2072

К

Н

А1 А2

А1 А2

б

Рис. 11.1. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ): а – конструкция: 1 – катод; Н – вывод нити накала; 2 – управляющий электрод (модулятор); 3 – аноды; 4 – отклоняющие пластины; 5 – аквадаг;

6– люминесцирующий экран; 7 – баллон; б – условно-графическое

ипозиционное обозначения ЭЛТ в схемах

Аноды представляют собой полые цилиндры. Электронный луч проходит сквозь отверстия в торцах цилиндров. Они имеют разные диаметры и разные положительные относительно катода потенциалы: первый анод А1

– 300–1 000 В, второй анод А2 – 1 000–5 000 В и более. Размеры цилиндров анодов и их потенциалы подобраны так, что электрическое поле между ними имеет специфическую конфигурацию и фокусирует пучок электронов, летящих с большой скоростью, в узкий сходящийся луч (рис. 11.2, а). Фокусирующее действие обусловлено тем, что на электрон в неоднородном электрическом поле действует кулоновская сила, направленная по касательной к силовой линии поля (см. п. 2.1).

На рис. 11.2, б траектория движения электрона показана прерывистой линией, а силовая линия – сплошной. В точке М на электрон действует ускоряющая горизонтальная линия Fг и вертикальная Fв, направленная к оси. Результирующая сила направлена в сторону отверстия в аноде А2. В точке N на электрон, перемещающийся уже с большей скоростью, действуют также две составляющих силы, но вертикальная сила действуют в меньшей степени, так как скорость электронов велика. В результате осуществляется фокусировка луча.

131

б

Рис. 11.2. Система электростатической фокусировки электронного луча (а) и фокусирующее электрическое поле между анодами (б); Fг и Fв – горизонтальные и вертикальные составляющие сил, действующих на электроны в точках M и N

Экран трубки 6 покрыт специальным веществом – люминофором, светящимся под действием электронного луча. Яркость, длительность и цвет свечения экрана зависят от скорости и количества электронов в пучке, а также от вещества люминофора. С течением времени способность экрана светиться уменьшается. Это явление называют утомляемостью экрана. При соударении электронов с люминофором происходит их торможение, в результате часть энергии рассеивается в виде света, часть поглощается веществом и идет на нагрев, а часть энергии затрачивается на вторичную эмиссию электронов. Вторичные электроны улавливаются аквадагом 5, представляющим слой графита, нанесенный на внутреннюю стенку колбы (см. рис. 11.1, а). Аквадаг соединяется со вторым анодом. Кроме того, аквадаг защищает электронный луч от воздействия внешних электрических полей, т.е. служит электростатическим экраном.

Электростатическая отклоняющая система 4 состоит их двух плоскопараллельных пар пластин (см. рис. 11.1, а). Первая пара пластин установлена горизонтально и называется вертикально отклоняющей, вторая пара пластин устанавливается вертикально и называется горизонтально откло-

132

няющей. При подаче на пластины напряжения создается электрическое поле, которое отклоняет электроны как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Если на вертикально отклоняющие пластины подать переменное напряжение, а на горизонтально отклоняющие ничего не подавать (соединить их с землей), то луч будет непрерывно перемещаться сверху вниз и наоборот, прочерчивая вертикальную линию. Если теперь и на горизонтально отклоняющие пластины подать линейно изменяющееся во времени напряжение, то луч изобразит на экране кривую, соответствующую изменениям мгновенного значения переменного напряжения, действующего на вертикально отклоняющих пластинах. В этом заключается принцип получения изображения электрических сигналов на экране осциллографической ЭЛТ. Этот процесс иначе называют разверткой изображения. ЭЛТ позволяют наблюдать быстро изменяющиеся сигналы, так как электроны обладают ничтожно малой массой.

Чтобы кривые периодически повторялись на экране и оставалось впечатление неподвижного графика, луч необходимо возвращать в исходное положение к началу каждого следующего периода исследуемого сигнала. При этом, когда луч движется в начало развертки, на управляющий электрод нужно подавать запирающий импульс, который гасит экран при обратном ходе луча (рис. 11.3).

11.2. Электронно-лучевая трубка с магнитным управлением лучом

Ранее было показано (см. п. 2.3), что при движении электрона под углом к силовым линиям магнитного поля на него действует сила Лоренца F eVBsin , направленная перпендикулярно плоскости, образованной векторами V и B. В результате электроны при своем движении как бы «закручиваются» вокруг силовой линии и движутся по спирали. Это явление используется для фокусировки и отклонения электронного луча в ЭЛТ

смагнитным управлением (рис. 11.4, а).

Втаких ЭЛТ первый анод не фокусирует луч. Его напряжение относительно катода К невелико и составляет несколько сотен вольт. Первый анод А1 выполняет роль экрана от воздействия на управляющий электрод УЭ сильного ускоряющего поля анода А2 (аквадага), напряжение которого относительно катода составляет 4 000 – 20 000 В.

Фокусировка луча осуществляется магнитным полем фокусирующей катушки ФК. Она имеет цилиндрическую форму и надевается на горловину трубки. Через нее проходит постоянный ток, и внутри трубки создается продольное магнитное поле, силовые линии которого в центральной части катушки ФК идут вдоль оси трубки. Магнитное поле ФК называют магнитной линзой.

133

Цоколь МОС

Рис. 11.4. Устройство ЭЛТ с магнитным управлением лучом (а) и расположение отклоняющих катушек (б): ФК – фокусирующая катушка; ХХ – отклонение луча по горизонтали; YY – отклонение луча по вертикали; баллон кинескопа (в) и образование растра на его экране (г); МОС – магнитная отклоняющая система

В результате поле катушки XX отклоняет луч по горизонтали, а поле катушки YY – по вертикали. Управление положением луча на экране осуществляется изменением тока в этих катушках.

11.3. Кинескопы. Принцип получения на экране кинескопа оптического изображения

К ЭЛТ с магнитным отклонением луча относятся кинескопы, предназначенные для получения телевизионного изображения на экране с помощью электронного луча. Для получения телевизионного изображения развертка лучше должна осуществляться как по горизонтали, так и по вертикали линейно изменяющимися во времени токами в катушках ХХ и YY.

При питании отклоняющих катушек токами пилообразной формы на экране образуется растр: под действием горизонтально отклоняющих катушек луч прочерчивает горизонтальные строки, а вертикально отклоняющие катушки обеспечивают смещение строк по вертикали. Обратный

135

ход луча при прочерчивании каждой строки гасится путем подачи импульса напряжения соответствующей полярности на управляющий электрод. Таким образом, образуется кадр, состоящий из определенного числа строк

(рис. 11.4, г)

Число строк в отечественном телевидении – 625, число кадров в секунду – 25 (система «SECAM»). Для получения черно-белого изображения в кадре необходимо соответствующим образом модулировать яркость луча так называемым телевизионным сигналом. В цветном телевидении в кинескопе используют три электронных луча. Следовательно, для получения цветного кадра надо модулировать яркость трех лучей, обеспечивающих засвечивание зерен люминофора красного, зеленого и синего цветов. Фокусировка лучей в кинескопах осуществляется электрическим полем из-за необходимости облегчения конструкции.

К кинескопам предъявляют специфические требования:

– размеры пятна не должны изменяться при перемещении его по экра-

ну;

– яркость пятна должна быть очень высокой.

Это достигается за счет усложнения прожектора. С целью получения достаточной яркости и малого размера пятна применяют высокое напряжение (около 20 кВ). Кроме того, с целью увеличения срока службы и исключения темного пятна в центре экрана, образующегося в ЭЛТ за счет бомбардировки экрана отрицательными ионами, частично остающимися в трубке после откачки газа, в конструкции прожектора кинескопа применяют ионные ловушки. Их действие основано на том, что магнитное поле отклоняет электроны и ионы на разные углы. Из-за большой массы и малой скорости ионов угол отклонения их много меньше, чем у электронов. В результате ионы задерживаются в ловушке и не попадают на экран.

Простейшей ловушкой служит постоянный магнит, закрепленный на горловине трубки вблизи прожектора. Он создает поперечное магнитное поле у входа в ускоряющий электрод.

Конструкция прожектора показана на рис. 11.5. Телевизионный сигнал подается относительно катода на модулирующий электрод и управляет яркостью луча, создающего изображение на экране кинескопа. Между модулятором и ускоряющим анодом расположен экран Э (диск с отверстием), на который подают напряжение относительно катода порядка 250 В. Он устраняет влияние анодного напряжения на характеристику модулятора.

Зависимость тока в луче Iл от напряжения на модуляторе Uм при Ua2 =const называют модуляционной характеристикой (рис. 11.6). Ток луча и яркость свечения экрана в рабочем режиме линейно зависят от напряжения на модуляторе.

136

Принцип получения цветного изображения на экране кинескопа. Особенности конструкции кинескопа цветного изображения

Создание цветного изображения, как и цветное зрение, основано на том, что любой цвет можно получить при смешивании в определенных пропорциях трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

ПМП

М Э К

Н

Рис. 11.5. Конструкция электронного прожектора с дополнительными электродами и ионной ловушкой: ИП – ионный пучок; ПМП – поперечное магнитное поле, создаваемое внешним встроенным магнитом; М – модулятор; К – катод; Э – дополнительный электрод-экран; АУ – ускоряющий электрод в виде изогнутого цилиндра, связанный с анодом А2; А1 – фокусирующий анод

прожектора, каждый из которых дает свой луч, попадающий через отверстия в маске только на точки

одного цвета: от первого прожектора – на точки с красным свечением, от

137

второго – с зеленым, от третьего – с синим; если работает только один из этих прожекторов, то получается одноцветное изображение.

Маска

Триады зерен

люминофоров

1

Рис. 11.7. Принцип получения цветного изображения на экране цветного кинескопа: 1, 2, 3 – электронные лучи прожекторов; 1’, 2’, 3’ – зерна триады люминофоров соответственно красного, зеленого и синего цветов

Все три прожектора, работая одновременно, дают три луча, каждый из которых вызывает свечение своих точек люминофора. Интенсивностью потока электронов в каждом луче управляет телевизионный сигнал, соответствующий данному цвету и поданный в виде импульса напряжения на управляющий электрод того или иного прожектора. В результате смешивания свечения триад и перемещения луча по строкам на экране получается цветное изображение.

Маска может быть щелевого типа, но принцип получения цветного изображения остается тем же.

11.4. Передающие телевизионные электронно-лучевые трубки

Передающая ЭЛТ – это ЭВ прибор, преобразующий оптическое изображение, проектируемое на трубку, в последовательность электрических импульсов – видеосигнал. В системе телевидения видеосигнал в конечном счете передается на управляющий электрод (модулятор) кинескопа.

Передающая трубка преобразует энергию светового потока, отраженного от объекта и попадающего на фоточувствительную поверхность, в электрическую энергию. Яркость отдельных элементов изображения различна. При последовательном преобразовании яркости каждого элемента в

138

электрический сигнал вначале получают электрическую «картину» изображения, а затем построчно сканируют ее электронным лучом. Таким образом, передающая трубка должна содержать фотоэлектронный преобразователь (экран) и систему сканирования.

На рис. 11.8 приведено схематическое устройство трубки для чернобелого телевидения. В торцевой части баллона расположен фоточувствительный экран. Он представляет собой слюдяную пластину 10, на которую с одной стороны нанесено множество изолированных друг от друга зерен фоточувствительного серебра 9, а с другой стороны – металлическое покрытие 11 с выводом наружу трубки. С этого вывода снимают электрический видеосигнал.

3 2 1

9 10 11 12

13

4 5

Рис. 11.8. Схематическое устройство передающей телевизионной трубки (а) и разрез мозаичного фотокатода (б): 1 – баллон; 2 – мозаичный фотокатод; 3 – анод, нанесенный в виде ленты на внутреннюю поверхность баллона; 4 – объект; 5 – объектив; 6 – электронный прожектор; 7 – магнитная отклоняющая система; 8 – сканирующий электронный луч; 9 – элементы мозаики; 10 – тонкий лист слюды; 11 – сигнальная

проводящая пластина; 12 – опорная диэлектрическая пластина; 13 – прозрачное окно для ввода изображения на фотокатод

Каждое из нескольких миллионов зерен 9 образует с металлическим покрытием 11 микроконденсатор. При проектировании на экран 2, который называют мозаичным фотокатодом или просто мозаикой, изображения 4 через объектив 5 и прозрачное окно 13 отдельные зерна 9 испускают электроны в результате фотоэмиссии.

Количество электронов, испускаемых каждым зерном под действием света, пропорционально интенсивности светового потока, падающего на данное зерно. Электроны, выбиваемые под действием света с фотокатода, уходят на анод 3. Поэтому элемент мозаики, с которого ушли электроны, заряжается положительно. Величины зарядов отдельных элементов мозаи-

139

ки пропорциональны освещенности соответствующих элементов оптического изображения объекта. Так создается электрическое «изображение» объекта на мозаике фотокатода.

Дальнейшее преобразование осуществляют путем считывания этого «изображения» электронным лучом 8. Пробегая по строчкам мозаику, луч поочередно нейтрализует положительные заряды элементов мозаики своими электронами. Поскольку каждый элемент мозаики соединен через элементарный конденсатор с сигнальной пластиной 11, то через конденсатор будет протекать импульс разрядного тока, величина которого пропорциональна освещенности элемента мозаики.

Электрический ток здесь протекает по замкнутому пути: заземленный катод К – электронный луч – обкладка микроконденсатора, на которую падает луч, – слюда – сигнальная пластина 11 – нагрузочный резистор с сопротивлением Rн – земля. В процессе сканирования электронным лучом фотокатода на резисторе образуется видеосигнал в виде последовательности импульсов напряжения.

Управление лучом осуществляют с помощью магнитной отклоняющей системы 7. Анод 3 создают путем нанесения тонкого металлического слоя на внутреннюю поверхность баллона. Фокусировка луча осуществляется электростатическим способом.

В современных передающих трубках конструкции и процессы сложнее. Усовершенствование этих приборов происходит непрерывно. В настоящее время появляются передающие телевизионные устройства на основе безвакуумных трубок с фотоэлектронными полупроводниковыми преобразователями.

11.5. Электровакуумные фотоэлектронные приборы

Фотоэлектронным называют электронный прибор, предназначенный для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию.

Эти приборы подразделяют на электровакуумные и полупроводниковые. Для понимания принципа действия и характеристик фотоэлектронных приборов рассмотрим физическую сущность явлений, связанных с фотоэффектом, и основные законы фотоэлектронной эмиссии.

Виды фотоэффекта. Фотоэлектронная эмиссия

Влияние света на электрические свойства вещества называют фотоэффектом. Различают внутренний и внешний фотоэффекты. Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия – это испускание электронов с поверхности твердого тела под действием падающего на него света. В приборах электрод с сильно выраженным внешним фотоэффектом называют фо-

140