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

Отклоняющие катушки могут изготавливаться с внутренним (4.19а) и внешним (рис. 4.196) магнитопроводами. В первом слу­ чае поля катушек складываются параллельно, во втором — после­ довательно. Достоинством катушек с внутренним магнитопроводом является малая средняя длина витка, что уменьшает омиче-

Рис. 4.19. Конструкции отклоняющих катушек:

а) с внутренним магнитопроводом; б) с внешним магнитопроводом

екие потери. Как недостатком можно отметить большое поле рас­ сеяния вне горловины трубки.

Для получения более эффективной отклоняющей системы необ-

260

ходимо уменьшить расстояние между катушками, т. е. диаметр горловины трубки. При этом увеличится напряженность поля, а •следовательно, и угол отклонения. В результате электронный луч может попасть на стенку колбы (рис. 4.20а) и будет светиться только часть экрана. Для устранения указанного недостатка необ­ ходимо уменьшить длину а отклоняющей системы, что связано с уменьшением ее эффективности. Поэтому в трубках с большим углом отклонения приходится катушки частично выдвигать на колбу трубки. Типичная отклоняющая система для таких трубок

.показана на рис. 4.206.

Для борьбы с ионным пятном применяют ионные ловушки. Их принцип действия основан на различном влиянии магнитного и электрического полей на заряженные частицы. Конструкции ион­ ных ловушек могут быть различными. Для конструкции с изло­ манным прожектором (рис. 4.21а) в месте излома создают внеш­ ним магнитом слабое магнитное поле, которое подбирают так, что траектории электронов проходят в отверстие диафрагмы. Ионы, как более тяжелые частицы, этим полем практические ие отклоня­ ются и задерживаются диафрагмой. Аналогично работают и другие конструкции ионных ловушек (рис. 4.216, в).

Сравнительная оценка систем электростатического'

имагнитного отклонения луча

Кдостоинствам системы электростатического отклоне­

ния луча следует отнести малую инерционность, а следовательно,

пряжения и малый предельный угол отклонения, что приводит к не­ обходимости удлинения трубки при том же диаметре экрана по сравнению с трубкой с магнитной системой отклонения. На рис. 4.22 показано изменение длины трубки для разных углов отклоне­ ния. К недостаткам электростатической системы отклонения сле­ дует также отнести разные чувствительности вертикальной и гори-

261

зонтальной пар отклоняющих систем из-за различного расстояния от них до экрана и большую расфокусировку пятна на краях эк­ рана, чем при магнитном отклонении.

Основное достоинство магнитной системы отклонения заклю­ чается в том, что ее чувствительность слабее зависит от ускоряю­

уменьшить длину трубки (рис. 4.22), а следовательно, и ее вес. Существенным недостатком магнитных систем отклонения яв­

ляется потребление значительной мощности от источников сигнала, расходуемой на омическом сопротивлении катушек и затрачивае­ мой на создание отклоняющего поля. 'Предположим, что в области отклонения имеются одинаковые запасы энергии как электрическо­ го, так и магнитного полей, т. е. eoEz/Q=B2/\.i02. В этом случае от­

сти электронов). С учетом предыдущего равенства найдем: ум/уЕ=

= У баро Vz— vjc. Если ускоряющее поле второго анода не более 20 кіВ, то отношение уУ уе не превышает 0,2, поскольку ѵг значи­ тельно меньше скорости света с, т. е. отклонение электрическим по­ лем в несколько раз больше, чем магнитным.

Таким образом, отдать предпочтение какому-то одному способу отклонения не представляется возможным. В одних случаях выгод­ нее применять электростатическое отклонение, в других — магнит­ ное. Например, в осциллографических трубках целесообразнее применять электростатическое отклонение из-за его лучших частот­ ных свойств. В кинескопах же используют магнитное отклонение, поскольку его частотные свойства особого значения здесь не име­ ют, а основную роль играют габариты трубки и качество изобра­ жения по всей площади экрана.

4.4. ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИЕ ЭКРАНЫ Общие требования. Катодолюминесценция

У большого класса электронно-лучевых приборов при­ емником электронов служит люминесцирующий экран, светящийся под действием электронного потока. Экран выполняют из вещест­ ва, называемого к атодолюминофор-ом или фосфором, который нано­ сят тонким слоем на дно колбы трубки. Многие вещества обладают катодолюми'неаценіцией, но для практинеокоіго использования под­ ходят только те, которые удовлетворяют следующим условиям:

—достаточная яркость свечения;

—относительно .высокий коэффициент полезного действия по­

рядка 3-4-10%;

— определенный состав спектра излучения;-

262

—заданное время послесвечения;

—стойкость к высоким температурам;

—отсутствие выделения паров или газов, которые могут нару­

шить вакуум в трубке;і

— коэффициент вторичной эмиссии, большей единицы.

В трубках с фотокатодом люминофор не должен отравляться парами щелочных металлов, которые используются при изготовле­ нии фотокатодов.

■Этими свойствами обладают сульфиды, силикаты, вольфраматы. Наиболее широко при изготовлении экранов применяют сульфид цинка, інокуюственный :виллѳмит Zn2Si04 и вольфрамат кальция CaW04 с добавками различных металлов, которые увеличивают яр­ кость и меняют-цвет свечения люминофора.

Строгой количественной теории катодолюминесценции нет. При ускоряющем напряжении, порядка нескольких киловольт мощность падающего электронного пучка составляет ІО-15 Дж, а энергия кванта видимого света — 5 -ІО-19 Дж. Предполагают, что электрон в процессе движения передает энергию атомам люминофора и воз­ буждает их, а также выбивает вторичные электроны, которые тоже возбуждают атомы люминофора.

Характеристика и параметры экранов

Яркость свечения —■сила света, испускаемая пло­ щадью экрана 1 м2 в направлении, перпендикулярном к его поверх­ ности. Яркость измеряется в канделах на квадратный метр. Опыт­ ным путем установлено, что яркость свечения экрана определяется формулой

торый приблизительно равен потенциалу ускоряющего электрода ■Ua2; -Uо — потенциал возникновения свечения; А — постоянная, ха­ рактеризующая данный люминофор; п — показатель степени, за­ висящий от люминофора и лежащий в пределах l-f-3. Чаще всего

л = 2.

Формула (4.6) справедлива вплоть до очень высоких ускоряю­ щих напряжений, что видно из рис. 4.23а. С увеличением плотно­ сти тока яркость вначале растет пропорционально ей, затем линей­ ность нарушается, и при токах порядка 3—4 мА/см2 рост яркости прекращается, а люминофор из-за перегрева разрушается. Крити­ ческая плотность тока, при которой нарушается линейность, зави­ сит от типа люминофора и лежит в пределах 0,01-h0,l мА/см2 За­ висимость яркости, от плотности тока приведена на рис.4.23б.

Сила света J, излучаемого экраном, определяется произведени­ ем яркости свечения В на площадь светящегося пятна d. Умножим лравую и левую часть приведенной выше ф-лы (4,6) на площадь

263

светящегося пятна и будем считать, что U0<^U^, а U ^ U a2, тогда получим:

Здесь А световая отдачд экрана, измеряемая как количество света в канделах на 1 Вт мощности луча, / л=<2• / — ток луча.

Из рис. 4.23 и ф-лы (4.7) следует, что для повышения световой отдачи при той же мощности луча / л£/аг выгоднее увеличивать ус­ коряющее напряжение, поскольку для большинства люминофоров

Рис. 4.23. Зависимость яркости свечения люминофо­ ра от:

а) ускоряющего напряжения; б) плотности тока луча

п> 1. Если же увеличивать плотность тока, то при достижении не­ которого ее значения отдача начнет уменьшаться (рис. 4.236). Кро­ ме того, при малых плотностях тока и большем ускоряющем напря­ жении улучшается фокусировка электронного луча.

Потенциал экрана зависит от коэффициента вторичной эмиссии, сопротивления материала люминофора и от потенциала уско­ ряющего электрода. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от скорости падающих электронов (т. е. потенциала эмиттера) при­ ведена іна ірис. 4.24. Потенциалы Uі кр и £/2кр, при которых .коэффи-

Рис. 4.24. Зависимость коэффициента вторичной э м и с с и и экрана от его

потенциала

циент вторичной эмиссии равен единице, называются критическими1Если первоначальный потенциал экрана меньше Uікр, то число па­ дающих электронов окажется больше числа Уходящих и потенциал

264

экрана будет снижаться до тех пор, пока не сравняется с потенциа­ лом катода. В этом случае электроны достигающие экрана, будут отражаться им на ускоряющий электрод. При изменении потенциа­ ла ускоряющего электрода от. О до Uі потенциал экрана остается равным нулю. Первый критический потенциал зависит от м а т е р и а ­ ла экрана и имеет порядок десятков вольт.

В том случае, когда потенциал ускоряющего электрода меняет­ ся от Нікр до U2Кр, потенциал экрана будет следовать за ним. До­ пустим, что начальный потенциал экрана вследствие растекания за­ ряда по поверхности стекла в момент включения равен Ѵ3 (рис. 4.24). Тогда число вторичных электронов, увлекаемых разностью потенциалов <Ua2—U3, окажется больше числа падающих электро­ нов (о> 1) и потенциал экрана начнет повышаться до тех пор, по­ ка его значение на несколько вольт не превысит Ua2. Теперь только наиболее быстрые вторичные электроны достигнут ускоряющего электрода и потенциал экрана установится таким, что эффективный коэффициент вторичной эмиссии — отношение числа реально поки­ дающих эмиттер электронов к числу падающих — станет равным единице. Если ускоряющий электрод находится далеко от экрана, вторичные электроны образуют пространственный заряд, который должны преодолеть вновь выбитые электроны, 'чтобы уйти на экран. Для преодоления поля этого пространственного заряда между эк­ раном и ускоряющим электродом должно существовать ускоряющее поле, поэтому потенциал экрана в этом случае будет ниже потен­ циала Uяг на несколько десятков вольт.

Предположим, что начальный потенциал экрана больше потен­ циала ускоряющего электрода и равен [/4 (рис. 4.24). Тогда для выбитых вторичных электронов отводящее поле не образуется, т. е. они вновь будут падать на экран, заряжая его отрицательно. По­ тенциал экрана в этом случае начнет понижаться и установится вновь близким « Uа2. Если потенциал укооряющеіго электрона U5 больше U2Кр, то потенциал экрана останется равным U2кр, так как при U5 коэффициент вторичной эмиссии меньше единицы. Отрица­ тельный заряд, приносимый первичными электронами, окажется больше заряда .уносимого вторичными. Вследствие этого потенци­ ал экрана будет понижаться до тех пор, пока коэффициент вторич­ ной эмиссии не станет равным единице. Если ускоряющее напряже­ ние выбрать большим второго критического потенциала, то яркость экрана останется неизменной, поскольку его потенциал равен U2кр. Значение U2кр зависит от материала люминофора и лежит в пре­ делах 5ч-40 кВ.

Для Устранения влияния второго критического потенциала на яркость свечения экрана его алюминируют, т. е. наносят на люми­ нофор пленку алюминия и соединяют ее со вторым анодом. Алюми­ нирование повышает яркость свечения приблизительно в два раза, так как пленка служит зеркалом, отражающим к зрителю тот све­ товой поток, который в трубках без пленки был направлен вглубь колбы. Внутренняя засветка экрана устраняется, что повышает

265

контрастность изображения1). Правда, в этой пленке частично за­ держиваются электроны, и поэтому алюминированные экраны эф­ фективны только при больших ускоряющих напряжениях (порядка десятка киловольт).

Цвет свечения экрана определяется интенсивностью полос из­ лучения в спектре люминофора и зависит от его состава, обработки и наличия активирующих примесей.

Время послесвечения люминофора зависит от его состава и оп­ ределяется интервалом времени, в течение которого после прекра­ щения возбуждения яркость свечения экрана уменьшится до одной десятой первоначальной. Закон изменения яркости после прекраще­ ния электронной бомбардировки экрана чаще экспоненциальный,, а для некоторых экранов — вида і~п.

Типы экранов обозначаются буквами А, Б, В и т. д., характери­ зующими цвет свечения и длительность послесвечения. Различают пять групп экранов, время послесвечения которых:

—очень короткое (менее 10~9 с);

—короткое (10~9—ІО-2 с);

—среднее (ІО-2—0,1 с);

—длительное (от десятых долей секунды до 16 с);

—очень длительное (более 16 с).

Для получения длительного послесвечения применяют двух­ слойные или каскадные экраны. При их изготовлении непосредст­ венно на дно колбы наносят люминофор с длительным послесвече­ нием, который легко возбуждается светом и плохо электронной бомбардировкой. На него наносят второй слой люминофора, имею­ щего короткое послесвечение, который и возбуждается электронным потоком. Свечение первого слоя обычно желтое, чтобы удобнее бы­ ло наблюдать осциллограмму, а второго — голубое или синее — для удобства фотографирования.

Утомление экрана — временое снижение яркости свечения под' действием электронных импульсов. После возобновления бомбар­ дировки через длительный промежуток времени экран полностью восстанавливает первоначальную яркость свечения. Эксперимен­ тально установлено, что утомление наступает быстрее при больших плотностях тока электронного луча.

Выгорание экрана — необратимая потеря яркости свечения при длительном действии мощного электронного пучка на один и тот же участок экрана. Оно связано с необратимой диссоциацией молекул люминофора, особенно интенсивной при повышении температуры и при бомбардировке экрана ионами.

Контрастность изображения на экране определяется как отно­ шение максимальной яркости свечения экрана к яркости участков, не подвергнутых электронной бомбардировке. Контрастность не равна бесконечности, поскольку необлученные участки могут засве-

f) См. ниже. і.

266

чнваться светящимися участками или внешними источниками све­ та. Примерно половина светового потока излучается люминофором внутрь колбы и, рассеиваясь, засвечивает необлученные участки экрана, снижая контраст.

Внутреннюю засветку можно ослабить, заставив световой луч многократно отражаться от стенок колбы, прежде чем попасть на экран. Этого добиваются выбором формы колбы. При каждом та­ ком отражении часть света будет поглощаться. Непосредственная засветка темных участков светя щимися устраняется применением плоского экрана. Полностью внутренняя засветка устраняется применением алюминированного экрана.

Часть световых лучей, излучаемых по направлению к зрителю, падает на внешнюю поверхность дна колбы под углами, большими угла полного внутреннего отражения, что приводит к образованию серии ореолов с убывающей яркостью вокруг светящегося пятна (рис. 4.25), а следовательно, и к снижению детального контраста. Для ослабления этого эффекта дно колбы выполняют из «дымчато­ го» стекла, имеющего коэффициент поглощения порядка 47%. От­ раженные лучи, проходящие іболее длинный путь, поглощаются сильнее, чем лучи, соответствующие изображению. Применение «дымчатого» или «контрастного» стекла значительно повышает контраст в условиях внешней засветки, поскольку внешний свет, от­ раженный поверхностью люминофора, ослабляется сильнее из-за более длинного пути, чем свет, испускаемый им.

Модуляционная характеристика. Яркость свечения экрана прак­ тически всегда регулируется изменением плотности тока луча (рис. 4.236) посредством изменения напряжения на модуляторе. При этом меняется минимум потенциала у поверхности катода и его рабочая площадь. В результате ток луча нарастает быстрее, чем ток анода в ламповом триоде. У трубок с магнитной фокусировкой ограничивающие .диафрагмы обычно отсутствуют, поэтому ток лу­ ча равен току катода.

Зависимость тока луча и яркости свечения экрана от величины управляющего напряжения на модуляторе называется модуляци­ онной характеристикой (рис. 4.26). С увеличением анодного напря­ жения модуляционная характеристика сдвигается влево по тем же причинам, что и анодная характеристика триода. При электроста­ тической фокусировке из-за наличия ограничивающих диафрагм модуляционная характеристика менее крута. Если электроны по­ падают на диафрагму, ток пучка увеличивается только за счет увеличения действующего напряжения в центральной части катода, а электроны, эмиттированные с его увеличившейся рабочей поверх­ ности, задерживаются диафрагмой фокусирующего электрода.

Разрешающая способность экрана определяется качеством фо­ кусировки и минимально возможным диаметром пятна. Разрешаю­ щая способность зависит от структуры и толщины экрана из-за рас­ сеяния света, излучаемого люминофором, на гранях зерен, обра­

267

зующих экран. Качество фокусировки определяется конструкцией и

точностью сборки электронного прожектора.

Наиболее простой способ измерения разрешающей способности состоит в следующем. Растр из п горизонтальных строк сжимается по вертикали до тех пор, пока строки начнут сливаться. Это про-

исходит при некоторой высоте растра а. Если L — высота рабоче­ го участка экрана, то разрешающая способность определяется как nL/a. В этом случае под разрешающей способностью следует пони­

0,1-4-0,18 мм по сравнению с 0,35-4-0,7 мм у обычных трубок. Кро­ ме того, экран из волоконной оптики позволяет производить запись непосредственно на фотобумаге, чувствительной к ультрафиолету,, приложив ее к экрану (рис. 4.27). Такой экран обладает значи­ тельно меньшим параллаксом.

268

4.5. ТИПЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ Электронно-графические приборы

ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ТРУБКИ

Электронно-графические приборы предназначены для получения видимого (оптического) изображения на экране, светя­ щемся под действием электронов, или для регистрации получаемо­ го изображения на светочувствительном слое. Одним из таких при­ боров является осциллографическая трубка — электронно-графи­ ческий электровакуумный одно-, двухили многолучевой прибор, предназначенный для наблюдения или регистрации осциллограмм.

Осциллографические трубки практически всегда имеют электро­ статические фокусировку и отклонение и применяются в основном для наблюдения электрических процессов. Они должны обладать большой разрешающей способностью и возможно большей чувстви­ тельностью по отклонению. Действительно, детальность изображе­ ния при диаметре пятна 1 мм и изображении высотой 10 см будет такой же, как и при пятне 0,1 мм и изображении 1 см. Таким обра­ зом, используя трубки с большей разрешающей способностью, мож­ но конструировать компактные осциллографы. Очень важно, чтобы не нарушалась пропорциональность между отклоняющим напряже­ нием и величиной смещения пятна на экране.

Современные осциллографические трубки имеют тетродный про­ жектор и электростатическую систему отклонения луча. Диаметр экрана обычно лежит в пределах от 5 до 31 см; наиболее широко используют трубки, диаметр экрана которых равен 13 см. Для по­ вышения вибропрочности используются керамические электронно­ лучевые трубки, у которых элементы Прожектора и отклоняющей системы составляют единое целое с оболочкой, а в качестве экрана применено высокопрочное стекло.

На первую пару отклоняющих пластин (ближнюю к катоду) по­ дается исследуемый сигнал, а на вторую — пилообразное напряже­ ние что приводит к развертке наследуемого процесса во времени. Чтобы изображение было неподвижным, частота горизонтальной развертки должна быть в п раз ниже основной частоты исследуемо­ го процесса. Если«= 2 , то на экране можно наблюдать два периода исследуемого -напряжения, іка.к видно из рис. 4.28.

При исследовании колебаний важную роль играют частотные свойства отклоняющей системы. Определим, как меняется чувстви­ тельность по отклонению плоскопараллельных пластин (рис. 4.11) при изменении частоты гармонического воздействия. Отклонение луча на экране h —(7+a/2)tg а, где tg a = v ylvz. Найдем скорость Ѵу на выходе отклоняющей системы. Если исследуемое гармоничес­ кое напряжение имеет амплитуду Um, то уравнение движения при­ мет вид

269