Тема 9. Фізика електронно-променевих приладів

Електронно-променевий прилад – це електровакуумний прилад, дія якого заснована на формуванні тонкого електронного променя і управлінні його густиною та розміщенням в просторі. Електронних пучків в приладі може бути один або більше.

У будь-якому електронно-променевому приладі міститься 3 основних конструктивних елементи: електронний прожектор – пристрій для формування електронного променя, відхиляюча система – для переміщення променя в просторі, люмінесцентний екран. Елементи приладу розміщені в колбі з вакуумом порядка 10^-5 … 10^-4 Па (10^{-7 …} 10^-6 мм рт.ст.)

Електронний промінь, створений електронним прожектором, переміщується в просторі відхиляючою системою і попадає на екран або мішень, викликаючи певний ефект. Практична безинерційність променя дозволяє аналізувати швидкоплинні процеси, передавати і приймати телевізійні зображення, записувати і зчитувати різну інформацію та інше.

Для формування електронних пучків використовуються електростатичні і магнітні електронні лінзи.

9.1. Електростатичні електронні лінзи

Розглянемо деякі фізичні аспекти дії електронних лінз. Вони засновані на аналогії між траекторією електрона в електричному полі і світловим променем у середовищі зі змінною оптичною густиною.

Для встановлення такої аналогії розглянемо проходження електроном границі розділу двох середовищ з потенціалами і Нехай (рис.1.49).

Рис. 1.49

Значення швидкості електрона змінюється при проходженні границі у відповідності з потенціалами:

,

Зміна напряму швидкості визначається тим, що в напрямі потенціал не змінюється і складова поля , а прискорення можливе лише в напрямі . Тому , або

Реально здійснити різкий перепад потенціалу можна, подаючи і на дуже близько розташовані сітки. Траєкторія електрона буде параболічною між сітками, але складова залишиться незмінною. Тоді

Це закон заломлення електронних траєкторій, аналогічний закону заломлення в геометричній оптиці, якщо співставити з оптичною густиною середовища. Обумовлена така аналогія спільністю хвильової природи електрона і світлового випромінювання.

Для пояснення дії електростатичних лінз використаємо закон заломлення до пояснення дії електростатичних лінз встановимо правило, яке зв’язує характер розподілу поля з його фокусуючи ми властивостями.

Р озглянемо систему плоских електродів (катод і анод), між якими розміщена діафрагма з отвором. Потенціал діафрагми дорівнює потенціалу катода чи анода. При відсутності діафрагми розподіл потенціалу між анодом і катодом був лінійним. Діафрагма змінює цей розподіл і він стає нелінійним.

Рис. 1.50

Неоднорідні електричні поля створюють фокусуючу дію, якщо , і розфокусуючу, якщо .

Розглянемо деякі типи електростатичних лінз, що найчастіше зустрічаються.

Іммерсійна лінза складається з двох соосних циліндрів чи діафрагм, які мають різні потенціали (рис.1.51).

У лівій частині (точка 1) лінзи поле діє так, що повздовжня складова прискорює електрони вздовж осі, а радіальна – до осі.

У правій частині (точка 2) повздовжня складова має такий же напрям, а радіальна – від осі, що викликає розфокусування потоку. Оскільки електрон у повздовжньому напрямі прискорюється, то час прольоту ним розфокусуючої області менший, ніж першої. Тому фокусуюча дія переважає і іммерсійна лінза буде фокусуючою.

Р ис. 1.51

Одиночна лінза характеризується однаковими потенціалами по обидві сторони від лінзи, тому швидкість електронів після фокусування залишається попередньою.

Неоднорідне поле створюється електродом (циліндр чи діафрагма) з потенціалом і двома іншими з потенціалами . Таке поле еквівалентне дії двох розсіюючих і однієї фокусуючої лінз з сумарною фокусуючою дією (рис.1.52).

Рис.1.52

Іммерсійний об’єктив складається з катода, модулятора прискорюючого електрода (анода) (рис.1.53).

Рис. 1.53

Підігрівний оксидний катод К розміщений в середині керуючого електрода – модулятора М з від’ємним потенціалом. Прискорюючий електрод А виконаний найчастіше у вигляді довгого циліндра з діафрагмами всередині. Ці електроди створюють короткофокусну лінзу, яка фокусує електрони, що випромінює катод, в точку (кросовер) – мінімальний переріз електродного променя в емісійній системі.

В площині фокусування формується електронне зображення катода, яке за тим проектується на екран електронно-променевої трубки.

Для фокусування довгих електронних потоків використовують періодичні електростатичні системи. Такі системи можна розглядати, як сукупність елементарних лінз, в яких ділянки фокусуючого поля змінюються розсіюючими полями.