книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

ных лучей. Так, углы входа в линзу параксиальных лучей от то­ чек объекта, расположенных на различных расстояниях от оси, по мере удаления этих точек от оси будут увеличиваться. В резуль­ тате линза отклонит их сильнее и они сфокусируются ближе эк­ рана. Меридиальные лучи, входящие в линзу под большими угла­ ми, сфокусируются ближе к ней, чем сагитальные, и в этой плоско­ сти вместо точки появится прямая, созданная несфокусированны­ ми электронами сагитальной плоскости. Электроны, летящие в

сагитальной плоскости, фокусируются несколько дальше. В целом же элек­ тронный пучок нигде не сходится в точку, а на экране образуется пятно

ввиде эллипса, который вырождается

впрямые при фокусировке сагитальных или меридиальных электронов.

Дисторсия проявляется в искаже­

250

ны образования фокусирующей силы разложим напряженность магнитного поля Н на радиальную Нти осевую ЕЕ составляющие. Их изменение вдоль оси z показано на рис. 4.86. Скорость элекгрома, влетающего в точку А (рис. 4.8Ö), имеет осевую ѵг и ра­ диальную ѵг составляющие. Поскольку угол ф между осью z и век­ тором скорости V электронов мал (электроны параксиальны) из-за наличия ограничивающих диафрагм у модулятора и первого ано­ да, иг< Д . На электрон, влетающий в магнитное поле, действует сила Лоренца в плоскости, перпендикулярной векторам скоростиэлектронов и напряженности магнитного поля:

Fe =q{v,Hr +vrHt).

Эта сила «закручивает» электрон вокруг оси прибора, придавая ему скорость ѵв , изменение которой по оси z показано на рис.

4.8е. Составляющей q<uTHz силы из-за малости ѵ,- в дальнейшем пренебрегаем. При вращении со скоростью ие электрон взаимо­

действует с Нг, что создает фокусирующую силу F^ = qvQHz, на­

правленную к оси. Ее величина меняется вдоль оси г, как показа­ но на рис. 4.8г, поэтому электрон приобретает составляющую ско­ рости Ѵф, направленную к оси, под действием которой он пересе­ кает ось на некотором расстоянии от фокусирующей системы.

Предположим, что поле за пределами катушки отсутствует. Скорость ог постоянна, поэтому сила F ѳ будет меняться по тому же

закону, что и Нг. Под действием силы Еѳ электрон начнет вра­ щаться со все увеличивающейся скоростью и ѳ. Но в середине ка­ тушки сила изменит свой знак, в результате чего электрон за­

медлит вращательное движение и покинет поле катушки, не имея вращательной скорости, т. е. электроны, влетающие в фокусирую­ щее поле в одной плоскости, покинут его в другой плоскости. Угол между плоскостями определяется как

Сила Рф заставляет фокусироваться электроны. Фокусное рас­ стояние / рассмотренной линзы находится из выражения

массы фокусируемых частиц и всегда положительна. Это означает, что магнитные линзы всегда обладают собирательными свойства­ ми, а их фокусное расстояние меняется при регулировке напря­ женности поля Н путем изменения тока, протекающего в фокуси­ рующей катушке. Конструкция и линии поля четырех типов фоку-

251

сирующих катушек показаны на рис. 4.9. Оптимальной является конструкция катушки, изображенной на рис. 4.9е, так как ее поле наименее влияет на работу отклоняющей системы.

поля предположим, что электрон, имеющий скорость ѵ, влетает под углом ф в однородное магнитное поле Hz (рис. 4.10а). Скорость и разложим на осевую щ и радиальную ѵтсоставляющие. Под дей­

:252

ствием радиальной скорости электрон будет вращаться по окруж­ ности радиусом R = mv sin cpjqti в плоскости, перпендикулярной осп г. Период его вращения не зависит от радиуса этой окружно­ сти и равен T=ünR/vr=Qnm/qH. За время Т электрон под дейст­ вием осевой составляющей скорости переместится на расстояние

Сравнение систем магнитной и электростатической фокусировки показывает, что с помощью магнитной линзы можно при прочих равных условиях получить меньший диаметр пятна (особенно при больших плотностях тока), чем с помощью электро­ статической. Магнитные линзы для ионов (источником отрицатель­ ных ионов в основном является оксидный катод) и электронов име­ ют разные фокусные расстояния, так как масса иона больше мас­ сы электрона. Поэтому, если фокусированы электроны, то ионы не будут сфокусированы и утомление экрана *) за счет хаотической •бомбардировки его ионами будет слабым. Для магнитной фокуси­ ровки не требуется высоких напряжений, питающих фокусирующие катушки. К недостаткам магнитной фокусировки можно отнести большие габариты и вес фокусирующей катушки, а также потреб­ ление ею энергии. Иногда для фокусировки применяют постоянные магниты кольцеобразной формы. Энергия на фокусировку при этом не затрачивается. Однако в этом случае требуются механиче­ ские устройства, шунтирующие или перемещающие магнит. Маг­ нитная фокусировка сейчас в основном применяется в большинстве локационных трубок, так как обеспечивает большую четкость изо­ бражения.

К достоинствам систем электростатической фокусировки следу­ ет отнести малые габариты и вес фокусирующей системы, а также то, что она почти не потребляет энергии. Недостатком же электро­ статической фокусировки является несколько больший диаметр пятна на экране. Следует заметить, что при электростатической фо-

‘) См. с. 260.

253

кусировке фокусируются как электроны, так и ионы. При магнит­ ном отклонении, слабо отклоняющем ионы, это может привести к быстрому выгоранию экрана в центре трубки. Электростатические линзы совершенствуются, и электростатическая фокусировка, ранее применявшаяся исключительно в осциллографических трубках, ис­ пользуется в современных кинескопах.

4.3. СИСТЕМЫ ОТКЛОНЕНИЯ

Электростатическое отклонение

Электростатическое отклонение наиболее просто осу­ ществляется поперечным и однородным полем плоскопараллель­ ных пластин (рис. 4.Ы), на которые подается отклоняющее напря­ жение. Пусть на нижнюю пласти­

Исключая из последнего уравнения время, получим параболу, ото­ бражающую траекторию движения электрона в поле пластин:

У

2т

Дифференцируя это выражение по г и принимая z = a, находим угол, под которым электрон покинет поле отклоняющих пластин и далее будет перемещаться по касательной к параболе:

Касательная пересекает ось в центре отклоняющих пластин на расстоянии а/2 от края. Как видно из рис. 4.11, перемещение пятна на экране (если он плоский) определяется выражением

254

Подставляя в (4.4) выражения v \ = 2qUa2/m, Ey=Uld, получаем

h = aU ■L.

2 dU»

Чувствительность по отклонению yE определяет эффективность от­ клоняющих систем и измеряется расстоянием (в миллиметрах), на

.которое переместится пятно при подаче на от­ клоняющие пластины напряжения 4 В:

гнутые отклоняющие пластины. Чаще всего используют однократ­

При тех же размерахаПар= (а\. + сіг), d nap = d 2 и прочих равных условиях чувствительность этой системы приблизительно в 1,8 раза больше, чем плоскопараллельной.

Наиболее высокой чувствительностью (приблизительно в два раза большей, чем плоскопараллельная) обладает система (рис. 4.12е), форма отклоняющих пластин которой совпадает с траекто­ рией электрона в отклоняющем поле. Расчет и конструктирование

255

таких систем сложны, а практическим выигрыш в чувствительности по сравнению с однократно отогнутыми пластинами порядка 10%, поэтому они широкого распространения не получили.

Две пары взаимно перпендикулярных отклоняющих систем (рис. 4.13), применяемые в электронно-лучевых трубках, позволяют получить изображение любой формы. Электронный пучок, проходя первую пару пластин «у» (первой обычно считают пару пластин, расположенных ближе к катоду: их называют нижними), откло­ няется в вертикальной плоскости (ось у). Вторая же пара пластин «х» отклоняет его в горизонтальной плоскости (ось х). Для созда­ ния изображения на экране трубки, например телевизионного ра­ стра, на пластины х подают пилообразное напряжение низкой ча­ стоты Д медленно перемещающее луч сверху вниз по экрану. Од­ новременно на пластины у подают пилообразное напряжение ча­ стоты Д, в п раз более высокой, чем Д. Под действием этого напря­ жения луч быстро перемещается слева направо по экрану, одно­

временно смещаясь вниз под дейст­ вием поля пластин «х». Принимая форму развертывающих напряже­ ний идеально пилообразной и питая пластины симметричным напряже­ нием, получаем растр, показанный на рис. 4.13.

При отклонении пучка возможны следующие искажения: рас­ фокусировка пятна и искажение формы получаемых изображений.

Расфокусировка пятна связана с конечным сечением пучка. Пу­ чок в области отклоняющих пластин имеет сечение, показанное на рис. 4Л4. При отсутствии отклоняющего поля потенциал в области отклоняющих пластин постоянен и равен потенциалу второго ано­ да, что достигается симметричным питанием пластин (рис. 4.11). В этом случае все электроны в области пластин имеют одну и ту же скорость и фокусируются в пятно в центре экрана. При подаче отклоняющего напряжения потенциал будет расти от оси до верх­ ней отклоняющей пластины, что приведет к увеличению скорости пролетающих вблизи нее электронов и уменьшению для них чувст­ вительности по отклонению. Чувствительность по отклонению элек­ тронов, пролетающих вблизи нижней пластины, бкажется большей из-за их меньшей скорости, обусловленной меньшим потенциалом

256

пространства. Поэтому в плоскости отклонения электроны пересе­ кутся перед экраном и пятно приобретет вид эллипса.

Поле рассеяния отклоняющих пластин создает цилиндрическую линзу, усиливающую этот эффект. Форма пятна имеет такой же вид, как и при астигматизме, поэтому рассмотренное явление на­ зывается астигматизмом отклонения. Искажения пятна будут но­ сить более сложный характер, если поля рассеяния пластин взаим­ но перекрываются.

Астигматизм отклонения можно уменьшить, меняя оптическую силу цилиндрических линз, создаваемых полями рассеяния. Для этого изменяют средний потенциал отклоняющих систем относи­ тельно потенциала второго анода. Минимальный диаметр пятна получается при определенном соотношении потенциала второго анода и средних потенциалов отклоняющих пластин. Значения этих потенциалов для одного из типов трубок указаны на рис. 4.15. Из

па экране

графиков видно, что для получения минимального диаметра пятна достаточно менять средний потенциал только одной пары откло­ няющих пластин. Однако технически удобнее менять потенциал второго анода относительно среднего потенциала отклоняющих пластин. Расфокусировка за счет краевых полей будет наиболь­ шей, если применяется несимметричное питание пластин отклоня­ ющим напряжением, как показано на рис. 4.16.

Искажение формы исследуемого сигнала при несимметричном питании оказывается большим, чем при симметричном, так как средний потенциал отклоняющей системы зависит от приложенно­ го отклоняющего напряжения и равен Uaz+Lll2. Это' приводит к тому, что при положительном отклоняющем напряжении чувстви­

ного напряжения луч перемещается по экрану с неравномерной’ скоростью, и искажается масштаб времени (рис. 4Л7а). Исследу­ емое симметричное напряжение также будет искажено: положи-

В трубках, горловина которых покрыта аквадагом — графитовой эмульсией, имею­ щей потенциал второго анода, силовые линии поля могут частично

замыкаться на аквадаг (рис. 4.166), что является дополнительной причиной образования трапецеидальных искажений. Поле у краев пластин сильно искажается и имеет составляющую Еѵ, которая от­ клоняет электрон в том же направлении, что и предыдущая пара пластин. Поэтому чувствительность пластин «у» оказывается боль­ шей, если пластина, не соединенная со вторым анодом, имеет отри­ цательный потенциал. При положительном потенциале отклоняю­ щей пластины чувствительность пластин «у» уменьшается. Таким образом, если необходимо питать несимметричным напряжением только одну пару отклоняющих пластин, то такой парой должна быть нижняя. Это уменьшит трапецеидальные искажения.

Магнитное отклонение

Магнитное отклонение электронного луча осуществ­ ляется взаимно перпендикулярными магнитными полями, создава- е'мымигтдвумя парами отклоняющих катушек при протекании, по ним тока, как схематично изображено на рис. 4.18а. Горизонталь­ ные катушки ГГ отклоняют луч в горизонтальной плоскости, а вер­ тикальные ВВ — в вертикальной. Рассчитаем приближенно ве­ личину отклонения, считая, что поперечное и однородное отклоня­ ющее поле сосредоточено на длине а отклоняющих катушек (рис. 4.1-86)..' Под действием ускоряющего поля анода электроны, вле­ тающие в отклоняющее поле напряженностью Я со скоростью ѵ=

2S8

нитном отклонении чувствительность зависит от массы частиц. По­ этому электроны іи іиоіны отклоняются .на разный угол. Ионы/ как более тяжелые частицы, отклоняются слабее и бомбардируют центр экрана, постепенно вызывая его выгорание. В результате яр­ кость свечения экрана в центре со временем уменьшится, что при­ ведет к появлению так называемого ионного пятна.

При магнитном отклонении чувствительность меньше зависит от ускоряющего напряжения £/аг, чем при электростатическом, так как с увеличением скорости электронов увеличивается отклоняю­ щая сила. Следует отметить, что при больших углах отклонения величина последнего возрастет быстрее, чем увеличивается напря­ женность поля. Это приведет к тому, что по краям изображение будет растянуто, а в центре сжато.

Если экран трубки — выпуклый с радиусом, равным L (рис. 4.186), то наблюдаемое изображение, являющееся проекцией точки h' на ось z пропорционально sin Ѳ, т. е. искажений не будет. Однако сильная выпуклость экрана неприятна для наблюдателя. Поэтому в реальных трубках выпуклость экрана уменьшают, а для компен­ сации искажений при больших углах отклонения приходится увели­ чивать ток в меньшее число раз, чем при малом угле отклонения; форма же отклоняющего тока должна быть 5-образной.