книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Таким образом, наличие тока в цепи первого анода нежела­ тельно. Поэтому в настоящее время во многих типах электронно­ лучевых приборов с электростатической фокусировкой использует­ ся прожектор с нулевым током первого анода. Свое название этот прожектор получил из-за особой конструкции первого (фокусиру­ ющего) анода, при которой практически исключается попадание электронов на данный электрод, и, следовательно, ток в цепи пер­ вого анода равен нулю.

Отсутствие тока в цепи первого анода позволяет питать все электроды оптической системы от делителя напряжения, причем изменение напряжения первого анода при фокусировке пучка не

Рис. 3.24. Прожектор с нулевым током первого анода

влияет на распределение тока, а следовательно, и напряжений по отдельным частям делителя, т. е. не приводит к расстройке первой линзы. Точно так же регулировка яркости не вызывает расстройки второй линзы. В этом заключается основное преимущество про­ жектора с нулевым током первого анода.

Кроме того, в прожекторе с нулевым током первого анода огра­ ничение пучка производится диафрагмами, установленными в элек­ тродах (ускоряющем электроде и втором аноде), имеющих наи­ более высокий потенциал. В этом случае нет необходимости принимать специальные меры (например, устанавливать дополни­ тельные диафрагмы) для улавливания вторичных электронов, так как выбиваемые вторичные электроны возвращаются обратно к наиболее положительным электродам.

Схематическое устройство прожектора с нулевым током первого анода приведено на рис. 3.24.

Как видно из рисунка, с оптической точки зрения этот про­ жектор также является комбинацией иммерсионного объектива и одиночной линзы. Чтобы средний электрод (первый анод) не пере­ хватывал электроны, отверстие в нем делается достаточно боль­ шим— в 2ч-3 раза больше отверстия ограничивающих диафрагм в ускоряющем электроде и втором аноде.

В системе прожектора с нулевым током первого анода, типич­ ной для многих серийных осциллографических трубок, фокусиру­ ющий потенциал первого анода составляет несколько сот вольт при

щейся главной проекционной линзой прожектора. Понижение потенциала среднего электрода одиночной линзы при сохранении неизменной оптической силы, обеспечивающей отображении скре­ щения в плоскости экрана, возможно при одновременном изменении геометрических соотношений системы электродов, образующих по­ ле линзы. Понижению потенциала среднего электрода способству­ ет увеличение диаметра отверстия этого электрода, уменьшение диаметров отверстий и сближение крайних электродов линзы. Ре­

чено. Хотя принципиально и возможно так рассчитать геометричес­ кие соотношения системы, чтобы наилучшая фокусировка обеспе­ чивалась при Uаi= 0, практически приходится регулировать в небольших пределах потенциал фокусирующего электрода ввиду невозможности, особенно при серийном изготовлении, точно вы­ держать размеры электронно-оптической системы. Прожекторы, построенные по приведенной схеме, находят широкое применение в современных кинескопах.

Прожекторы с электростатической фокусировкой, построенные по оптической схеме «иммерсионный объектив + одиночная линза», могут быть отнесены к прожекторам триодной системы, так как поле в прикатодной области не зависит от потенциала первого ано­ да и однозначно определяется потенциалами, размерами и взаим­ ным расположением трех электродов — катода, модулятора и уско­ ряющего электрода. Независимость действующего в плоскости модулятора напряжения от потенциала первого анода объясняется очень малой величиной проницаемости ускоряющего электрода. Ускоряющий электрод обычно выполняется в виде сравнительно длинного цилиндра с установленными внутри ограничивающими диафрагмами. Такой электрод является надежным электростати­ ческим экраном, исключающим проникновение поля первого анода в прикатодную область. Применение сравнительного длинного ци­ линдра ускоряющего электрода позволяет увеличить расстояние от плоскости объекта — скрещения до средней плоскости главной проекционной линзы, что приводит к снижению увеличения, созда­ ваемого главной линзой, т. е. к уменьшению радиуса пятна и уве­ личению разрешающей способности.

В прожекторах триодной системы, как было указано, трудно по­ лучить малые углы расхождения пучка за плоскостью скрещения [см. (3.19)] без значительного ограничения пучка диафрагмой, уста­ новленной в ускоряющем электроде или первом аноде. Кроме того, при использовании высоких ускоряющих напряжений трудно полу­ чить небольшие (по абсолютной величине) запирающие напряже­

тор — катод приходится выбирать меньше 0,1 мм и незначительное изменение этого расстояния дает существенный разброс запираю­ щего напряжения. Поэтому наряду с триодными прожекторами довольно широко распространены прожекторы тетродного типа с электростатической фокусировкой особенно в трубках, имеющих ускоряющее напряжение более 5—8 кв. Тетродная система, кроме указанных преимуществ (уменьшение угла расхождения пучка, возможность получения небольших значений запирающего напря­ жения), имеет еще одно достоинство при использовании высоких ускоряющих напряжений. В прожекторе триодной системы между модулятором и ускоряющим электродом с высоким потенциалом возникает очень большой градиент потенциала, что легко приво­ дит к электрическим пробоям. Введение между модулятором и вы­ соковольтным ускоряющим электродом дополнительного электро­ да со сравнительно невысоким (порядка нескольких сот вольт) потенциалом существенно повышает электрическую прочность про­ жектора.

Схематически устройство тетродного прожектора с электроста­ тической фокусировкой показано на рис. 3.26.

Первый ускоряющий электрод, установленный вблизи модуля­ тора, выполняется в виде короткого цилиндра и часто снабжается ограничивающей диафрагмой. Наличие диафрагмы уменьшает про­ ницаемость этого электрода, что позволяет получить меньшие зна­ чения запирающего напряжения. За первым ускоряющим электро­ дом устанавливается второй ускоряющий электрод с высоким по­ ложительным потенциалом. Смежные края цилиндров первого и второго ускоряющего электродов иногда отгибаются наружу («раз­

мерсионная линза, уменьшающая угол расхождения пучка, выхо­ дящего из плоскости скрещения. Главная проекционная линза в таких прожекторах обычно выполняется в виде одиночной линзы с нулевым потенциалом фокусирующего электрода. Прожекторы тетродного типа распространены в кинескопах с анодным напря­ жением более 10 кв.

§ 3.6. ПРОЖЕКТОР С МАГНИТНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ

Прожектор с магнитной фокусировкой обычно имеет оптическую схему в виде иммерсионного объектива (триодного или тетродно­ го), формирующего скрещение, и магнитной линзы, отображающей скрещение на плоскость приемника. Магнитная линза прожектора выполняется в виде короткой катушки, часто снабжаемой ферро­ магнитным панцирем, надетой на горловину трубки.

До недавнего времени прожектор с магнитной фокусировкой применялся во многих типах электроннолучевых трубок благодаря высокому качеству фокусировки. И в настоящее время, в тех случа­ ях, когда к величине разрешающей способности предъявляются очень высокие требования, предпочтение следует отдать прожек­ тору, в котором второй линзой служит магнитная катушка.

Причиной хороших оптических показателей магнитной линзы являются главным образом меньшие по сравнению с электростати­ ческой линзой аберрации, особенно сферическая аберрация. В маг­ нитной линзе, изготовленной в виде катушки сравнительно боль­ шого диаметра (средний диаметр 45— 50 мм), поле, пронизываемое пучком электронов, занимает лишь небольшую приосевую область. Поэтому для таких линз, располагаемых вне трубки, условие параксиальности электронного пучка соблюдается достаточно хорошо и, следовательно, аберрации могут быть небольшими. Кроме того, так как магнитное поле не меняет энергии электронов, уменьша­ ются погрешности, которые могут иметь место за счет разброса скоростей электронов при входе пучка в отклоняющую систему.

Конечно, принципиально возможно рассчитать и сконструиро­ вать электростатическую линзу с оптическими показателями (вели­ чиной аберрации), не отличающимися в худшую сторону от опти­ ческих показателей конкретной магнитной линзы. Однако приме­ нительно к электроннолучевым приборам практическая реализация электростатических линз с весьма высокими оптическими показа­ телями встречает определенные затруднения, тогда как высокока­ чественные магнитные линзы могут быть изготовлены сравнитель­ но просто. Причиной этого является невозможность существенно увеличить диаметр электродов электростатической линзы, которые должны размещаться в вакууме, т. е. внутри колбы электронно­ лучевого прибора. Увеличение диаметра горловины трубки резко снижает эффективность отклонения луча при использовании маг­ нитных отклоняющих систем (см. § 5.3). В случае же электроста­ тического отклонения при увеличении апертуры пучка сильно воз­ растают аберрации отклонения, что сводит на нет выигрыш в

качестве фокусировки за счет увеличения диаметра электродов электростатической линзы.

Как было указано, в прожекторах с магнитной фокусировкой допустимы большие апертуры пучка. Увеличение апертурного угла со стороны изображения способствует увеличению разрешающей способности [см. (3.70)], так что и в этом отношении прожектор с магнитной фокусировкой имеет определенные преимущества. Кро­ ме того, большие апертурные углы в прожекторах с магнитной фокусировкой позволяют нередко отказаться от установки ограни­ чивающих диафрагм в цилиндрах анода или ускоряющего элек­ трода. Отсутствие диафрагм, ограничивающих сечение пучка, значительно улучшает использование катода. В прожекторах с

с электростатической фокусировкой из-за необходимости ограни­ чиваться малыми апертурами иногда до 80% тока катода улав­ ливается диафрагмами, установленными внутри электродов про­ жектора.

Хорошее использование тока катода приводит к тому, что кру­ тизна модуляционной характеристики в прожекторах с магнитной фокусировкой получается больше, чем в прожекторах с электро­ статической фокусировкой. Большая крутизна модуляционной ха­ рактеристики (малая величина модуляции) также является одним из преимуществ прожекторов с магнитной фокусировкой.

Возможность использования больших апертур при сохранении хорошей фокусировки позволяет применять прожекторы с магнит­ ной фокусировкой для сравнительно больших токов луча — до не­ скольких миллиампер. В то же время увеличение сечения пучка в области главной линзы неизбежно приводит к сравнительно боль­ шему диаметру пучка в области отклонения. В случае электроста­ тического отклонения это дает резкое возрастание искажений при отклонении луча (см. § 5.4). Поэтому в трубках с магнитной фоку­ сировкой практически Не применяются электростатические откло­ няющие системы.

Прожекторы с магнитной фокусировкой строятся как по триодной, так и по тетродной схеме (рис. 3.27).

Применение тетродной схемы целесообразно в тех случаях, когда требуется достаточно высокая разрешающая способность и малые искажения при отклонении, так как дополнительная электроста­ тическая иммерсионная линза, уменьшая угол расхождения пучка, выходящего из иммерсионного объектива, приводит к уменьшению сечения луча в области главной линзы и отклоняющей системы. Тетродный прожектор часто используется в высоковольтных труб­ ках вследствие того, что наличие между высоковольтным анодом и модулятором ускоряющего электрода с сравнительно небольшим потенциалом позволяет получить малые (по абсолютной величине) значения запирающего напряжения. Кроме того, в тетродной систе­ ме, где ускоряющий промежуток разделен на две ступени, легче обеспечить необходимую электрическую прочность.

Качество фокусировки в прожекторе с магнитной линзой во многом зависит от точности изготовления катушки и ферромаг­ нитного панциря. Ферромагнитная оболочка, кроме точности гео­ метрических размеров, должна обладать хорошей магнитной сим­ метрией. Поэтому панцирь магнитной линзы должен изготовляться из высокооднородных магнитномягких материалов. Разрешающая способность сильно зависит также от точности установки магнит­ ной линзы на горловине трубки. Даже незначительные перекосы или несоосность катушки могут нарушить осевую симметрию маг­

мичны. Этот недостаток может быть устранен при использовании для фокусировки постоянных магнитов. Однако линзы, образован­ ные постоянными магнитами, пока не получили распространения главным образом из-за трудности регулирования оптических ха­ рактеристик. Следует также отметить, что из-за неоднородности уравнений движения электронов в магнитном поле (см. § 1.6) при колебаниях напряжения питания иммерсионного объектива и маг­ нитной линзы наблюдается нарушение фокусировки. Поэтому в прожекторах с магнитной фокусировкой при колебаниях напряже­ ния источников питания приходится подстраивать главную линзу, а также применять стабилизировайные источники питания или специальные электронные схемы стабилизации фокусировки.

Несмотря на некоторые недостатки (неэкономичность в эксплу­ атации, большой вес и габариты магнитных катушек, необходи­ мость стабилизации напряжений источников питания), высокие оптические параметры прожекторов с магнитной фокусировкой обе­ спечили им широкое распространение, особенно в трубках, приме­ няемых в радиолокационных индикаторных установках и в ряде специальных электроннолучевых приборов.

В тех случаях, когда решающую роль играет разрешающая спо­ собность и в то же время можно ограничиться очень малым (не более нескольких микроам­ пер) током луча, успешно используют прожектор с ис­ кусственным скрещением (рис. 3.28), иногда называе­ мый прожектором с равно­ мерной плотностью тока в пятне.

Как видно из рисунка, между модулятором и уско­ ряющим электродом (ано­ дом), примерно в плоскости формирования скрещения, установлена диафрагма с очень малым отверстием. Если отверстие диафрагмы значительно меньше рассчи­

танного сечения скрещения, то оолыиая часть периферийных тра­ екторий электронов будет срезана диафрагмой, и пучок, прошед­ ший сквозь эту диафрагму, будет иметь приблизительно одинако­ вую плотность тока по сечению. Вторая линза настраивается так, чтобы в плоскости приемника получилось изображение диафрагмы, «освещенной» электронами. В результате пятно, являющееся изо­ бражением искусственного скрещения, будет также иметь равно­ мерное распределение плотности тока и более резкую границу. Ко­ нечно, очень высокую разрешающую способность — диаметр пятна

кулоновского расталкивания в плоскости пятна вытеснят электроны цз центральной области, равномерное распределение плотности то­ ка нарушится, и диаметр пятна возрастет.

В прожекторах с искусственным скрещением чаще применяется магнитная проекционная линза, но, поскольку апертурные углы в таком прожекторе очень малы, вполне удовлетворительные резуль­ таты получаются и при использовании в качестве главной проек­ ционной линзы электростатической линзы с малыми аберрациями.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПУШКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕНСИВНЫХ ПУЧКОВ

§ 4.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУШЕК

В отличие от электронного прожектора, основным назначением которого является формирование тонкого электронного луча, сво­ димого в плоскости приемника (экрана, мишени) в весьма малое пятно, электронные пушки, создающие интенсивные пучки, служат для формирования протяженного электронного потока заданной конфигурации (цилиндрического, конического, трубчатого, ленточ­ ного и др.) с достаточно большой величиной коэффициента про­ странственного заряда (первеанса).

Поскольку интенсивный пучок принципиально не может быть сведен в точку (сфокусирован), как было показано в § 2.1, тре­ бование получения малого пятна в плоскости приемника в прило­ жении к интенсивным пучкам не является определяющим. К пуш­ кам, формирующим интенсивные пучки, обычно предъявляется тре­ бование получения (по выходе из пушки) пучка ограниченного (часто не очень малого) поперечного сечения. По выходе из пушки интенсивный пучок в пространстве, свободном от электростатиче­ ских и магнитных полей, расширяется за счет действия прост­ ранственного заряда (см. § 2.1). Для удержания пучка в заданных границах необходимы ограничивающие электростатические или магнитные поля, т. е. к собственно пушке должна примыкать фоку­ сирующая (ограничивающая расширение) система. Во многих слу­ чаях ограничивающее поле действует и в самой пушке, например в пушках с неэкранированным от магнитного поля катодом; наобо­ рот, в пушках магнетронного типа магнитное поле, формирующее поток в самой пушке, является также ограничивающим. В этих случаях, очевидно, разделение формирующей системы на собствен­ но пушку и ограничивающую систему становится условным.

Кроме основных требований — получение пучка заданной кон­ фигурации и большого первеанса — к пушкам, формирующим ин­ тенсивные пучки, предъявляется ряд общих и дополнительных тре­ бований, определяемых спецификой электронного прибора, для которого предназначена пушка. К общим требованиям следует отне­ сти получение возможно лучшего токопрохождения, т. е. снижение до минимума доли электронов, перехватываемых электродами пуш­ ки, иными словами, приближение тока пучка, выходящего из пуш­ ки, к току катода. Весьма желательно также, чтобы поток, сфор­ мированный пушкой, был упорядоченным, по возможности близким к идеальному ламинарному потоку электронов. Поскольку при

формировании интенсивных пучков часто приходится использовать достаточно высокие (до десятков киловольт) ускоряющие напря­ жения, при выборе конфигурации и расположения электродов пуш­ ки, кроме основного требования— получения необходимого фоку­ сирующего поля — следует учитывать электрическую прочность системы. Во многих практически используемых пушках осуществ­ ляется сжатие (компрессия) электронного потока с целью умень­ шить при заданном токе пучка плотность тока катода (токовую нагрузку катода), так как, во-первых, удельная эмиссия реального катода принципиально ограничена и, во-вторых, для данного като­ да срок службы будет больше при меньшей токовой нагрузке. По­ этому одним из требований, предъявляемых к пушкам, является обеспечение необходимой величины компрессии. И, наконец, в ряде случаев в пушке должна быть предусмотрена возможность управ­ ления током пучка.

Современные электронные пушки, формирующие интенсивные электронные потоки, можно классифицировать по способу фокуси­ ровки, т. е. разделять на пушки с электростатической, магнитной и комбинированной (с налагающимися электростатическим и маг­ нитным полями) фокусировками. Следует иметь в виду, что создать чисто магнитную (без электростатического поля) пушку принци­ пиально нельзя, поскольку магнитное поле не может изменить энер­ гию, т. е. ускорить электроны (см. § 1.2). Однако, если электроста­ тическое поле используется только для придания электронам пото­ ка необходимой скорости, а оформление пучка осуществляется магнитным полем, можно говорить о пушках с магнитной фоку­ сировкой.

Пушки также можно классифицировать по характеру создава­ емого пучка, т. е. рассматривать пушки, формирующие осесиммет­ ричные пучки — цилиндрические, конические, трубчатые и плоские (ленточные) — параллельные или сходящиеся. Конечно, можно предложить и другие системы классификации, например по вели­ чине первеанса, по наличию (отсутствию) компрессии или возмож­ ности управления током пучка, по применению в различных при­ борах и т. д. В настоящей книге принята классификация по виду пучка, хотя такое разделение несколько условно, так как в пушках

скомпрессией пучок в области пушки является сходящимся

Необходимо отметить, что в отношении выполнения одного из основных требований (получение большого первеанса) в настоя­ щее время достигнуты значительные успехи. Если в 40-х годах микропервеанс пучков в промышленных электронных приборах СВЧ не превышал десятых долей мка/в*/2>то в последние годы

пучков в большинстве случаев являются однопотенциальными си­ стемами, т. е. не имеют электродов с промежуточными — отличными

от нуля (потенциала катода) и от потенциала анода значениями потенциала. Системы с управляющим (модулирующим) электро­ дом, изменением потенциала которого осуществляется модуляция поля в прикатодной области, применяются лишь тогда, когда при работе прибора необходимо менять величину тока пучка.

В общем случае электронная пушка, формирующая интенсив­ ный пучОк, состоит из катода (источника свободных электронов), анода (ускоряющего электрода) и одного или нескольких фокуси­ рующих (формирующих) электродов, имеющих потенциал катода (нуль) или потенциал анода. Составной частью пушек с магнитной фокусировкой являются магнитные катушки — соленоиды или по­ стоянные магниты, создающие фокусирующие магнитные поля, с магнитопроводами или полюсными наконечниками.

Поскольку конфигурация фокусирующих электростатических по­ лей определяется потенциалами, формой и расположением элек­ тродов, а конфигурация магнитных полей — намагничивающей си­ лой магнитов, формой и расположением полюсных наконечников и ферромагнитных экранов, основной задачей при разработке пушек является определение формы и взаимного расположения электро­ дов и магнитных элементов. В частности, существенную роль при

метричными пучками используются так называемые пушки Пирса (см. § 2.4). Широкое распространение пушек этого типа объясняет­ ся возможностью формирования пирсовскими системами пучков с достаточно высоким первеансом (несколько единиц мка/в,'г) и сравнительной простотой конструкции. Кроме того, форма электро­ дов пушек Пирса поддается довольно точному расчету. На рис. 4.1 схематически изображены пушки Пирса для формирования цилинд­ рического (параллельного) и конического (сходящегося) осесим­ метричных пучков.

Электронная система пушки состоит из катода, прикатодного фокусирующего электрода с потенциалом катода и анода с поло­ жительным по отношению к катоду потенциалом.

Как было показано в § 2.4, при формировании параллельного пучка катод должен иметь плоскую форму, а прикатодный элек­ трод вблизи катода — форму усеченного конуса с углом наклона образующей 67,5° к перпендикуляру, проведенному к краю катода. Анод может быть либо плоским диском с отверстием, либо иметь выпуклую в сторону катода форму в соответствии с формой одной из эквипотенциальных поверхностей, удаленных от катода (см. рис. 2.19). Для формирования сходящегося осесимметричного пуч­ ка катод и анод должны быть частями концентрических сфер, а фокусирующий прикатодный электрод должен иметь форму чаши, (см. рис. 2.23).