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

В трубках такого типа возможны несколько режимов записи и івоспроизведения сигналов. Рассмотрим два из них, наиболее рас­ пространенных. В первом режиме модулированный луч 7 с интен­ сивностью, достаточной для установления равновесного потенциа­ ла, развертывается по мишени. Быстрые вторичные электроны, пре­ одолев пространственный заряд у мишени и пройдя мелкоструктур­ ную сетку, улавливаются коллектором и создают постоянное паде­ ние напряжения на нагрузке Я- Потенциал мишени устанавливает­ ся 'равным потенциалу мелкоструктурной сетки. При отсутствии

.внешнего сигнала потенциалы сигнальной пластины и мелкострук­ турной сетки равны, поэтому элементарный конденсатор имеет ну­ левую разность потенциалов и заряд на его обкладках отсутствует.

Если подать на пластину 4 положительный сигнал Uc, то между пластиной и сеткой 5 образуется тормозящее поле, возвращающее вторичные электроны на мишень и уменьшающее число электронов, проходящих к коллектору. На мишени в точке под лучом образует­ ся отрицательный заряд, и эта точка получает потенциал — Uc.

.Другими словами, электронный луч замыкает цепь находящегося под лучом элементарного конденсатора, который заряжается до напряжения, равного напряжению источника сигнала. При этом положительный потенциал приложен к сигнальной пластине, а отрицательный — ,в точке мишени под лучом. В цепи коллектора ток уменьшается, и потенциал коллектора повышается за счет уменьшения падения напряжения на резисторе R, т. е. в его цепи воспроизводится в процессе записи записываемый сигнал. Отрица­ тельный сигнал на сигнальной пластине создает между нею и сет­ кой ускоряющее поле. Число вторичных электронов, покидающих мишень, увеличивается и потенциал этой точки мишени повышает­ ся. Другими словами, конденсатор, подключенный к источнику •сигнала, заряжается до напряжения источника сигнала, причем положительный заряд будет на мишени, а отрицательный — на сигнальной пластине. ТакіШ образом, на мишени образуется чет­ кий потенциальный рельеф, так как мелкоструктурная сетка или пропускает выбитые вторичные электроны, или отражает эти элект­ роны непосредственно в точку излучения, препятствуя их попада­ нию на соседние участки 'Міиішени.

Считываемый сигнал можно снимать либо в той же фазе с на­ грузки Як в цепи сигнальной пластины, либо в противофазе с на­ грузки Я в цепи коллектора. Считывание осуществляется путем развертки немодулированным лучом с интенсивностью, достаточной

.для приведения потенциала мишени к равновесному. Участки ми­ шени, где был записан нулевой сигнал, имеют потенциал, равный потенциалу сигнальной пластины, поэтому при облучении он-не меняется и в цепи сигнальной пластины ток отсутствует. На участ­ ках мишени, где был записан положительный сигнал, сосредоточен избыточный отрицательный заряд, поэтому при облучении считы­ вающим лучом число уходящих вторичных электронов увеличивает­ ся, ток в цепи коллектора возрастает, а потенциал коллектора па-

280

дает. В цели нагрузки R воспроизводится в противофазе записанный сигнал. На резисторе iRn также одновременно воспроизводит­ ся сигнал в фазе с записанным, поскольку через резистор Rs про­ текает ток разряда элементарного конденсатора, находящегося под. лучом. Можно считать, что луч подключает вторую о'бікладку кон­ денсатора к мелкоструктурной сетке и элементарной конденсатор' оказывается подключенным к резистору іRn. Участки мишени, гдебыл записан отрицательный сигнал, имеют положительный потен­ циал, т. е. недостаточное число электронов, поэтому при считыва­ нии число уходящих вторичных электронов мало, ток в цепи кол­ лектора уменьшается, а его потенциал возрастает. Можно считать* что потенциал мелкоструктурной сетки равен потенциалу сигналь­ ной пластины, и поэтому между участками мишени, где еаписавд был отрицательный потенциал, и мелкоструктурной^ сеткой сущест­ вует тормозящее поле, препятствующее попаданию вторичных элек­ тронов в цепь коллектора.

Если при считывании подавать сигнал для записи на сигналь­ ную пластину, то в цепи коллектора будут воспроизводиться запи­ сываемый и считываемый сигналы, т. е. их разность, поскольку их: полярности противоположны. Одновременно на мишени будет запи­ сываться разностный сигнал, так как ее потенциал определяется: полем между нею и мелкоструктурной сеткой. Напряженность этогополя определяется разностью потенциалов между мелкоструктур­ ной сеткой и поверхностью мишени, находящейся под лучом. Ука­ занная разность потенциалов равна разности напряжений источни­ ка сигнала и элементарного конденсатора. Поэтому иногда потенциалоскоп называют вычитающей трубкой.

При втором режиме работы для подготовки трубки к записи на мелкоструктурную сетку подают отрицательный по отношению к коллектору потенциал от внешнего.источника и, развертывая по мишени интенсивный луч, доводят ее потенциал до потенциала вет­ ки. В режиме записи внешний, источник отключают, а потенциал сетки выбирают равным потенциалу коллектора. Интенсивность луча устанавливают такой, чтобы он не мог довести потенциал ми­ шени до нового равновесного потенциала за один цикл развертки.

Записываемый сигнал подается на модулятор трубки и моду­ лирует интенсивность электронного луча. Поскольку потенциал ми­ шени ниже новоно равновесного потенциала, то при ее облучении потенциалы тех участков, которые были облучены более интенсив­ ным электронным потоком, станут более высокими и близкими к равновесным. На мишени образуется потенциальный рельеф, отра­ жающий записанный сигнал. При повторной записи потенциалывсех участков мишени вновь повысятся пропорционально амплитуде записываемого сигнала. При этом очевидно, что потенциальный, рельеф будет отображать суміму двух данных сигналов.

Запись імоіжно многократно повторять до тех пор, пока потен­ циал [какого-нибудь участка мишени не достигает равновесного* поокольку при последующих циклах записи он не будет меняться.

28*

Ори п-кратной записи суммы сигнала и помехи 'отношение сигнала к помехе при считывании увеличивается в п раз, поскольку сигнал записывается все время .в одной и той же фазе, а фаза помехи

.произвольна. При считывании сигнала в такой трубке все потен­ циалы мишени приводятся к равновесным, причем это совмещается с подготовкой трубки к записи. На мелкоструктурную сетку подает­ ся отрицательный потенциал и производится развертка интенсив­ ным электронным лучом. В цепи сигнальной пластины «а нагрузке Ля выделяется записанный сигнал, как описывалось выше. Трубку, работавшую ,в таком режиме, часто называют суммирующей (радехоном) и применяют в радиолокации.

Графекон — трубка, предназначенная для перехода от одного стандарта развертки к другому: например, записывают радиолока­ ционное изображение с помощью' радиальной развертки, а считы­ вают его, пользуясь телевизионной разверткой, или записывают те­ левизионное изображение в европейском стандарте, а считывают в отечественном. Графекон (рис. 4.38) имеет два электронных про­

пластина имеет отрицательный относительно коллектора потенциал. -Луч понижает потенциал облучаемых участков мишени тем силь­ нее, чем больше его интенсивность. Таким образом, на мишени об­ разуется потенциальный рельеф, максимальная глубина которого может достигать разности потенциалов между коллектором и сиг­ нальной пластиной.

Считывание осуществляется смодулированным лучом, интен­ сивность которого (1 «эВ) недостаточна для возбуждения проводи­ мости мишени. Разрядный ток элементарных конденсаторов ми­ шени, протекая по резистору нагрузки в цепи сигнальной пластины, создает выходной сигнал. При малом токе считывающего луча потенциал не успевает достигнуть равновесного значения, и поэто­ му можно многократно считывать записанную информацию. Запи­ санная информация может храниться несколько дней, если не про­ изводится считывание.

282

Запоминающие трубки с видимым изображением предназначе­ ны в основном для наблюдения при высоких уровнях внешней ос­ вещенности и осциллографирования быстропротекающих однократ­ ных 'процессов, а также для многих других целей в радиоэлектрон­ ной аппаратуре. Существует два класса таких трубок — полутоно­ вые, у которых яркость свечения экрана пропорциональна прило­ женному сигналу, и бистабильные, имеющие только два тона — темный и светлый. Один из них соответствует наличию сигнала (его яркость не зависит от величины входного сигнала), а другой — его отсутствию.

Полутоновая запоминающая трубка (рис. 4.39а) имеет люминес­ центный экран 1, перед которым расположена сетчатая мишень представляющая собой мелкоструктурную сетку, покрытую слоем

Рис. 4.39. Запоминающие трубки: а) полутоновая; б) бистабильная;

/ — экран; 2 — сетчатая мишень; 3 — коллекторная сетка; 4 — кре­ пежное 'кольцо; 5 — корректирующая линза; 6 — воспроизводящий прожектор; 7 — записывающий прожектор; 8 — ионный отражатель

диэлектрика. На мишени посредством модуляции луча записываю­ щего прожектора 7 записывается сигнал. Электроны записываю­ щего луча подходят к мишени с энергией 1000—3000 эВ и для них

283

iU>{JlUp. Потенциал мишени повышается пропорционально току

.записи, поскольку все выбитые электроны уходят на коллекторную сетку 3. На мишени образуется потенциальный рельеф. Воспроиз­ водящий прожектор 6 'создает широкий электронный луч,' который корректируется линзой 5 так, что поток электронов падает перпен­ дикулярно к мишени и облучает ее с постоянной интенсивностью по всей площади.

При некотором отрицательном потенциале диэлектрика мишени Uдз, который называется запирающим потенциалом диэлектрика, ток на экран не поступает. Перед записью потенциал мишени уста­ навливают ниже запирающего (стирают предыдущее изображение) путем подачи на ее подложку положительного импульса. Потенци­ альный рельеф мишени высвечивается на экране воспроизводящим пучком, причем яркость свечения каждого элемента экрана, опреде­ ляемая потенциалом соответствующего участка диэлектрика, зави­ сит от величины тока записывающего луча. Записанное изображе­ ние сохраняется на экране столько времени, сколько сохраняется потенциальный рельеф, так как диэлектрик имеет отрицательный (или нулевой) потенциал относительно катода воспроизводящего прожектора и электроны не попадают на мишень. Потенциальный рельеф мишени стирается в результате ионного засева — оседания положительно заряженных ионов на отрицательно заряженной по­ верхности мишени и, как следствие, повышения потенциала диэлек­ трика. Это приводит к полной засветке экрана трубки.

В бистабильной трубке (рис. 4.396) воспроизводящий пучок поддерживает потенциальный рельеф на мишени и, следовательно, записанное изображение может сохраняться сколько угодно долго. Перед записью потенциал диэлектрика имеет нулевое значение. Не­ прерывно действующий воспроизводящий пучок поддерживает это значение, препятствуя его повышению. При записи отпирается запи­ сывающий пучок, и так как его плотность значительно больше, чем у воспроизводящего пучка, потенциал мишени повышается. Если этот потенциал станет больше С/крі (рис. 4.24), то воспроизводящий лучок будет также способствовать его повышению до равновесного значения, определяемого потенциалом коллекторной сетки 3. Эти два стабильных состояния должны соответствовать двум разным яркостям свечения экрана.

Рельеф імишени стирают, понижая потенциал коллекторной сетки ниже £/Ирі.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Общая характеристика. Этот прибор предназначен

.для преобразования при помощи пучка электронных лучей изобра­ жения (получаемого, например, иод действием инфракрасного све­ та) на поверхности фотоэлектронного катода прибора в видимое изображение на люминесцирующем экране. Если преобразование не сопровождается переносом спектра, то обычно усиливается яркость

284

первоначального изображения и 'прибор .носит название электрон­ но-оптического усилителя .изображения. Преобразователи изобра­ жения попользуются, інаіпримеір, .в приборах ночного 'видения, а уси­ лители изображения в астрономических устройствах и для усиле­ ния рентгеновокого изображения, что позволяет снизить дозу облу­ чения.

Принцип действия преобразователя (рис. 4.40) заключается в том, что изображение 1, 'Созданное оптической системой на полу­ прозрачном фотокатоде ФК, превращается за счет фотоэлектрон­

говая чувствительность, определяемая наименьшей освещенностью, при которой можно наблюдать изображение, и разрешающая

1 мм. Пороговая чувствительность зависит от свойств фотокатода, отдачи экрана и качества системы переноса изображения. Для уве­ личения разрешающей способности, поскольку используются широ­ кие пучки, фотокатод выполняют сферическим, а экран — плоским и тонким, чтобы уменьшить в нем рассеяние света. Засветку фото­ катода изображением устраняют, алюминируя экран. Это увеличи­ вает контрастность изображения и позволяет работать при боль­ ших ускоряющих напряжениях, не опасаясь влияния предельного

потенциала экрана .[/2кр (рис. 4.24).

Простейший преобразователь изображения, показан на рис. 4.41а. На внутренние плоские поверхности баллона нанесены соот­ ветственно фотокатод и люминесцирующий экран. Форма баллона напоминает стакан с двойным дном. Это вызвано необходимостью уменьшения утечек, так как рабочее напряжение выбирается рав­ ным нескольким киловольтам, а расстояние между фотокатодом и экраном — порядка нвакольких -единиц ■миллиметров.. Однородное электрическое поле фокусирует слабо, поэтому у такого преобразо­ вателя разрешающая способность мала. Увеличение разрешающейспособности путем уменьшения расстояния между фотокатодом и

285

экраном и увеличения ускоряющего напряжения ограничивается электрической ^прочностью прибора Применение однородного маг­ нитного поля, создаваемого длинной катушкой, существенно Увели­ чивает разрешающую способность прибора, однако заметно утяже­

ляет его.

Преобразователи изображения с электростатической фокусиров­ кой получили более широкое распространение. Один из возможных вариантов такого прибора показан на рис. 4.416. Между фотокато­ дом ФК (потенциал 0) и ускоряющим электродом УЭ (потенциал составляет несколько сотен вольт) создается слабая иммерсионная

Рис. 4.41. Преобразователи изображения:

а)' простейший; б) с элект­ ростатической фокусиров­ кой;

линза. Вторая линза, созданная ускоряющим электродом и анодом

.4 (/потенциал порядка десятков киловольт), фокусирует и ускоря­ ет электроны, обеспечивая необходимую яркость алюминированно­ го экрана. Яркость повышается также за счет уменьшения масшта­ ба изображения. Фокусировка осуществляется изменением потен­ циала ускоряющего электрода. Кроме того, в преобразователях с линзами электронные лучи всегда скрещиваются. В области скре­ щивания можно поставить диафрагму, что позволит ослабить внут­ реннюю засветку фотокатода даже при использовании обычного экрана.

Усилитель изображения отличается от преобразователя '.только свойствами фотокатода, который чувствителен к видимой части спектра. Для значительного усиления изображения усилители мож­ но включить последовательно. Обычно конструктивно их выполняют в одном баллоне, но с увеличением числа последовательно вклю­ ченных усилителей увеличивается инерционность системы из-за влияния /послесвечения промежуточных экранов.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

Эти приборыпредназначены для замыкания и размы­ кания цепей при помощи электронного луча. Они обеспечивают вы­ сокую скорость переключения и поэтому широко используются в- автоматике, телемеханике и т. д.

Электронные коммутаторы осевого типа, применяемые ранее,, строились по типу осциллографических трубок, у которых в дне колбы располагались контактные пластины, обегаемые электрон­ ным пучком при переключении электрических ' цепей. Такие пере­ ключатели работали при высоких напряжениях, и переключаемые

286 .

ими токи были малы (1ч-2 мА), поскольку определялись током катода трубки.

Радиальные переключатели, работающие при более низких на­ пряжениях и имеющие большие токи луча, вытеснили осевые. Принципиальная схема такого коммутатора с магнитной фокуси­ ровкой показана на рис. 4.42а. Электроны, эмиттируемые цилиндри­ ческим катодом, фокусируются продольным магнитным полем, на­ виваясь на его силовые линии. Образующиеся при этом два элект­ ронных пучка замыкаются на противоположных анодах, окружен­ ных защитными сетками. Во избежание попадания электронов на соседние аноды применяют экранирующие пластины с одинаковы­ ми положительными потенциалами. Общий ток пучков регулируют изменением потенциала сетки, окружающей катод. Защитные сетки могут служить для модуляции токов анодов и даже полного запи­ рания тока анода. Вращающееся магнитное поле, переключающее луч с одного анода на другой, создается тремя катушками, сдви­ нутыми друг относительно друга на угол 120° и питаемыми трех­ фазным током.' Магнитный способ управления ограничивает быст­ родействие и увеличивает габариты и вес переключателя.

Радиальный переключатель с электростатической фокусировкой

схематически показан на рис. .4.426. На экраны, между которыми

Рис. 4.42. Схемы радиального коммутатора:

■а) с магнитной фокусировкой; б) с электростатической фокусировкой;

К — катод; А — аноды; С — сетки защитные; СР — управляющая сетка; ЭП — электронный поток; Э — экран

расположены аноды, подаются разные потенциалы, рассчитанные так, чтобы создать однородное электрическое поле. Если на катод подать отрицательный потенциал, то между, экранами и катодом появится радиальное поле, которое, складываясь с однородным, ■образует поле, показанное на рисунке. Поддействием этого поля электроны собираются в пучок. Коммутация осуществляется вра­ щением однородного поля путем, изменения потенциалов экранов.

287

Рассмотренный переключатель — быстродействующий. Недо­ статком его является трудность фиксирования луча на одном аноде-

длительное время.

Трохотрон — электронно-лучевой переключатель, принцип дей­ ствия которого основан на движении электронного луча по трохои­ де в скрещенных электрическом и магнитном полях. Рассмотрим простейшую «О'нструікіцию трохотрона (Ірис. 4.43). Два плоских злек-

Анод

Рис. 4.43. К пояснениюпринципа действия трохотроиа:

К — катод; П — пластины;. Л — лопатка

трода—анод и рельс — создают однородное электрическое поле на-, нряженностью Е. Внешний магнит создает поперечное магнитноеполе напряженностью Ң. Электроны, эмиттированные из катода,, ускоряются полем анода и летят по направлению к мему со скоро­ стью Ѵу. В результате взаимодействия электрона, летящего со ско­ ростью Ѵу, с магнитным полем возникает сила Лоренца, под дейст­ вием которой траектория электрона закручивается, спустя некото­ рое время он возвращается на эквипотенциальную поверхность с потенциалом, равным потенциалу катода, если его начальная ско­ рость Ѵу была равна нулю.

Математический анализ показывает, если начальная скоростьэлектрона равна нулю, то его траектория представляет собой цик­ лоиду — траекторию точки обода катящегося колеса. Если же электрон имеет начальную скорость, то его траектория будет тро­ хоидой. Во всех случаях электроны скользят вдоль эквипотенциаль­ ной поверхности, имеющей потенциал катода, и попадают на тог электрод (пластину Я), где эта эквипотенциальная поверхность оканчивается. Для перевода эквипотенциальной поверхности на со­ седнюю пластину служат дополнительные электроды-лопатки Л. Если потенциал лопатки больше потенциала катода, то эквипотен­ циальная поверхность замкнется на верхнюю пластину, если мень­ ше, — то на нижнюю. Таким образом, электронный поток замыка­ ется либо на верхнюю пластину, либо на нижнюю. Это основной принцип работы трохотрона.

Различные .виды трох-отронов (линейный, бинарный, кольцевой) образуются комбинацией таких элементарных ячеек. Схематически конструкция линейного трохотрона приведена на рис. 4.44. Он со­ стоит из рельса, на который подается отрицательный потенциал Ur, анода с потенциалом Ua, десяти пластин П\—Пі0 и десяти лопа­ ток Л і—Лщ. Первая лопатка соединена с рельсом.

Раотмотри-м один из возможных шосоібов вікшючения трохотро­ на. Для перемещения луча от одной пластины к другой нужно ме­ нять потенциал лопатки, расположенной между ними. Отрицатель-

288

ный импульс, поданный на пластины, заставляет нулевую эквипо­ тенциальную поверхность перемещаться по второй пластине. Вследствие этого электроны, двигающиеся в определенной области, заштрихованной на рис. 4.44, попадают на вторую лопатку Л% и в ее цепи появляется ток. При этом потенциал лопатки Л2 умень­ шается до тех пор, пока не станет небольшим отрицательным. По­ этому нулевая эквипотенциаль замкнется на вторую пластину, ку­

да и переместится электронный луч. Вернуться на первую пластину после окончания импульса на пластине он не может, так как с пере­ мещением луча влево увеличится число электронов, попадающих на лопатку, а следовательно, и ее отрицательный потенциал, что вызо­ вет смещение нулевого потенциала вправо. Смещению луча вправо препятствует положительный потенциал лопатки Л& а также уве­ личение потенциала пластины П2 из-за уменьшения числа попадаю­ щих на нее электронов. Следующий отрицательный импульс пере­ водит луч в следующую ячейку. При этом потенциал лопатки Л2 становится равным поскольку электроны на нее не попадают, а потенциал лопатки Л 3 — небольшим отрицательным. Из последней десятой ячейки луч снова попадает в первую.

Скорость переключения луча "в трохотронах достигает 8 МГц, рабочие напряжения — порядка сотен вольт, а токи — порядка де­ сятков миллиампер. Отечественной промышленностью выпускаются линейные трохотроны типа ЛП-4, у которых система электродов свернута по окружности для уменьшения размеров конструкции. Его типовой режим: £/а= 150 В; Ur= —70 В; ß = 0,032 Т; ія — 2 мА. Трохотрон типа ЛП-6 имеет визуальную индикацию положения лу­ ча и поэтому может применяться для индикации и счета импульсов.