небольшим отрицательным потен­ циалом и положительно заряженным электродом А — первым ано­ дом или ускоряющим электродом. Конечно, для получения луча круглого сечения необходимо поле, обладающее осевой симметри­ ей; иными словами, все электроды прожектора должны быть соос­ ными телами вращения.

Если бы электроны покидали катод без начальных скоростей, то они уходили бы от катода по траекториям, близким (у катода) к силовым линиям поля. Такие траектории изображены на рис. 3.4 пунктирными линиями.

Как видно, они пересекают ось в одной точке О — радиус скре­ щения равен нулю. Наличие начальных скоростей приводит к то­ му, что реальные траектории в зависимости от направления на­

чальной скорости пересекают ось ближе или дальше точки О. При этом в плоскости, проходящей через точку О, электронные траекто­ рии лежат внутри круга с радиусом гс. Очевидно, величина гс и является радиусом скрещения.

Для определения радиуса скрещения воспользуемся теоремой Лагранжа — Гельмгольца [см. (1.154)]. Поскольку в рассматривае­ мом случае один из апертурных углов (со стороны катода) может изменяться от 0 до 90°, уравнение Лагранжа — Гельмгольца целе­ сообразно представить в виде

где гк и ги — радиусы катода и изображения; п\ и п2— показатели преломления со стороны катода и изображения; у{ и у2— апертур­ ные углы.

Потенциал в плоскости скрещения обычно близок к потенциалу в плоскости изображения, поэтому приближенно можно считать

и /г2= У Uс.Таким образом, радиус наименьшего сечения

луча (скрещения)

(3.7)

Поскольку направление начальных скоростей равновероятно во всем интервале yi от 0 до 90°, максимальное значение sinyi равно единице и максимальный радиус скрещения для пучка электронов с начальными энергиями ец0

(3.8)

где а = г„/tg 0 — расстояние от поверхности катода до плоскости скрещения.

Выражение (3.8) показывает, что в первом приближении ради­ ус скрещения не зависит от площади эммитирующей поверхности катода и определяется только отношением начальной энергии элек­ тронов к энергии электронов в области скрещения.

При выводе уравнения (3.8) предполагалось, что все электро­ ны, покидающие катод, имеют одинаковую начальную скорость. При этом допущении скрещение представляется кругом с радиусом, имеющим резкую границу.

Постоянство начальных скоростей является весьма грубым приближением, поскольку электроны, испускаемые термокатодом, имеют максвелловское распределение скоростей. Поэтому (3.8) следует рассматривать как уравнение для определения радиуса скрещения, образованного группой электронов, имеющих началь­ ную энергию еио и покидающих катод параллельно его поверх­ ности. Очевидно, все электроны, имеющие энергии, меньшие еи0, или направление начальной скорости, отличное от перпендикуляр­ ного к оси, пересекут плоскость скрещения внутри круга с радиу­ сом гс. Электроны, имеющие большие начальные скорости, пересе­ кут плоскость скрещения уже вне круга с указанным радиусом. Иными словами, каждой группе электронов с одинаковыми началь­ ными скоростями будет соответствовать свой круг в плоскости скрещения, и чем больше начальная скорость, тем больший радиус будет иметь этот круг.

Приведенные рассуждения показывают, что понятие «радиус скрещения» становится условным, так как среди всех электронов, эМиттированных катодом, всегда найдутся электроны с начальной

доля быстрых электронов во всем электронном потоке будет умень­ шаться с увеличением начальной скорости согласно закону рас­ пределения скоростей Максвелла. Это приведет к тому, что плот­ ность электронного потока в плоскости скрещения будет неодина­ ковой— наибольшее значение плотности будет на оси системы, а по мере удаления от оси плотность будет экспоненциально убы­ вать. Поэтому величину скрещения можно условно оценить радиу­ сом окружности, вдоль которой плотность тока составляет малую часть (не более 0,1) плотности тока на оси.

Для оценки величины скрещения необходимо знать распреде­ ление плотности тока в скрещении в зависимости от расстояния от оси. Согласно закону Максвелла число N электронов, вылетающих в единицу времени с 1 см2 поверхности катода нормально к ней, приходящихся на единицу телесного угла и обладающих началь­ ной энергией от ей до е (u+du), равно

ей

(3.9)

где N0— число электронов всех возможных энергий, эмиттируемых катодом в единицу времени с 1 см2 своей поверхности нормально к

Если предположить, что испускание электронов катодом под­ чиняется закону Ламберта (подтверждено экспериментально), т. е. допустить, что ток электронов в любом направлении пропорциона­ лен косинусу угла между нормалью к поверхности катода и дан­ ным направлением, то ток в телесном угле от у до y + dy будет равен

где Q — площадь эмиттирующей поверхности.

Рассмотрим кольцевую зону в плоскости скрещения, заключен­ ную между окружностями с радиусами гс и r0+drc (рис. 3.6).

Этой кольцевой зоне соответствуют углы ^ н yi + dyiТогда со­ гласно (3.11) сквозь кольцевую зону будет проходить ток

dl4l = 2nQNie sin yicos yidyu

где N\ — число электронов, эмиттируемых катодом с энергиями от

еио до e(uo+duo).