книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

изменяет ток луча, так как диафрагмы срезают крайние траекто­ рии, по которым движутся электроны, испускаемые точками катода, наиболее удаленными от оси. Следовательно, после заполнения диафрагм изменение тока луча при изменении напряжения моду­ лятора аналогично изменению анодного тока электронной лампы при изменении напряжения управляющей сетки. Опыт показывает, что модуляционная характеристика тока луча прожекторов с диа­ фрагмами, ограничивающими пучок, довольно хорошо описывается уравнением закона 3/2. На рис. 3.17 в качестве примера показана область изменений тока луча для прожектора с электростатиче­ ской фокусировкой, имеющего ограничивающие диафрагмы в уско­ ряющем электроде.

Конечно, начала характеристик (точка запирания) токов като­ да и луча совпадают. Крутизна характеристики тока луча прожек­ торов с ограничивающими диафрагмами меньше крутизны моду­ ляционной характеристики тока катода. Обычно ограничивающие диафрагмы ставят в прожекторах, имеющих в качестве второй электростатическую линзу. Прожекторы с магнитной фокусировкой (имеющие в качестве второй магнитную линзу) часто не имеют ограничивающих диафрагм. Поэтому прожекторы с магнитной фо­ кусировкой имеют более крутую модуляционную характеристику луча (или меньшую модуляцию), чем электростатические прожек­

в центральной, наиболее нагруженной области катода может на­ ступить насыщение по току. В этом случае изменение напряжения модулятора будет влиять на изменение тока только периферийных областей катода, а насыщенный ток центральной области прак­ тически не будет меняться. Так как периферийные области катода обеспечивают лишь часть (обычно меньшую из-за неравномерности поля у поверхности катода) всего тока катода, насыщение в цент­ ральной области приводит к уменьшению общего тока, значитель­ ному падению крутизны модуляционной характеристики и росту модуляции. При достаточной эмиссии катода и любом значении напряжения модулятора — от напряжения запирания до нуля — у всей поверхности катода, включая центральную область, будет су­ ществовать пространственный заряд, ограничивающий ток. В этом случае максимальный ток катода будет пропорционален запира­ ющему напряжению в степени 3/2 [см. (3.60)].

Коэффициент пропорциональности в уравнении (3.60), имеющий смысл первеанса

£Л<оГ/!

и может служить мерой эмиссионной способности катода прожек­ тора. Иногда он называется проводимостью иммерсионного объ­ ектива.

Практически сравнение катодов однотипных прожекторов удоб­ но производить, построив график зависимости / Нтах = р/^Л|03/ нанося экспериментально полученные значения / нтах при различ­ ных величинах £/м0, можно оценить отклонения этих точек от тео­ ретически рассчитанной кривой. В качестве примера на рис. 3.18 показано подобное построение для серии прожекторов электронно­ лучевой трубки типа 8Л029И.

Как видно из рисунка, большинство прожекторов имеет почти одинаковую проводимость: экспериментальные точки приближают-

ся к теоретической кривой, который разброс эксперимен­ тальных точек можно объяс­ нить допускаемым разбросом геометрических размеров од­ нотипных прожекторов. Но, как показывает эксперимент, влияние эмиссионной способ­ ности катода на величину про­ водимости иммерсионного объ­ ектива существенно больше, чем влияние допустимых для прожекторов одного типа из­ менений геометрических соот­ ношений. Таким образом, срав­ нение однотипных прожекто­ ров по описанной методике является достаточно объек­ тивным.

§ 3.4. ГЛАВНАЯ ПРОЕКЦИОННАЯ ЛИНЗА

Как было указано выше, прожекторы большинства современных электроннолучевых прожекторов строятся по двухили трехлинзо­ вой оптической схеме. Вторая линза в двухлинзовом прожекторе

ным объективом) на плоскость приемника электронов — экрана или мишени. Если первая линза прожектора (иммерсионный объектив) принципиально должна быть электростатической из-за необходи­ мости ускорения электронов, испускаемых катодом, то главная про­ екционная линза может быть как электростатической, так и маг­ нитной, в соответствии с чем различают прожекторы с электроста­ тической или магнитной фокусировкой.

Независимо от типа главной проекционной линзы можно сфор­ мулировать общие требования, предъявляемые к этой линзе.

В большинстве случаев одним из существенных параметров элек­ троннолучевого прибора является разрешающая способность, опре­ деляемая в общем случае количеством информации, которая может быть «записана» на экране или мишени электроннолучевого при­ бора. Очевидно, чем меньше сечение электронного луча в плоско­ сти приемника, тем больше объем информации, умещающейся на единичной площади поверхности экрана или мишени.

Разрешающую способность часто оценивают числом раздельно различных строк, укладывающихся на определенной высоте растра на экране. Например, удовлетворительное телевизионное изобра­ жение получается при разрешающей способности кинескопа не менее 600 строк в центре экрана.

Сечение электронного луча в плоскости приемника электронов обычно оценивается радиусом пятна на экране или мишени. Таким образом, из требования высокой разрешающей способности непо­ средственно вытекает основное требование, предъявляемое в глав­

сти пятна (изображения); уг — апертурный угол со стороны пятна (изображения).

Ограничиваясь малыми апертурными углами (что имеет место в большинстве случаев), из (3.68) получим выражение, определя­ ющее радиус пятна:

(3.69)

Подставим в (3.69) радиус скрещения, определяемый уравнени­ ем (3.8):

(3.70)

Из выражения (3.70) следует, что в первом приближении ра­ диус пятна не зависит от потенциала в области скрещения. В то же время уменьшение начальных скоростей электронов (еи0), т. е. использование низкотемпературных катодов, способствует умень­ шению радиуса пятна.

Радиус пятна можно уменьшить также за счет повышения по­ тенциала в пространстве изображения. Повышение потенциала экрана выгодно еще по нескольким причинам: уменьшение влияния

пространственного заряда (сил кулоновского расталкивания), уве­ личение яркости свечения экрана (см. § 6.2), уменьшение влияния внешних электростатических и магнитных полей и др. Поэтому уменьшение радиуса пятна (увеличение разрешающей способности) за счет формирования пятна при более высоком потенциале ус­ пешно реализуется во многих типах электроннолучевых приборов.

Из выражения (3.70) также следует, что уменьшить радиус пятна, т. е. повысить разрешающую способность, можно, уменьшая апертурный угол со стороны скрещения (yi) и увеличивая апер­ турный угол со стороны пятна (уг). Уменьшение yi в небольших пределах возможно за счет уменьшения расхождения пучка после скрещения (см. § 3.2) или применения апертурных диафрагм с ма­ лым отверстием, вырезающих центральную часть пучка. Однако при этом теряется значительная доля электронов, т. е. сильно уменьшается величина тока луча.

Увеличение уг— угла схождения у экрана возможно либо за счет увеличения сечения пучка в области главной линзы, либо за счет приближения главной линзы к экрану. В первом случае за­ метно возрастают аберрации главной линзы, что ведет к увеличе­ нию радиуса пятна, т. е. этот способ не обеспечивает увеличение разрешающей способности. Во втором случае расстояние от центра отклонения луча до экрана становится очень малым, что приводит к снижению чувствительность по отклонению (см. § 5.1). Поэтому в реальных приборах приходится выбирать некоторое достаточно малое значение угла уг.

Необходимо иметь в виду, что в практически осуществимых электронно-оптических системах величины, входящие в уравнение (3.70), не могут изменяться независимо, в частности, увеличение Ьа приводит к заметному уменьшению уг, так что с ростом Un раз­ решающая способность увеличивается в меньшей степени, чем это следует из (3.70).

Как было показано в § 3.2, условный радиус скрещения прин­ ципиально не может быть сделан сколь угодно малым. Следова­ тельно, и пятно, являющееся изображением скрещения, принципи­ ально не может быть точечным. Из (3.69) можно определить уве­ личение главной линзы как отношение радиуса пятна к радиусу скрещения:

При практически приемлемых соотношениях апературных углов и потенциалов, учитывая, что во многих типах прожекторов скре­ щение формируется при потенциалах, близких к потенциалу в об­ ласти пятна U„, затруднительно получить М < 1. Поэтому пятно обычно является слегка увеличенным изображением скрещения.

К увеличению размеров пятна приводит также наличие абер­ раций главной линзы. Так как скрещение (объект), отображаемое главной линзой, лежит на оси системы и имеет малые размеры, из всех видов геометрических аберраций существенную роль игра­

ет сферическая аберрация главной линзы. Поэтому немаловажным требованием, предъявляемым к главной линзе, является возможно меньшая сферическая аберрация. Практически часто наблюдаемая асимметрия пятна на экране, когда при изменении настройки глав­ ной линзы на экране образуется пятно в виде эллипса, поворачи­ вающего вокруг центра, позволяет сделать вывод, что это есть проявление астигматизма. Такой приосевой астигматизм в боль­ шинстве случаев является следствием нарушения осевой симмет­ рии поля в области линзы из-за неточности изготовления или сбор­ ки электродов, создающих поле электростатической линзы. В про­ жекторах с магнитной фокусировкой заметный астигматизм наблюдается при перекосе катушки магнитной линзы, надетой на горловину трубки.

Астигматизм главной линзы приводит к уменьшению разреша­ ющей способности, причем в зависимости от настройки главной

кали. В связи с этим к точности изготовления, сборки и установки главной проекционной линзы предъявляются высокие требования.

Другие виды геометрических аберраций — искривление поверх­ ности изображения, кома и дисторсия — имеют относительно мень­ шее практическое значение, так как в правильно сконструирован­ ном прожекторе объект (скрещение) является достаточно малым, апертурные углы также невелики, т. е. условия параксиальности выполняются хорошо.

Поскольку пятно является изображением скрещения, очевидно, что размер пятна зависит от радиуса скрещения. Но, как было указано в § 3.2, само понятие «радиус скрещения» является усло­ вным из-за неравномерного распределения тока по сечению скре­ щения и отсутствия резкой границы скрещения. Следовательно, пятно тоже не имеет резкой границы, и следует выбрать некоторое условное определение радиуса пятна. Распределение тока на пло­ щади пятна примерно соответствует распределению тока в сечении скрещения. В свою очередь, яркость свечения экрана приблизитель­ но пропорциональна плотности тока луча (см. § 6.2). На основании этого можно условно считать радиусом пятна полуширину кривой яркости (рис. 3.19), т. е. радиус круга, на границе которого яркость составляет 50% максимальной яркости (в центре пятна).

При таком определении два отдельных пятна, центры которых расположены на расстоянии условного радиуса пятен, перестают различаться глазом раздельно, т. е. сливаются в одно пятно удли­ ненной формы.

Строго говоря, кривая яркости совпадает с кривой распределе­ ния тока в сечении скрещения лишь в том случае, если весь пучок электронов, выходящий из плоскости скрещения, доходит до экра­ на. Наличие ограничивающих диафрагм приводит к некоторому искажению кривой распределения яркости. Однако опытное иссле­ дование распределения яркости по сечению пятна показало, что кривая распределения яркости описывается тем же экспоненциаль­ ным законом, которому подчиняется распределение плотности тока в скрещении [см. (3.16)]:

где В0— яркость в центре пятна; b — постоянная. Экспериментальная проверка выражения (3.72) на ряде про­

жекторов показала достаточно хорошее совпадение опытных кри­ вых с теоретически рассчитан­ ной. В качестве примера на рис. 3.20 показана эксперимен­ тальная кривая распределения яркости по радиусу пятна, сформированного прожектором с магнитной фокусировкой. Пунктиром показана кривая, построенная по уравнению (3.72).

Указанная зависимость заметно нарушается лишь тогда, когда ограничивающая диафрагма установлена в непосредственной бли­ зости к плоскости скрещения. Установка диафрагмы вблизи пло­ скости скрещения с радиусом отверстия, равным теоретически рас­ считанному радиусу скрещения, должна была бы привести к полу­ чению пятна, имеющего более резкую границу из-за срезания значительной части периферийных электронов. Однако влияние сил кулоновского расталкивания вблизи экрана и наличие аберраций второй линзы приводят к увеличению радиуса пятна и размытию его границы. Ограничивающие диафрагмы, устанавливаемые в пло-

скости скрещения с очень малыми отверстиями, используются толь­ ко в специальных прожекторах, имеющих равномерную плотность тока в пятне, называемых также прожекторами с искусственным скрещением.

Необходимо отметить, что лучшие результаты, т. е. наименьшее пятно или наибольшая разрешающая способность, достигаются при такой настройке главной линзы, при которой изображение скреще­

ванная теория создания изображения на экране приводит к вы­ воду о независимости разрешающей способности от абсолютной величины тока луча. Однако опыт показывает, что теоретически ожидаемая независимость радиуса пятна от тока луча соблюдает­ ся лишь при очень малых токах, не превышающих несколько мик­ роампер, т. е. когда можно пренебречь влиянием пространственного заряда в области формирования пятна. Влияние пространственного заряда заметно сказывается при росте тока луча; кроме того, с ростом тока луча увеличиваются апертурные углы, что приводит к увеличению аберраций главной линзы и, как следствие, к умень­ шению разрешающей способности. Уменьшение разрешающей спо­ собности с ростом тока луча сильнее проявляется в прожекторах с электростатической фокусировкой, так как в них используются

диафрагм и со сравнительно большим диаметром фокусирующих катушек спад разрешающей способности с ростом тока луча отно­ сительно меньше. Аналитический расчет зависимости разрешаю­ щей способности от тока луча представляет большие трудности, и анализ этой зависимости обычно проводится на основе экспери­ ментальных данных. На рис. 3.22 показана опытная кривая зави­ симости разрешающей способности от тока луча, полученная на экспериментальном прожекторе с магнитной фокусировкой. За 100% принята разрешающая способность при токе луча 1 мка.

В то же время увеличение потенциала в пространстве изобра­ жения (у экрана) способствует росту разрешающей способности.

Поэтому в случае необходимости сохранения высокой разрешаю­ щей способности и увеличения яркости свечения экрана целесооб­ разно повышать ускоряющее напряжение [что приводит к росту яркости (см. § 6.2)], оставляя ток луча сравнительно небольшим.

Наконец, следует отметить, что силы кулоновского расталкива­ ния и аберрации второй линзы приводят к заметно меньшим вели­ чинам плотности тока в плоскости пятна по сравнению с теорети­ чески рассчитанными. Хотя распределение плотности тока в пятне довольно близко к распределению плотности тока в сечении скре­ щения, максимальное значение плотности тока, измеренное в цент­ ре пятна, в большинстве случаев составляет не более 50% теорети­ чески рассчитанного.

§ 3.5. ПРОЖЕКТОР^ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ'ФОКУСИРОВКОЙ

Прожектор с электростатической фокусировкой, как показывает само название, имеет в качестве второй линзы электростатическую

и в то же время позволяет получить удовлетворительные резуль­ таты. В ранее разработанных электроннолучевых трубках такой прожектор применялся очень часто.

Одним из основных недостатков этого прожектора, приведшего к постепенному вытеснению его более совершенными типами, яв­ ляется взаимосвязь между первой и второй линзами. В самом деле, первый анод (Л]) своим краем, обращенным к катоду, формирует поле иммерсионного объектива, тогда как противоположный край

его является одним из электродов, образующих вторую (иммерси­ онную) линзу. Вследствие этого изменение потенциала первого ано­ да одновременно изменяет оптические свойства обеих линз; в част­ ности, при настройке второй линзы одновременно изменяется дей­

ными, что создает неудобства в эксплуатации приборов с прожек­ торами рассматриваемого типа.

Особенно сильно сказывается эта взаимосвязь при питании всех электродов прожектора от общего делителя напряжения, что обыч­ но имеет место в осциллографических трубках. Изменение тока катода при регулировке напряжения модулятрра изменяет ток, улавливаемый диафрагмой первого анода. Этот ток, проходя по общему делителю, изменяет распределение напряжений на его пле­ чах, что вызывает изменение потенциала первого анода, т. е. на­ рушение фокусировки главной линзы. Настройка фокусировки изменением потенциала первого анода по той же причине при­ водит к изменению потенциала модулятора, т. е. к модуляции яркости.

Кроме того, в прожекторах, построенных по схеме рис. 3.23, а, необходимо принимать специальные меры для улавливания вто­ ричных электронов, выбиваемых лучом с краев ограничивающих диафрагм, установленных в цилиндре первого анода. Вторичные электроны, увлекаемые ускоряющим полем в промежутке между первым и вторым анодами, могут доходить до экрана.

В зависимости от места зарождения вторичных электронов и конфигурации поля поток вторичных электронов может попадать на экран в виде широкого несфокусированного пучка или в виде сравнительно узкого луча, но с плоскостью наименьшего сечения, не совпадающей с поверхностью экрана. В первом случае экран будет равномерно (слабо) светиться, что приведет к снижению контрастности (см. § 6.1); во втором случае след пучка вторичных электронов будет восприниматься как размытое пятно сравнитель­ но большого диаметра, что приведет к снижению разрешающей способности. Наиболее просто пучок вторичных электронов может быть перехвачен специальной диафрагмой, устанавливаемой в ци­ линдре второго анода.

Прожектор, построенный по схеме рис. 3.23,6, в настоящее вре­ мя является наиболее распространенным. По сравнению с выше­ описанным он имеет ряд преимуществ. Во-вторых, расположенный за модулятором ускоряющий электрод имеет неизменный потенци­ ал и, следовательно, служит электростатическим экраном между первой и второй линзами. Настройка второй линзы (одиночной) путем изменения напряжения первого (фокусирующего) анода не влияет на оптические свойства первой линзы. Точно так же управ­ ление яркостью путем изменения потенциала модулятора не вли­ яет на вторую линзу, т. е. в таком прожекторе отсутствует неже­

луч почти на всей длине прожектора находится в области с высо­ ким потенциалом, что, очевидно, выгодно, так как чем больше ско­ рость электронов, тем меньше относительное влияние разброса начальных скоростей и сил кулоновского расталкивания. Кроме того, чем выше потенциал пространства, в котором перемещаются электроны, тем меньше относительное влияние внешних электро­ статических и магнитных полей на движение электронов: луч с повышением потенциала становится более жестким.

В рассматриваемом прожекторе потенциал среднего электрода одиночной линзы (первого, или фокусирующего, анода) обычно выбирается ниже потенциала крайних электродов (ускоряющего электрода и второго анода). При Ua\<U&2 напряжения ко всем электродам прожектора удобно подводить от общего делителя, включенного параллельно прожектору. Кроме того, при £/ai< £ /a2 сечение пучка в области второй линзы оказывается меньшим (см. § 1.8), что приводит к уменьшению аберраций второй линзы и, как следствие, к уменьшению размера пятна.

Наконец, чем ниже потенциал среднего электрода, тем меньше относительное влияние нестабильности фокусирующего напряже­ ния на качество фокусировки. Поэтому целесообразно так подо­ брать геометрические размеры электродов второй линзы, чтобы необходимая оптическая сила достигалась при возможно меньшем значении Ua\. Очевидно, в пределе значения Ua1 может быть рав­ но нулю— получается однопотенциальная линза с нерегулируемым фокусным расстоянием. Однако использование однопотенциальных систем в электроннолучевых приборах ограничено, так как фоку­ сировка такой системы возможна лишь путем смещения объекта, линзы или плоскости изображения вдоль оси, что практически не может быть выполнено. Изготовление электродов линзы с жестко заданными геометрическими размерами требует очень высокой точности обработки и сборки системы и экономически не оправ­ дывается. Поэтому потенциал среднего электрода обычно отличен от нуля для возможности настройки второй линзы, но, как прави­

ло, t/ai< t/a 2-

Если часть пучка срезается средним электродом второй линзы (первым анодом), то в цепи этого электрода проходит заметный ток, и при использовании общего делителя настройка второй лин­ зы вызывает перераспределение тока и напряжений по плечам делителя, что может привести к появлению взаимосвязи второй и первой линз. Эта взаимосвязь может быть заметно усложнена вто­ ричной эмиссией с поверхности первого анода.

Вторичные электроны, выходящие с краев диафрагмы первого анода, улавливаются ускоряющим электродом и вторым анодом, имеющим более высокий потенциал, что приводит к уменьшению величины тока в цепи первого анода. Если коэффициент вторичной эмиссии поверхности первого анода станет больше единицы, то ток в цепи первого анода изменит направление на обратное. Конечно, вторичные электроны, проходящие сквозь диафрагму второго ано­ да, могут вызвать паразитное свечение экрана.