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

Проинтегрируем это уравнение от момента to влета электронов в отклоняющую систему до момента /о + т вылета их из системы:

где Q= on= 2nfx= aa/vz — угол пролета электронов через отклоняю­ щие пластины, т. е. время пролета, выраженное в долях периода исследуемой частоты.

Окончательно получим

величину Ѳ/2. График изменения чувствительности в зависимости от угла пролета приведен на рис. 4.29. При углах пролета от 2 я до 4 л фаза наблюдаемого напряжения противоположна фазе исследуемо­ го сигнала. Если наблюдается периодический сигнал сложной фор­ мы, то разлагая его в рад Фурье, замечаем, что для разных гар-

270

ионик чувствительности по отклонению и фазовые сдвиги различ­ ны, что существенно искажает осциллограмму. Кроме того, при ис­ следовании сверхвысокочастотных процессов возможны искажения из-за конечного времени пролета электронов между отклоняющими системами. Луч, отклоненный в вертикальной плоскости в момент времени Іо, входит в горизонтальную пару отклоняющих пластин в момент времени й>+Тпр. В этот промежуток времени напряжение на вертикальных пластинах меняется, что приводит к изменению фазо­ вого сдвига между управляющими напряжениями.

Эквивалентная схема отклоняющих пластин приведена на рис. 4.30. Она состоит из суммарной емкости пластин и подводящих вводов С, индуктивностей вводов L и резистора R, который харак­ теризует потери энергии jL

источника сигнала на уп­ равление электронным лу­ чом. На низких частотах индуктивностью L можно йс пренебречь. Сопротивле­ ние резистора R в этом случае определяется толь­ ко током утечки, который равен нескольким десят­ кам микроампер, так как электроны на отклоняю­

щие пластины не попадают. Энергия на отклонение электронного луча практически не затрачивается, так как электрон вылетающий из системы отклоняющих пластин, имеет ту же скорость, что и при входе в нее. Поэтому на низких частотах входное сопротивление отклоняющих пластин можно считать чисто емкостным.

На свч за время пролета электронов напряжение на отклоняю­ щей 'Системе успевает заметно измениться, поэтому полные скоро­ сти электронов на ее входе и выходе различны. Это явление мож­ но рассматривать как затрату энергии отклоняющим полем, что эквивалентно наличию активного сопротивления. Индуктивности вводов усугубляют этот эффект. Рассмотрим векторную диаграмму.

Напряжение на пластинах U'R создает активный ток I R, совпадаю­ щий по фазе с UR , и емкостный ток Іс, опережающий на угол 90° напряжение UR . Входной ток /ь равен векторной сумме токов /я и Іс- Этот ток, протекая через индуктивное сопротивление вводов, создает на нем падение напряжения UL, опережающее на угол 90°' ток / L. Входное напряжение Uc и есть векторная сумма напряже­ ний UR и Ul . Как видно из диаграммы, угол сдвига фаз между

Uс и /ь меньше, чем между OR и IL, а это значит, что активная со­ ставляющая входного тока увеличилась.

Первой мерой расширения частотного диапазона отклоняющей системы является уменьшение индуктивностей и емкостей вводов,

271

для чего последние делают прямыми и короткими, проходящими через стекло колбы. Затем уменьшают длину отклоняющих пластин и одновременно увеличивают ускоряющее напряжение На2, чт0 приводит к уменьшению угла пролета. Подобные меры дают возмож­ ность расширить частотный диапазон до нескольких .тысяч мега­ герц. Конечно, при этом резко снижается чувствительность по от­

щью микроскопа. Во избежание большого падения чувствительно­ сти по отклонению необходимо применять отклоняющие системы с бегущей волной. Для создания бегущей волны одну пластину от­ клоняющей системы выполняют плоской, а другую — в виде спи­ рали (рис. 4.31). В такой системе распространение’ электромагнит­

ной волны замедляется. Чтобы не было отражения, эту линию на­ гружают на волновое сопротивле­ ние Z. Размеры и шаг спирали подбирают такими,' чтобы элект­ ромагнитная волна распространя­ лась вдоль линии со скоростью, равной скорости электронного пучка. Тогда электрон, пролетая отклоняющую систему, будет на­ ходиться все время в одной фазе с отклоняющим полем. Такого рода

системы расширяют частотный диапазон исследуемых сигналов до сотен и тысяч мегагерц при достаточно высокой чувствительности по отклонению. Важную роль при исследовании быстрых процес­ сов играет скорость записи ѵр, т. е. скорость перемещения пятна по экрану трубки, зависящая от частоты развертки. Часть энергии луча, пропорциональная световой отдаче А, преобразуется в свече­ ние экрана, которое можно наблюдать или фиксировать на фото­ пленке. Величина этой энергии W ^A jU adn/vp, где j — плотность тока в пятне; dn — диаметр пятна; Ua — потенциал экрана. С рос­ том скорости записи ѵр уменьшается энергия №, а следовательно, и интенсивность свечения экрана. При достаточно большой скоро­ сти, которая необходима при исследовании быстропротекающих однократных процессов, интенсивность станет столь малой, что ее нельзя будет зафиксировать глазом или фотоаппаратом. Такая скорость называется предельной. Увеличивать скорость записи пу­ тем увеличения плотности тока / нецелесообразно, так как это ве­ дет к уменьшению разрешающей способности трубки. Единствен­ но возможный путь — это Увеличение ускоряющего напряжения или применение трубок с послеускорением луча.

Простейшая трубка с однократным послеускорением луча пока­ зана на рис. 4.32а. Дополнительное ускорение электроны получают в поле, образованном между изолированными слоями, нанесенны­ ми на стекло 'баллона. Покрытие, ближайшее к прожектору, имеет

272

тіотеициал второго анода, а на дополнительное покрытие, называе­

ная линза, которая одновременно ускоряет электроны и отклоняет их к центру трубки. Из-за этого несколько уменьшается чувстви­ тельность, однако, ее снижение меньше, чем для той же трубки при

Рис. 4.32. Трубки с послеускореиием:

а) однократным; б) трех­ кратным; в) трубка с высокоомной спиралью

потенциале второго анода Uaз- Послеускорение вносит дополни­ тельную расфокусировку луча, поэтому возможно некоторое иска­ жение осциллограммы. Эти явления объясняются конечными раз­ мерами луча и изменением оптической силы иммерсионной линзы при изменении расстояния от оси. Указанные факторы ограничива­ ют так называемый коэффициент послеускорения n = Ua3/Ua2, ко­ торый выбирается не более 2.

При многократном послеускореиии, применяемом для увеличе­ ния полного ускоряющего напряжения, используют несколько послеускоряющих анодов с увеличивающимися потенциалами (рис. 4.326). Послеуокоряющее поле, в котором потенциал нарастает равномерно, идеально, так как иммерсионная линза здесь отсутст­ вует и чувствительность уЕ не уменьшается. Аналогом такой иде­ альной трубки служит трубка с высокоомной спиралью (рис. 4.32в), нанесенной на внутреннюю поверхность колбы. Потенциал от вто­ рого анода до экрана постепенно нарастает и отношение этих по­ тенциалов может достигать десяти.

Послеускорение позволяет повысить 'чувствительность трубки по отклонению. Собирающую часть иммерсионной линзы исключают, поместив между третьим и вторым анодами мелкоструктурную сет­ ку, соединенную со вторым анодом. Тогда левая часть линзы (рис. 4.32а) будет отсутствовать (при соответствующем подборе расотоя-

273

ний между сеткой и анодами). Таким образом, линза будет обла­ дать только рассеивающим свойством, что приведет к росту угла отклонения и повышению чувствительности, которая может в этом случае достигать 2ч-3 мм/В. Одновременно с увеличением чувстви­ тельности наблюдается заметная дефокусировка пятна, связанная с .конечным диаметром луча и возможностью его дробления на 'мел­ коструктурной сетке. Это уменьшит разрешающую способность трубки.

Для одновременного наблюдения нескольких процессов на экра­ не однолучевой трубки применяют электронный коммутатор1). Од­ нако в этом случае часть времени можно наблюдать один процесс, а часть времени — другой. Оба изображения кажутся одновремен­ ными за счет инерционности зрения человека. При быстропротекающих процессах этот способ неприменим. Для их исследования же­ лательно применять трубки, которые имеют общий экран и незави­ симые фокусирующие и отклоняющие системы. Так, два процесса можно наблюдать с помощью двухлучевых трубок, подобных труб-

Осциллографические трубки могут служить и для измерения коротких временных интервалов. Если период развертки равен Т{с) и ему соответствует длина линии развертки I (мм), то, очевид­ но, расстоянию в 1 мм при линейной развертке соответствует вре­ мя t=Tjl. Для увеличения разрешающей способности по времени желательно увеличить длину линии развертки I, которая ограниче­ на диаметром экрана трубки. Это достигается с помощью круговой развертки, причем длина линии развертки может быть равна 1 = = nd, где d — рабочий диаметр трубки. Следовательно, разрешаю­ щая способность последней увеличивается в я раз.

‘)См. с. 286.

274

Круговую развертку осуществляют подачей на отклоняющие пластины синусоидального и косинусоидального.напряжения, амп­ литуды которых выбирают так, чтобы линии разверток по горизон­ тали и вертикали имели одинаковую длину. Образование круговой развертки поясняется рис. 4.34. В этом случае исследуемое напря­ жение может подаваться на модулятор (и менять яркость пятна) или на специальный стержень, впаянный в центр экрана (рис. 4.35а). При изменении подводимого к стержню напряжения меня-

Рис. 4.35. Трубки с радиальной разверткой:

а) с центральным стержнем; б) с дополнительной откло­ няющей системой

ется диаметр круговой развертки. Изменять диаметр круговой раз­ вертки можно также, используя дополнительную отклоняющую си­ стему, выполненную в виде двух соосных конусов R (рис. 4.356), к которым подводится напряжение исследуемого сигнала. Обычно внутренний конус соединяют со вторым анодом. Практически на эти отклоняющие системы подают импульсы напряжения, которые создают выбросы на окружности. Трубка типа 8ЛОЗО с централь­ ным стержнем при£/а2=1,5 кВ имеет чувствительность радиального отклонения — 0,06 мм/В. Трубка типа 23Л051 с конической откло­ няющей системой гори Ua2—20 кВ имеет чувствительность ради­ ального отклонения 0,035 мм/В.

ПРИЕМНАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ ТРУБКА (КИНЕСКОП)

Общая характеристика. Кинескоп представляет собой электронно-графический электровакуумный прибор, предназначен­ ный для наблюдения на его люминесцирующем экране телевизион­ ного изображения. Цвет свечения экрана кинескопа выбирают бе­ лым или голубоватым. Первые кинескопы имели круглый экран диаметром до 31 см, магнитные фокусировку й отклонение луча при угле отклонения 70°. Последующие типы кинескопов выпуска­ лись с прямоугольными экранами диагональю до 53 см и отноше­ нием сторон 3 : 4, электростатической фокусировкой, магнитным от­ клонением луча при угле отклонения 90°. Прожектор имел ионную ловушку.

275

Современные кинескопы имеют алюминированный экран диаго­ налью до 65 см с отношением сторон 4:5, электростатическую фоку­ сировку, магнитную систему отклонения луча и угол отклонения до 110°. Для образования растра на экране в отклоняющие катушки подается ток пилообразной или более сложной формы. Частота изменения тока в кадровых катушках (вертикального отклонения) 50 Гц, а в строчных (горизонтальное отклонение) — 15 625 Гц.

Телевизионный сигнал подается или на модулятор в отрицатель­ ной полярности, или чаще на катод в положительной полярности. Этот сигнал изменяет плотность луча, а следовательно, и интен­ сивность свечения экрана. Для правильного воспроизведения гра­ даций яркости на экране его яркость должна линейно зависеть от потенциала модулятора. Как уже отмечалось, у современных про­ жекторов эта зависимость нелинейная (рис. 4.26). Влияние на ка­ чество изображения нелинейности яркостной характеристики кине­ скопа устраняют путем предыскажения сигнала по защну (/„ = = cUl/n= cUv в передатчике. Эту операцию называют у-коррекцией.

Для повышения контрастности у современных кинескопов часть колбы, на которую наносится люминофор, изготавливают іиз ли­ тиебариевого стекла, поглощающего до 46% света, испускаемого экраном.

Современные кинескопы взрывобезопасны, поскольку они име­ ют специальный бандаж, предохраняющий наблюдателя от разле­ тающихся осколков стекла. Бандаж выполнен в виде металличес­ кого ободка, проложенного по краям с лицевой стороны экрана. Пространство между металлом и стеклом заполнено уплотнителем и связующей смолой на спиртовой основе, которая после нагрева всей конструкции затвердевает. Это позволяет обходиться без за­ щитного стекла, упрощает крепление кинескопа к футляру телеви­ зора и уменьшает вес последнего. Для уменьшения затрат мощно­ сти на отклонение луча и габаритов телевизоров разработаны плос­ кие трубки с электростатическим или магнитным электронным зеркалом.

Проекционный кинескоп — іприеіміная телевизионная трубка, предназначенная для проекции изображения с ее экрана на боль­ шой экран путем применения проекционно-оптической системы. Диаметр проекционного кинескопа 6—18 см. Для получения доста­ точной яркости наблюдаемого на большом экране изображения яркость свечения экрана кинескопа должна быть очень велика, по­ этому в таких кинескопах применяют алюминированные экраны и высокое ускоряющее напряжение (до 75 кВ). Предельная яркость

разрешающей способности применяются магнитная фокусировка и магнитное отклонение луча.

276

Радиолокационные индикаторы. Эти трубки предназначены для определения координат объектов. При определении дальности с успехом применяют обычные осциллографические трубки. Для получения радиолокационной карты местности применяют трубки с магнитной фокусировкой, магнитным отклонением луча и круглым: экраном диаметром 31 см. Экран в них чаще всего двухслойный с длительным послесвечением. В некоторых трубках используют тем­ новую .запись, т. е. запись, при которой экран под лучом темнеет. Это удобно в тех случаях, когда наблюдение ведется при сильной посторонней засветке экрана.

Для облегчения считывания информации с экрана разработаны

многоцветные индикаторные трубки. На экран нанесены два люми­ нофора— красный и зеленый, которые возбуждаются в зависимости от ускоряющего напряжения Ua2- При £/аг=6 кВ цвет свечения красный, а при и а2= 12 кВ — зеленый. Напряжение Uаг= 8 кВ дает оранжевое свечение, а Ua2= 10 кВ — желтое.

СКИАТРОН

Скиатрон — электронно-лучевой прибор с кристалл»-' ческим экраном, изменяющим прозрачность под воздействием элек­ тронного луча. Он предназначен для получения оптического изо­ бражения в результате прохождения сквозь кристаллический эк­ ран или отражения от него света от постороннего источника. Скиатроны, работающие по принципу отражения света от экрана, в- конструктивном отношении мало отличаются от осциллографических трубок. Основное отличие их — в составе покрытия экрана. Кроме того, большие скорости записи требуют большой плотности1 луча, поэтому для получения минимального диаметра пятна при­ меняют дополнительно вторую магнитную линзу.

В скиатроне необходимо стирать изображение с экрана. Экран скиатрона представляет собой кристаллический слой из щелочно­ галоидной соли, нанесенной на тонкую слюдяную пластинку ил» дно колбы, предварительно покрытое проводящей прозрачной плен­ кой. При пропускании импульса тока через проводящую пленку кристаллы нагреваются и изображение разрушается.

Электр.ониый луч, пробегая по экрану, вызывает его потемне­ ние-. степень потемнения зависит от плотности тока лѵча. Это объ­ ясняется локализацией электронов в месте нарушения кристалли­ ческой решетки. Электроны могут находиться там очень долго, по­ этому темный след луча сохраняется продолжительное время (в-- определенных условиях даже в течение нескольких лет). Наблюде­ ние следа возможно и в условиях высокой внешней освещенности..

Так как свойства поглощения и отражения у кристаллов опреде­ ляются в основном характером движения электронов, то появление нового электрона изменяет в этом месте (локально) отражательныеспособности участка кристалла, связанные с поглощением света_ В зависимости от уровня энергии, на котором локализуется элект­ рон, максимум поглощения соответствует определенной длине све-

27Т

товоп волны. Кристаллы хлористого калия КС1 поглощают свет в зеленой части спектра, следовательно, отражается дополнительный

стинку, на которую нанесен кристаллический экран 3. На послед­ нем электронным лучом образовано изображение, которое с помо­ щью объектива 4 в увеличенном виде проектируется на внешний экран 5. Электронный луч создается прожектором 6, фокусируется двумя короткими магнитными линзами 7, 8 и отклоняется магнит­ ной системой 9.

ЗНАКОВАЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА (ХАРАКТРОН)

Характрон позволяет получать на экране различные знаки й цифры, высеченные на металлической матрице, установлен­ ной на некотором расстоянии от прожектора, перпендикулярно оси трубки. Электронный луч, направленный управляющей системой в требуемую просечку знака, приобретает его форму, а затем возвра­ щается к продолиной оси трубки собирательной линзой, проходит ■через фокусирующую линзу и магнитной отклоняющей системой •направляется в заданное место экрана. Число знаков определяется ■назначением устройства и кратно степени 2, что упрощает управле­ ние іпри двоичном коде. Если луч в харнктроне сфокусировать ів точ­ ку, то он 'будет работать как обычная электронно-лучевая трубка.

Вводя в характрон второй электронный прожектор под некото­ рым углом к первому, можно на экране наблюдать знаки, созда­ ваемые лучом первого прожектора и телевизионное, или радиолока­ ционное изображение, создаваемое вторым.

ЗАПОМИНАЮЩИЕ ТРУБКИ

Общая характеристика. Запоминающая трубка пред­ ставляет собой электронно-графический прибор, предназначенный для записи электронным лучом электрических сигналов на поверх-

278

наста диэлектрика, ‘еахраіняющѳро изображение на -некоторый про­ межуток времени. Она используется для записи и длительного вос­ произведения нестационарных процессов; сравнения сигналов при невозможности их одновременного получения; выделения движу­ щихся целей в радиолокационных индикаторах; преобразования ло­ кационных сигналов в телевизионные видеосигналы; преобразова­ ния телевизионных стандартов, а также в электронных вычисли­ тельных устройствах.

Основные процессы, протекающие в запоминающих трубках:

—запись информации, вводимой в виде электрических сигна­

лов;

—считывание информации, т. е. получение на выходе электри­ ческих сигналов, записанных ранее;

—стирание накопленной информации для подготовки трубки к.

записи новой информации (в некоторых трубках).

Качество трубок определяется соответствием между входными и выходными сигналами, количеством возможных считываний и временем сохранения информации.

Принцип действия запоминающих трубок основан на способно­ сти диэлектрических пластин принимать и сохранять определенный потенциал, определяемый коэффициентом' вторичной эмиссии. По­ тенциал изолированной пластины (экрана) рассмотрен на с. 264.

Потенциалоскоп с барьерной сеткой имеет несколько конструк­ тивных исполнений. Упрощенная конструкция такой трубки и одна из возможных схем ее включения изображены на рис. 4.37. В труб­ ку входят электронный прожектор / и отклоняющая система 2 (ча­

нальную пластину может пода­ ваться записываемый сигнал и с нее же может считываться за­

писанный сигнал. На расстоянии нескольких десятков ми­ крон от мишени расположена мелкоструктурная сетка 5, которая обычно заземляется и имеет потенциал на 100-Н200 В ниже потен­ циала коллектора 6. В цепь коллектора включена нагрузка R, на. которой выделяется сигнал.

279