Імерсійна лінза

Імерсійна лінза – є неоднорідним аксіально-симетричним полем - лінзою у якого електронно-оптичні показники заломлення і, відповідно, потенціали ліворуч і праворуч постійні, але не рівні.

Утворюється комбінацією двох діафрагм або циліндрів.

Завжди U₁  U₂ !

Імерсійна лінза завжди є збиральною та несиметричною (F₁F₂).

Формує зображення змінюючи енергію електронного пучка.

Рис. Електростатичні імерсійні лінзи, що складаються з двох діафрагм (а) і двох циліндрів (б).

Імерсійний об’єктив, що складається з катоду і аноду (діафрагми) не здатен фокусувати електронні пучки тому між ними розміщують фокусувальний електрод (модулятор) або застосовують фокусувальне магнітне поле.

Оптичну силу імерсійного об’єктива можна змінювати змінюючи співвідношення потенціалів на електродах.

Рис. Електростатична катодна електрона лінза: 1-катод; 2 - фокусувальний електрод; 3 - анод.

Довга магнітна лінза

Довга магнітна лінза є однорідним магнітним полем, що утворюється за допомогою довгого соленоїда (котушки) довжина якого набагато перевищує його діаметр.

З кожної точки емітера буде виходити пучок спіральних ліній, що мають різні радіуси, але однаковий крок. Всі електрони, що вийшли з т. О₁, пройдуть скрізь точку О₂. Точка О₂ є електронно-оптичним зображенням О₁.

_с=vz₀2 – циклотронна довжина хвилі,

= В – циклотронна частота.

Рис. Траєкторія електронів в однорідному магнітному полі: а) геометрія орбіт електронів; б) траєкторія електронів уздовж вісі соленоїда.

Коротка магнітна лінза

Коротка магнітна лінза є котушкою (витком) зі струмом. Всі силові лінії замкнені, а найбільша концентрація поля буде в центрі витка. Коротка магнітна лінза утворює колоколоподібний розподіл поля.

Фокусування пучка відбувається зміною струму збудження, стабільність якого повинна бути на рівні низьких хроматичних аберацій.

Рис. Траєкторія руху електронів у короткій магнітній лінзі: а) в меридіанній площині; б) траєкторії у поперечній площині.

Тетродний простіший електростатичний електронний прожектор: катод; модулятор; перший анод; другий анод .

Діафрагми виділяють траєкторії електронів, що найбільш близькі до параксіальних та зменшують аберації та спотворення лінз при відхиленні пучка.

Найбільші недоліки тетродної схеми:

– наявність взаємного зв'язку між лінзами, що не дозволяє використовувати загальний подільник напруги для всього прожектора;

-- наявність суттєвого осадження електронів на анодах при керуванні електронним потоком.

Для усунення взаємозв'язку лінз між модулятором та першим анодом фокусування розміщують екранувальний електрод прискорення електронів, потенціал якого часто дорівнює потенціалу другого аноду.

В цьому випадку друга лінза є поодинокою лінзою, зміна потенціалу першого аноду майже не впливає на значення струму катоду із-за екранування електрода прискорення.

Можливість осадження електронного пучка на діафрагмах першого аноду, що змінює потенціал при зміні струму пучка та живленні від загального дільника напруги, знімається за рахунок збільшення діаметру отвору першого аноду. При будь-якому потенціалі першого аноду струм на ньому дорівнює 0.

Використання у якості другої лінзи поодинокої приводить до малої чутливості оптичної сили лінзи до коливань напруги на другому аноді, особливо у випадку під'єднання потенціалу катоду до першого аноду.

Розміри такого прожектора підбираються під фіксований потенціал другого аноду. На практиці із-за неточності виготовлення та зборки поле другої лінзи може не фокусувати зображення схрещення на екрані, тому на перший анод подають не нульовий потенціал корегування.

Переваги: при невеликих потенціалах корегування задовільне фокусування пучка на екрані, що не залежить від коливання високих потенціалів останнього аноду.

У прожекторах з магнітним фокусуванням роль першої лінзи виконує імерсійний об'єктив, а друга лінза є магнітною.

Завдяки порівняно великим розмірам магнітних лінз вони мають менші ніж електростатичні аберації та гарно фокусують навіть широкі електронні пучки, що не потребує встановлення діафрагм обмеження. Це дає можливість отримати більші струми пучків.

Великі апертури пучка, при його відхиленні, збільшують спотворення, які залежать від куту відхилення. Для протидії цьому між модулятором та анодом розміщують електрод прискорення, що створює додаткову лінзу.

У прожекторах з магнітним фокусуванням роль першої лінзи виконує імерсійний об'єктив, а друга лінза є магнітною.

Завдяки порівняно великим розмірам магнітних лінз вони мають менші ніж електростатичні аберації та гарно фокусують навіть широкі електронні пучки, що не потребує встановлення діафрагм обмеження. Це дає можливість отримати більші струми пучків.

Великі апертури пучка, при його відхиленні, збільшують спотворення, які залежать від куту відхилення. Для протидії цьому між модулятором та анодом розміщують електрод прискорення, що створює додаткову лінзу.

Прожектори з магнітним фокусуванням:

• мають більші габаритні розміри та масу, є менш економічними при експлуатації, потребують стабілізації напруги джерела живлення ;

• забезпечують високу роздільну здатність при точному розташуванні котушки на горловині.

Використання: РЛС, спеціальні ЕПП.

Прожектори з електростатичним фокусуванням:

- менша, порівняно з магнітними системами, роздільна здатність;

• мала маса та габаритні розміри, економічні при експлуатації.

Використання: осцилоскопи, сучасні кінескопи.

Параметри та характеристики електронних прожекторів.

Модуляційна характеристика – залежність струму катоду або променя від напруги між модулятором та катодом U_м,к, при постійних напругах прискорення.

Напруга запирання – різниця потенціалів між модулятором та катодом, при якому струм в колі катоду складає задане мале значення (1мкА).

Напруга модуляції (модуляція) – напруга керуючого електроду, що приводить до зміни яскравості чи струму пучка від рівня запирання до заданого значення.

Крутизна модуляційної характеристики: S = I_к / U_мод .

Коефіцієнт якості катоду – характеризує емісійну здатність катоду:

К= І_{к мах} (U_мод =0)/ U_зап ^3/2 .

Рис. Схема сіткової (а) та катодної (б) модуляцій: U_с – напруга сигналу; U_п – напруга на електроді прискорення.

При сітковій модуляції змінюється напруга між модулятором та катодом.

При катодній модуляції одночасно змінюється напруга між катодом та електродом прискорення на потенціал сигналу U_с, що приводить до збільшення крутизни модуляційної характеристики трубки, особливо в електронних прожекторах з малими потенціалами електроду прискорення.

Рис. Схема прожектора електронів тринітронного (планарного) типу.

Для трьох променів використовується загальна електронна оптична система. Використовується катодна модуляція електронного променя. Модулятор, електроди прискорення, перший та другий аноди є загальними для трьох променів.

Системи відхилення електронного пучка – забезпечують зміну траєкторій електронних пучків. Поділяються на електростатичні та магнітні.

Вимоги до систем відхилення:

• повинна мати як найбільшу чутливість до відхилення: більше відхилення при меншому відхиляючому факторі (потенціал відхилення або напруженість магнітного поля);

• повинна бути лінійною: відхилення променя пропорційне відхиляючому фактору у будь-якому місці;

повинна забезпечувати необхідний кут відхилення не впливаючи на фокусування променя.

Чутливість електростатичного та магнітного відхилення відповідно пропорційні 1/U_а та 1/, що означає меншу чутливість останньої до потенціалу останнього аноду (часто використовуються у високовольтних трубках).

Чутливість магнітної системи відхилення залежить від відношення заряду до маси частинок. Масивні іони будуть відхилятися менше ніж електрони що приводить до утворення на екрані іонної плями – індикатора руйнування люмінофору.

Індуктивність котушок магнітних систем обмежує швидкість зміни значень струму. Інерційність проявляється на частотах в декілька десятків кілогерц. Електростатична система відхилення використовується до сотень мегагерц.

Перевага магнітної системи у малих абераціях, що дозволяє в декілька разів збільшувати кути відхилення та зменшувати довжину трубки.

Електростатичні системи є більш економічними, мають невеликі габарити та масу. До недоліків відносять малі кути відхилення.

Люмінофор повинен мати наступні характеристики:

• високий ККД ;

• високу світлову віддачу;

• добре дегазовуватися;

• бути термічно стійким;

• стабільно зберігати свої властивості;

• мати достатній термін служби.

Люмінофор (катодолюмінофор) – речовина, що перетворює кінетичну енергію електронів у випромінювання видимого діапазону довжин хвиль. Процес даної трансформації енергії має назву катодолюмінісценції.

Люмінофор складається з основної речовини (основа), речовини активатора та слідів домішок плавенів.

В якості основи використовують: сульфіди; силікати; сульфід-селеніди; вольфрамати; фосфати; оксиди металів; фторіди; боріди та інш.

Сульфідні люмінофори мають гарну світловіддачу, але чутливі до забруднення.

Силікатні люмінофори мають хімічну та термічну стійкість та стійкі до електронного бомбардування. Світлова віддача нижча ніж у сульфідних люмінофорів.

Оксидні люмінофори мають високу стійкість до електронного бомбардування. Колір світла дуже залежить від характеру обробки.

Фторидні люмінофори мають найтриваліше післясвічення. Чутливі до електронного бомбардування.

В якості активаторів використовують: мідь; срібло; олово; марганець; титан; вісмут та інші метали і рідкоземельні елементи.

Концентрації активаторів від 0,01% до 1 %.

Кількість та хімічний склад активатора визначає світлову віддачу та час післясвічення.

Плавні – легкоплавкі речовини (типу КСl, MgCl₂), що додаються в шихту люмінофору для зменшення температури сплавлення люмінофору з активатором. Після кристалізації люмінофору плавні мають бути видалені з нього.

Характеристики люмінофорів екранів ЕПП.

Часом післясвічення зазвичай називають час, за який яскравість свічення В спадає до 1 % від початкового значення В₀. Люмінофори за часом післясвічення діляться на п'ять груп:

а) дуже коротке післясвічення (менше 10 мксек)

б) коротке післясвічення (10 мксек -- 0,01 сек)

в) середнє післясвічення (0,01 -- 0,1 сек)

г) тривале післясвічення (0,1 -- 16 сек)

д) дуже тривале післясвічення (більше 16 сек).

Яскравість свічення екрану (кд/м²) – сила світла, що випромінюється 1 м² екрану у напрямку перпендикулярному до поверхні. Залежить від люмінофорів та умов їх збудження. Визначається емпіричною формулою:

де j – густина струму (А /см²); U₀ -- потенціал, при якому зачинається свічення люмінофору; А -- стала, що характеризує люмінофор; показник ступеня т в робочому діапазоні напрузі має величину m=1 - 3.

Яскравість сучасних кінескопів складає 120-150 кд/м² .

Помноживши яскравість на площу отримуємо залежність сили світла від струму електронів та напруги прискорення останнього аноду:

Для характеристики ефективності люмінофорів по яскравості користуються параметром – світлова віддача люмінофору, що визначається як відношення сили світла у канделах до потужності електронного променя.

де I_ф -- сила світла плями, U _а -- потенціал останнього анода трубки.

Значення світлової віддачі сучасних екранів складає 0,14  10 кд/Вт.

Електронний мікроскоп – прилад для спостерігання та фотографування багаторазово збільшеного (до 10⁶ разів) зображення об’єкта за допомогою пучків електронів, прискорених до енергій 30-1000 кеВ і більше в умовах вакууму.

Розділяються на:

- просвічувальний електронний мікроскоп (ПЕМ);

- надвисоковольтний електронний мікроскоп (НВЕМ);

- растровий електронний мікроскоп (РЕМ);

- просвічувально – растровий електронний мікроскоп (ПРЕМ);

- скануючий тунельний (зондовий) мікроскоп (СТМ) або атомарно-силовий мікроскоп (АСМ).

Хід променів в електронному мікроскопі, призначеному для отримання зображення тонкого об'єкту в електронних променях такий же, як в аналогічному оптичному мікроскопі.

В оптичному мікроскопі контраст обумовлений різним поглинанням світлових променів в різних частинах об'єкту.

В електронному мікроскопі електрони в об'єкті не поглинаються, а розсіюються. Ділянки об'єкту з більшою щільністю або товщини розсіюють електрони сильніше і відхиляють їх на більший кут. Відмінність у ступені розсіяння електронів різними частинами об'єкту і використовується для формування контрастного зображення в електронній мікроскопії.

Якщо зображення виходить за допомогою електронних променів відхилених в об'єкті на малі кути, то воно називається світлопольним. Зображення може бути сформоване і за допомогою променів розсіяних на великі кути, а електрони з малими кутами відхилення до площини зображення за допомогою якихось пристосувань не пропускаються. В цьому випадку зображення називається темнопольним.

Основними характеристиками мікроскопа є збільшення і роздільна здатність.

Збільшення визначається спільним збільшенням об'єктиву і проекційної лінзи. Причому збільшення тим більше, чим менше фокусні відстані лінз.

Потенціалоскопи, напівтонові трубки або трубки пам'яті це прилади, що працюють в режимі перезарядного зчитування і застосовуються для накопичення та відтворення інформації.

У основі дії потенціалоскопа лежить накопичення електричних зарядів на поверхні мішені - потенціалоносія. Накопичений заряд розподіляється по мішені відповідно до записуваної інформації, і потім цей розподіл накопиченого заряду знову перетвориться у вихідний сигнал.

Таким чином, робота потенціалоскопа складається з двох операцій:

1. Запис інформації, тобто накопичення заряду на поверхні мішені;

2. Зчитування.

Запис - це процес створення на поверхні мішені потенційного рельєфу, що зберігається і відповідає інформації, що записується.

В результаті зчитування потенційний рельєф перетвориться у вихідний сигнал, що дає досить точні відомості про раніше записану інформацію.

Окрім запису і зчитування, в деяких типах потенціалоскопів є третя, допоміжна операція - стирання, при якій знищується потенційний рельєф, що буває необхідно для підготовки потенціалоскопа до запису нової інформації.

Інформація, що підлягає запису, вводиться у потенціалоскоп у вигляді послідовності електричних імпульсів або шляхом проектування на фоточутливу мішень оптичного зображення.

Зчитана інформація зазвичай виводиться з потенціалоскопа у вигляді послідовності електричних імпульсів. Іноді зчитана інформація перетвориться у видиме зображення, що розглядається на екрані.

Час збереження записаної інформації може змінюватися в широких межах - від часток секунди до декількох годин і навіть днів, а кількість зчитування - від одного до десятків і сотень тисяч. В деяких випадках записана інформація зберігається досить тривалий час завдяки високій ізоляції мішені, іноді для збільшенні часу збереження записаних сигналів застосовується спеціальний електронний промінь, фіксуючий (підтримуючий) потенційний рельєф.

При розгортці поверхні непровідної мішені пучком електронів потенціал елементів мішені може набувати різних рівноважних значень залежно від енергії електронів, бомбардуючих поверхню мішені. Потенціал поверхні діелектрика може істотно змінюватися і відрізнятися від потенціалу електронного прожектора із-за вторинної електронної емісії, дія якої буде залежати і від потенціалу сигнальної пластини в момент комутації електронним променем.

Таким чином, енергія електронів, що підлітають до мішені, залежить від прискорюючої напруги прожектора, напруги колектора, якщо вона відрізняється від прискорюючої напруги та потенціалу мішені.

Колектор встановлюється поблизу мішені для відбору вторинних електронів, що виходять з мішені.

Утворення потенціального рельєфу (розподілу зарядів) на мішені, що відповідає первинній інформації можливо лише тоді, коли потенціал усіх елементів мішені перед записом будуть мати однакові значення.

При достатньому І₁t та опроміненні елементів мішені в режимі повільних електронів U_м= U_к , при роботі в режимі швидких електронів U_м= U_кол.

У потенціалоскопі використовуються наступні способи запису: - рівноважна;

-- бістабільна;

-- нерівноважна;

-- запис збудженої провідності.

Порівняно рідко в потенціалоскопах застосовується запис перерозподілом зарядів, використовувана в передавальних телевізійних трубках.