книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

ковых высокоомных (несколько мегом) резисторов, и средняя точка делителя соединяется с анодом прожектора. При симмет­ ричном включении поля в пространстве отклонения получаются симметричными относительно средней плоскости отклоняющей си­ стемы, и трапецеидальное искажение практически устраняется. Точно так же скорость электронов из-за неэквипотенциальности пространства отклонения изменяется относительно меньше, чувст­ вительность отклонения меньше зависит от величины отклоняюще­ го напряжения. И, наконец, образующиеся за счет полей рассеяния цилиндрические линзы также становятся симметричными, и их дей­ ствие проявляется в меньшей степени. Поэтому симметричное включение отклоняющих пластин является преимущественным.

Когда симметричное включение пластин почему-либо не может быть использовано, трапецеидальные искажения можно значитель­ но уменьшить приданием пластинам верхней пары специальной формы (рис. 5.16).

Как видно из рисунка, пластина, не соединенная с анодом про­ жектора, имеет отогнутые края, вследствие чего поле у краев пла­ стин получается более однородным и луч вблизи края пластины не испытывает дополнительного вертикального отклонения.

Искажения можно уменьшить подбором формы прорезей в эк­ ранах, устанавливаемых между пластинами вертикального и гори­ зонтального отклонения, а также между анодом прожектора и от­ клоняющей системой. Вредное действие цилиндрической линзы, образующейся между анодом прожектора и входным краем откло­ няющей системы, иногда можно компенсировать небольшим изме­ нением среднего потенциала между отклоняющими пластинами относительно анода прожектора.

Следует отметить, что неэквипотенциальность пространства от­ клонения является принципиальным недостатком электростатическо­ го отклонения, причем этот недостаток, особенно сильно сказыва­ ющийся при сравнительно больших углах отклонения, не может быть устранен. Поэтому электростатические системы не могут быть строго линейными. Степень нелинейности можно оценить коэф­ фициентом нелинейности q, определяемым как отношение раз­ ности смещения пятна на экране реальной трубки (h') и смещения пятна при отклонении идельаной системой (h) ко всей величине смещения:

Коэффициент нелинейности возрастает с увеличением угла от­ клонения. Заметная величина q при углах отклонения больше 15— 20° является одной из причин, ограничивающих использование электростатических отклоняющих систем при сравнительно боль­ ших углах отклонения. Коэффициент нелинейности электростати­ ческих систем современных осциллографических трубок составля­ ет примерно 0,5—2%.

Нарушение линейности при одинаковых углах отклонения мень­ ше в случае магнитного отклонения по сравнению с электростати­ ческим. Это объясняется главным образом тем, что магнитная от­ клоняющая сила (сила Лоренца) всегда перпендикулярна к на­ правлению скорости электронов и при магнитном отклонении величина скорости (энергии) электронов принципиально не может измениться. Однако анализ магнитного отклонения показывает, что даже при совершенно однородных магнитных полях имеет место нарушение линейности.

Допустим, что обе отклоняющие магнитные системы питаются токами, изменяющимися во времени по пи­ лообразному закону (обычная телевизион­ ная развертка). Предположим также, что в любой момент времени отклоняющие поля обеих систем строго однородны во всей об­ ласти отклонения и взаимно перпендику­ лярны. В этом случае, очевидно, на экране возникнет прямоугольный растр, т. е. ис­ кажения не будет. Однако время нахожде­ ния электронов в поле одной системы будет зависить от величины отклонения луча вто­ рой системой (предполагается, как это обычно бывает на практике, что поля си­ стем совмещены в пространстве). Напри­ мер, время нахождения электронов в поле катушек вертикального отклонения будет тем больше, чем на больший угол откло­

нится луч полем системы горизонтального отклонения, так как при этом удлиняется путь электронов. Поэтому горизонтальный им­ пульс, переданный электронам луча при неизменной величине ин­ дукции горизонтально отклоняющего поля, будет тем больше, чем больше угол отклонения в вертикальном направлении.

Это обстоятельство приводит к нарушению линейности: растр на экране при использовании идеально однородных отклоняющих полей принимает подушкообразную форму. Аберрацию можно зна­ чительно уменьшить, применяя отклоняющие поля слегка подуш­ кообразной формы (рис. 5.17).

В этом случае при больших углах отклонения электроны попа­ дают в области с меньшей, чем вблизи оси, магнитной индукцией, и вследствие уменьшения отклоняющей силы, несмотря на боль­ шее время нахождения электронов в поле, подушкообразность растра уменьшается. Практически указанная коррекция осуществ­ ляется приданием соответствующей формы отогнутым краям ка­ тушек. Указанный способ дает удовлетворительные результаты лишь при сравнительно небольших углах отклонения. При углах отклонения свыше 45° целесообразно применять небольшие посто­ янные магниты, располагаемые за выходным краем отклоняющей системы параллельно направлениям развертки луча. Постоянные магниты создают поле, направленное противоположно полю откло-

няющей системы. При этом отклоняющая сила, создаваемая по­ лем отклоняющей системы, по мере приближения луча к краю ка­ тушки несколько уменьшается (поле отклоняющей системы ком­ пенсируется противоположно направленным полем постоянного магнита), и подушкообразность растра значительно уменьшается.

Кроме рассмотренного искажения растра, при магнитном от­ клонении приходится считаться с нелинейностью отклонения, воз­ никающей вследствие изменения неоднородности отклоняющих по­

ренца, вызывающая отклонение, не параллельна оси ОХ, а в каж­ дой точке направлена по касательной к кривой, пересекающей си­ ловые линии под прямым углом.

Кроме того, так как магнитная индукция больше у краев от­ клоняющего поля (силовые линии сгущаются к краям), горизон­ тальное* отклонение будет больше для луча, смещенного в верти­ кальном направлении. Таким образом, и вертикальные края растра будут искривлены. Наоборот, при подушкообразном отклоняющем поле (рис. 5.18, б) сила Лоренца будет направлена вдоль бочко­ образной кривой. За счет разрежения силовых линий к краям поля величина отклонения в горизонтальном направлении будет зави­ сеть от смещения по вертикали, уменьшаясь с удалением от сред­ ней плоскости. В этом случае растр примет бочкообразную форму.

расчет, стрела прогиба сильно зависит от угла отклонения луча: она примерно пропорциональна третьей степени величины угла от­ клонения:

Таким образом, даже небольшая бочкообразность отклоняюще­ го поля при больших углах отклонения может вызвать заметное искажение растра. В то же время небольшая подушкообразность отклоняющего магнитного поля может оказаться полезной, так как в этом случае, как было показано выше, достигается компенсация искажений формы растра, наблюдаемых при использовании стро­ го однородного отклоняющего поля.

Вторая группа аберраций отклоняющих систем, приводящая к искажению формы пятна на экране, т. е. к нарушению фокусиров­ ки, вызывается главным образом конечной величиной сечения эле­ ктронного пучка в пространстве отклонения. Эти аберрации прак-

Рис. 5.19. Возникновение астигматизма электроста­ тической отклоняющей системы

тйчески всегда имеют место, так как пучок по выходе из прожекто­ ра принципиально не может быть сделан бесконечно тонким. Более того, часто целесообразно иметь не очень малый апертурный угол со стороны экрана (см. § 3.1).

На рис. 5.19 схематически показано возникновение нарушения фокусировки (астигматизма) при электростатическом отклонении.

Предположим, что пучок круглого сечения отклоняется одно­ родным полем плоскопараллельных пластин электростатической отклоняющей системы. Неотклоненный пучок (пунктирные линии на рисунке) фокусируется в точку © плоскости экрана. Предполо­ жим также, что отклоняющее поле резко спадает до нуля вне пла­ стин. Кроме того, допустим, что использовано симметричное вклю­ чение пластин, т. е. потенциал в средней плоскости отклоняющей системы равен потенциалу выходного электрода прожектора.

Очевидно, электроны, движущиеся по траекториям, лежавшим до отклонения в так называемой сагиттальной плоскости, т. е. в плоскости, перпендикулярной к плоскости отклонения луча (см. рИс - 5.19, плоскость ab), испытывают одинаковое действие откло­ няющего поля и будут находиться в этом поле одинаковое время независимо от того, проходит траектория вблизи точки а или Ь. Лучи же, находившиеся до отклонения в меридиональной плоско­ сти (см. рис. 5.19, плоскость cd), отклонятся по-разному в зависи­ мости от их первоначального положения, т. е. в зависимости от того, находились ли они вблизи точки с или d. В самом деле, эле­ ктроны, движущиеся в меридиональной плоскости вблизи точки с,

имеют несколько меньшую скорость, чем электроны, проходящие вблизи точки d, так как потенциал в точке с несколько ниже, а по­ тенциал в точке d несколько выше потенциала в средней плоскости. Очевидно, эта разность потенциалов, а следовательно, и разность скоростей, будет тем больше, чем больше отклоняющее напряже­ ние. Вследствие разницы в скоростях электроны, проходящие вбли­ зи точки с, будут находиться в отклоняющем поле дольше и от­ клоняться сильнее, чем более быстрые электроны, пролетающие вблизи точки d.

Таким образом, электроны, движущиеся по траекториям, лежа­ щим в меридиональной плоскости, пересекутся не в плоскости экрана, а ближе к отклоняющей системе, и на экране вместо точ­ ки (круглого пятна) образуется вертикальная черточка (или эл­ липс). Это искажение формы пятна получило название а с т и г м а ­

в области отклонения и от угла отклонения. Приближенно можно считать, что размер аберрационной фигуры (большая ось эллипса) линейно зависит от угла раствора пучка и квадратично от угла от­ клонения.

В реальных отклоняющих системах нарушение фокусировки при больших углах отклонения обусловливается еще одной причи­ ной. Поля рассеяния за краями пластин в общем случае образуют цилиндрическую линзу, ось которой лежит в сагиттальной плоско­ сти. Эта линза оказывает фокусирующее действие на лучи, прохо­ дящие вблизи меридиональной плоскости, и эти лучи пересекаются перед плоскостью экрана. В то же время на сагиттальные лучи цилиндрическая линза не действует, и они создают изображение кроссовера в плоскости экрана. В результате действия цилиндри­ ческой линзы пятно на экране искажается — приобретает форму эллипса.

Астигматизм, вызванный фокусирующим действием цилиндри­ ческой линзы, имеет место даже при небольшом угле отклонения и сильно возрастает с увеличением этого угла. Это объясняется тем, что по мере увеличения отклоняющего напряжения растет градиент потенциала между отклоняющей системой и вторым ано­ дом прожектора (или экраном, имеющим потенциал выходного электрода прожектора), вследствие чего увеличивается оптическая сила цилиндрической линзы.

Астигматизм электростатических отклоняющих систем, связан­ ный с конечной толщиной пучка в пространстве отклонения, уда­ ется несколько уменьшить, применяя узкие пластины с шириной, лишь немного превышающей диаметр пучка, или пластины специ­ альной формы с выступами (рис. 5.20).

При использовании таких пластин отклоняющее поле принима­ ет (в плоскости, перпендикулярной к оси) подушкообразную фор­ му. Эта неоднородность отклоняющего поля в некоторой степени

компенсирует излишне большое отклонение меридиональных лучей за счет того, что по мере увеличения угла отклонения пучок пере­ ходит в область с меньшей напряженностью поля.

Астигматизм, вызванный фокусирующим действием цилиндри­ ческих линз, значительно меньше при симметричом включении пла­ стин. Кроме того, его можно заметно уменьшить подбором наибо­ лее выгодного расположения экранов между обеими парами от­ клоняющих пластин и на выходе из системы, а также изменением формы прорезей в этих экранах. Заметный эффект достигается и некоторым смещением среднего потенциала в пространстве откло­ нения относительно потенциала второго анода.

Так как астигматизм отклонения сильно возрастает с увеличением угла отклонения, при использовании электростатических откло­ няющих систем обычно приходится ограничи­ ваться сравнительно небольшими углами от­ клонения (до 15— 20°).

Магнитным отклоняющим системам также присущ астигматизм. Как известно, однород­ ное поперечное магнитное поле обладает фо­ кусирующим действием. Таким образом, маг­ нитная система не только отклоняет пучок, но и дополнительно фокусирует его. Это допол­ нительное фокусирующее действие нельзя скомпенсировать изменением настройки лин­

зы прожектора, так как оптическая сила дополнительной линзы не постоянна и изменяется примерно пропорционально квадрату угла отклонения. Поскольку дополнительное собирающее действие ис­ пытывают только лучи, лежащие в плоскости отклонения, пучок, имевший при входе в отклоняющую систему круглое сечение, в плоскости экрана становится эллиптическим, и на экране возника­ ет аберрационная фигура, характерная для астигматизма. Если от­ клоняющее поле не однородно, то это тоже приводит к нарушению фокусировки.

На рис. 5.21 показано сечение электронного пучка в области неоднородного магнитного поля.

Нетрудно видеть, что вследствие искривления магнитных си­ ловых линий сила Лоренца имеет не только горизонтальную со­ ставляющую, отклоняющую пучок в заданном направлении, но также вертикальную составляющую, величина и ориентация кото­ рой различны в разных точках сечения пучка. Наличие этой со­ ставляющей приводит к изменению формы сечения пучка — возни­ кает астигматизм.

Поскольку астигматизм имеет место даже при отклонении од­ нородным полем, естественно попытаться найти слегка неоднород­ ное поле, в котором он был бы минимальным. Такое поле может быть рассчитано аналитически. Оказывается, что минимальный ас­ тигматизм получается при использовании для отклонения слегка подушкообразных полей.

Следует отметить, что нарушение фокусировки при магнитном отклонении значительно меньше, чем при электростатическом, что объясняется в основном неизменностью величины скорости элект­ ронов, движущихся в магнитном поле. Более высокая линейность и меньшие искажения формы пятна (меньшая дефокусировка) пзоволяют использовать магнитные отклоняющие системы для от­ клонения луча на большие углы — до 60°

Необходимо иметь в виду, что одновременное выполнение обо­

жна быть частью сферы с центром, совпадающим с центром отклонения луча. Очевидно, эти требования не могут быть выполнены одновремен­ но, так что даже если бы удалось создать идеальные отклоняющие си­ стемы, свободные от аберраций, не­ которое нарушение линейности или фокусировки при отклонении луча на не очень малые углы все равно имело бы место.

При наличии астигматизма от­ клоняющей системы можно подобрать такую искривленную поверх­ ность экрана, на которой астигматический эллипс превратится в круг. Эта поверхность наилучшей резкости не является ни плоско­ стью, ни частью сферы с центром, совпадающим с центром откло­ нения. Например, при магнитном отклонении наименьший астигма­ тизм получается на поверхности экрана, близкой к сферической, но с радиусом, значительно меньшим расстояния от экрана до центра отклонения. Конечно, такой очень выпуклый со стороны наблюдателя экран не может быть применен из-за больших опти­ ческих искажений. Поэтому выбор наилучшей формы экрана яв­ ляется довольно сложной задачей и требует учета, кроме приведен­ ных факторов, необходимой механической прочности экрана. Прак­ тически у небольших приборов экраны часто имеют плоскую форму, более крупные экраны обычно имеют сферическую поверхность, но

срадиусом, большим расстояния от экрана до центра отклонения.

Взаключение следует отметить, что искажения, возникающие при отклонении электронных пучков, в общем случае можно рас­ сматривать как аберрации электронных призм, которыми с опти­ ческой точки зрения являются отклоняющие системы. При таком подходе искажения при отклонении следует рассматривать как ошибки изображения третьего порядка — астигматизм и искрив­

ление поля изображения, кому и дисторсию. Основную роль в боль­ шинстве случаев играют рассмотренные выше астигматизм, приво­ дящий к нарушению фокусировки, и дисторсия, обусловливающая Искажение формы растра.

Принципиально возможно аналитически рассчитать коэффици­ енты указанных видов аберраций и соответствующим изменением отклоняющих полей и формы экрана попытаться свести эти коэф­ фициенты к минимальным значениям. Однако одновременное уст­ ранение всех видов аберраций, т. е. сведение к нулю величин всех аберрационных коэффициентов, невозможно. Поэтому при расчете отклоняющих систем стремятся в первую очередь устранить одну из ошибок, чаще всего астигматизм. Аберрационная фигура комы нередко лежит целиком внутри астигматического эллипса, и, сле­ довательно, в этих случаях кома не играет существенной роли. Только при использовании широких (в области отклонения) пуч­ ков кома может иметь самостоятельное значение, и тогда ее кор­ рекция оказывается одной из наиболее трудных задач.

В случае необходимости иметь весьма высокую разрешающую способность по всей поверхности экрана, особенно при больших углах отклонения, описанные способы уменьшения искажений ока­ зываются недостаточными, и приходится применять дополнитель­ ные устройства для коррекции аберраций. Эти устройства могут быть выполнены в виде четырехили восьмиполюсных магнитных линз, располагаемых между отклоняющей системой и экраном. Подбором величины токов в катушках этих линз удается создать дополнительные поля, позволяющие значительно уменьшить иска­ жения при отклонении.

Следует также упомянуть о так называемой динамической подфокусировке, применяемой в некоторых типах телевизионных тру­ бок. Сущность динамической подфокусировки состоит в изменении в некоторых пределах тока фокусирующей катушки (или напря­ жения фокусирующего анода) проекционной линзы синхронно с из­ менением отклоняющего сигнала. При этом закон изменения тока фокусирующей катушки подбирается таким образом, чтобы при любом, возможном для данного прибора, угле отклонения с по­ верхностью экрана совмещалось изображение кроссовера. Очевид­ но, в этом случае расфокусировка при отклонении пучка будет минимальной.

§ 5.5. ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫХ ПРИБОРОВ СВЧ

При рассмотрении отклонения луча мы предполагали, что откло­ няющее напряжение (ток) изменяется во времени достаточно мед­ ленно, так что в течение времени нахождения электронов в прост­ ранстве отклонения отклоняющие поля можно было считать не из­ меняющимися во времени. Однако, как показывает опыт, при исследовании электрических процессов, протекающих за весьма короткие промежутки времени, или периодических процессов со

сверхвысокой частотой кривая, вычерчиваемая на экране электрон, ным лучом, начинает отображать исследуемый сигнал с заметны­ ми искажениями, причем погрешность растет с увеличением час­ тоты сигнала.

Эти искажения объясняются несколькими причинами. Одной из причин, ограничивающих верхний предел частоты сигнала, доступ­ ный для исследования обычными электроннолучевыми осциллогра­ фами, является конечное время пролета электронов внутри откло­ няющей системы.

Рассмотрим влияние пролетного времени электронов на чувст­ вительность электростатической отклоняющей системы (магнит­ ные отклоняющие системы не могут использоваться для работы на высокой частоте ввиду большой индуктивности и распределенной емкости отклоняющих катушек).

Допустим, что электрон влетает в пространство между двумя параллельными отклоняющими пластинами длиной /, расположен­ ными на расстоянии b одна от другой, со скоростью vz, направлен­ ной по оси. К пластинам подведено переменное отклоняющее на­

Для определения конечного угла отклонения необходимо про­ интегрировать выражение (5.34) в пределах от 0 до I. Так как обычно бывает задан закон изменения UorK во времени, а не по длине пластин, целесообразно интегрирование по z заменить ин­ тегрированием по t (используя dz=vzdt):

где т =l/vz— пролетное время электрона.

Предположим, что отклоняющее напряжение изменяется по си­