5.1.3 Магнитные электронно-лучевые трубки

Магнитные электронно-лучевые трубки, т.е. ЭЛТ с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением луча, получили большое распространение, в частности, в качестве приемных телевизионных трубок (кинескопов) и индикаторных трубок радиолокаторов. Так как фокусирующая и отклоняющая системы в виде катушек находятся снаружи тру­бок, конструкция магнитных трубок проще, нежели электростатических (рисунок 20.17). Электронный прожектор имеет катод, модулятор и анод. Иногда анодом является проводящий слой. В некоторых трубках между анодом и управляющим электродом есть еще эк­ранирующий электрод, на который по­дается постоянное положительное напряжение в несколько сотен вольт. Питание прожектора осуществляется так же, как в электростатической трубке, но при этом не требуется регулировки анодного напряжения для целей фокусировки.

Расходящийся поток электронов по­дается из прожектора в магнитное поле фокусирующей катушки ФК, которая питается постоянным током. На рисунке она показана в разрезе. Возможна магнитная фокусировка длинной или корот­кой катушкой. В первом случае поток электронов проходит однородное маг­нитное поле внутри длинной катушки (рисунок 20.18) и электронные траектории являются винтовыми линиями. Если электроны выходят из точки Б на оси катушки, то после каждого оборота они снова пересекут ось, т. е. сфокусируются в точках Б₁, Б₂ и т. д. Это показывают проекции траекторий на плоскость, перпендикулярную оси катушки. Они явля­ются окружностями, выходящими из точки Б и возвращающимися в эту же точку. (На рисунке показаны траектории только двух электронов.)

Рисунок 20.17 – Принцип устройства и условное графическое

обозначение магнитной электронно-лучевой трубки

Рисунок 20.18 – Фокусировка длинной катушкой

Фокусировка длинной катушкой встречается в некоторых специальных электронных приборах. В ЭЛТ применяют неоднородное магнитное поле короткой катушки – в качестве короткой магнитной линзы (рисунок 20.19). Движение электронов в таком поле сложно, и мы рассмотрим его приближенно. Разделим поле на две половины (I и II) плоскостью, проходящей через середину катушки пер­пендикулярно ее оси. По обе стороны от этой плоскости магнитная индукция убывает вдоль оси катушки. Когда из точки Б в первую половину поля входит расходящийся поток электронов, то их траектории искривляются. В одно­родном поле траектории были бы вин­товыми линиями, но в данном случае вследствие неоднородности поля они более сложны.

В первой половине поля магнитная индукция возрастает. Поэтому искривле­ние траекторий усиливается и стано­вится наибольшим на границе областей I и II. Далее магнитная индукция убы­вает и искривление траекторий ослабе­вает. Когда электроны выходят за пре­делы поля, они продолжают свой путь по инерции – по прямым линиям, ко­торые пересекают ось трубки в точке Б₁. Как видно, электроны летят по сложным пространственным кривым, которые условно можно назвать винтовыми линиями с переменным радиусом. Чтобы лучше представить себе траекторию электрона, на рисунке 20.19 даны проекции траектории на три взаимно перпенди­кулярные плоскости. Так как скорость электронов велика, то эти траектории являются лишь небольшой частью од­ного оборота винтовой линии.

Рисунок 20.19 – Фокусировка короткой катушкой

Для усиления действия фокусирую­щую катушку помещают в экран, или панцирь, из мягкой стали (рисунок 20.20). Тогда магнитная индукция увеличива­ется.

Магнитодвижущая сила фокусирующей катушки, необходимая для фокуси­ровки, приближенно определяется по формуле

(20.9)

F_м = I  240

где d – средний диаметр катушки, см; ;

l – расстояние от катушки до экрана, см;

U_а – напряжение анода, кВ;

 – число витков катушки;

I – ток, А.

Обычно число витков составляет несколько сотен или тысяч. Например, при I=0,1 A, d = 6 см, l =18 см и U_а = 3 кВ магнитодвижущая сила F_м = 240=240 А и = 240/0,1=2400.

При стальном панцире требуется значительно меньшее число витков. Правильная фокусировка достигается регулировкой тока в катушке с помошью переменного резистора, Направление тока в фокусирующей катушке не играет роли. Вместо фокусирующей катушки иногда применяют постоянный магнит в виде кольца с регулировкой фокусировки передвижением магнита вдоль трубки или перемещением магнитного шунта, ответвляющего часть магнитного потока.

Рисунок 20.20 – Фокусирующие катушки в стальном панцире с широкой (а) и узкой (б) щелью

Для магнитного отклонения электронного луча служат две пары отклоняющих катушек, расположенные по прямым углом друг к другу. На рисунке 20.17 для упрощения показана только одна пара катушек L_х с вертикалью направленным вектором поля. Это пол отклоняет луч по горизонтали. Другая пара катушек L_y создает поле с горизонтально направленным вектором маг­нитной индукции и отклоняет луч по вертикали.

Если считать приближенно, что по­ле каждой пары катушек внутри трубки однородно, то электроны в этом поле движутся по дуге окружности с центром в точке О, а выйдя из поля, – по прямой линии (рисунок 20.21). Электронный луч получает угловое отклонение , и све­тящееся пятно на экране смещается на расстояние у. Чувствительностью маг­нитной трубки можно назвать отноше­ние отклонения светящегося пятна на экране к намагничивающей силе, вы­звавшей это отклонение:

S_y = y/F_y = y/(I_y_y)

(20.10)

аналогичная формула есть и для S_х.

У современных трубок чувствительность не превышает десятых долей миллиметра на ампер. Она зависит от конструкции трубки и отклоняющих катушек, а также от режима трубки. Эта зависимость имеет вид

(20.11)

S_y = l/

где l – расстояние от оси катушки до экрана, мм, а коэффициент , характеризующий конструкцию отклоняющих катушек, обычно равен (0,1 – 0,2) В^1/2 /А.

Например, если  = 0,15, l =200 мм и U_а = 2500 В, то S_y = 0,15= 0,6 мм/А.

Коэффициент  для данного типа отклоняющих катушек может быть определен на опыте. Находят S_y по формуле (20.10), а затем, зная l и U_а определяют  из формулы (20.11).

Рисунок 20.21 – Отклонение электронного луча в магнитном поле катушек

Чувствительность магнитных трубок меньше зависит от анодного напряже­ния (U_а под знаком корня), нежели у электростатических. Не следует сравнивать чувствительность электростати­ческих и магнитных ЭЛТ, так как она выражается в различных единицах.

Для усиления магнитного поля при­меняют замкнутые сердечники из мяг­кой стали или других ферромагнитных материалов. На более высоких частотах сердечники обычно не применяют и де­лают катушки специальной формы. Они охватывают трубку и создают более однородное поле. Для уменьшения маг­нитного рассеяния катушки помещают в ферромагнитный экран.

В прошлом магнитная фокусировка давала лучшие результаты, нежели электростатическая. Но в современных трубках электростатическая фокусировка по качеству не уступает магнитной. Сравним обе системы.

Электростатическая фокусировка экономична, так как не требуется мощ­ности на создание тока в фокусирующей катушке. При магнитном же отклонении источники, питающие отклоняющие ка­тушки, должны иметь довольно большую мощность. Но зато магнитное отклонение позволяет упростить конструкцию трубки (поскольку фокусирующая катушка или фокусирующий магнит устанавливается снаружи трубки, а не монтируется внутри в вакууме) и дает возможность отклонять луч на очень большие углы. Это приводит к значи­тельному уменьшению длины трубок даже при больших размерах экрана. При магнитном отклонении отсутствуют также рассмотренные в § 20.2 искажения изображений. Следует, однако, отметить, что индуктивность отклоняющих кату­шек увеличивает инерционность процесса отклонения, и поэтому магнитная отклоняющая система не может хорошо работать на очень высоких частотах. Кроме того, входное сопротивление отклоняющих катушек мало на низких частотах, а на высоких частотах оно снижается из-за влияния собственной емкости катушек. А входное сопротивле­ние электростатической отклоняющей системы достаточно велико даже на высоких частотах.

Люминисцентный экран. Для получения нужной яркости, цве­та свечения и длительности послесвечения к люминофору добавляют акти­ваторы. Ими обычно служит серебро, марганец или медь. Длительное после­свечение у радиолокационных трубок достигается применением меди в качест­ве активатора. Активация серебром обес­печивает в кинескопах среднее после­свечение.

Наиболее часто применяемые люми­нофоры имеют следующие свойства. Оксид цинка дает фиолетовое или зеле­ное свечение и обладает коротким послесвечением, что необходимо для осциллографии. Различные смеси сернистого цинка и сернистого кадмия дают яркое свечение любого цвета, в частности белого, с послесвечением от долей мик­росекунды до минут. Для визуального наблюдения служат люминофоры из ис­кусственного или естественного (мине­рал виллемит) кремнекислого цинка с марганцем в качестве активатора. Они имеют цвет свечения от зеленого до желто-оранжевого и небольшое после­свечение. Сине-фиолетовое свечение с коротким послесвечением дают экраны из вольфрамово-кислого бария, кальция, магния, кадмия, цинка и стронция (вольфраматы).

Яркость свечения приблизительно пропорциональна квадрату разности потенциалов между экраном и катодом, т. е. возрастает при увеличении скорости электронов в луче. Существует не­которая минимальная энергия электронов, необходимая для возникновения свечения. Она составляет десятки – сотни электрон-вольт. При меньших энергиях электроны не проникают в кристаллическую решетку люминофора. При энергиях электронов в несколько килоэлектрон-вольт глубина проникновения не превышает 1 мкм. Для малых токов луча яркость пропорциональна плотно­сти тока, но с увеличением последней выше некоторого значения яркость невозрастает (эффект насыщения).

Коэффициент полезного действиям люминофора, т. е. отношение энергии видимого излучения к общей энергии бомбардирующих электронов, не превы­шает нескольких процентов. Большая часть энергии луча расходуется на нагревание экрана, выбивание вторичных электронов и испускание ультрафиолето­вых и рентгеновских лучей.

Люминесцентный экран характеризу­ется светоотдачей, т. е. силой света на 1 Вт мощности электронного луча. Светоотдача максимальна при темпера­туре люминофора от 0 до 80 °С. С даль­нейшим повышением температуры свето­отдача падает; при 400 °С свечение во­обще прекращается.

Нарастание свечения, или разгорание экрана, после начала его бомбардиров­ки электронами происходит не мгновен­но. После прекращения бомбардировки наблюдается постепенное затухание лю­минесценции, т. е. послесвечение экрана. В начале затухания резко уменьшается яркость свечения, а затем спад ее замед­ляется. Временем послесвечения экрана считают интервал между моментом прекращения электронной бомбардиров­ки и моментом, когда яркость свече­ния уменьшается до 1 % начального значения. Различают очень короткое послесвечение – меньше 10^–5 с, корот­кое – от 10^-5 до 0,01 с, среднее – от 0,01 до 0,10 с, длительное – от 0,1 до 16 с и очень длительное — свыше 16 с.

Важную роль играет вторичная электронная эмиссия люминес-центного экрана. Коэффициент вторичной эмис­сии σ зависит от энергии первичных электронов, которая определяется по­тенциалом экрана U_э относительно ка­тода и достигает максимума при энер­гии электронов в сотни электрон-вольт, а затем уменьшается (рисунок 20.22). Све­чение экрана будет постоянным, если потенциал экрана не меняется, а это возможно при условии, что число элект­ронов, поступающих на экран, равно числу вторичных электронов, уходящих с экрана. Такой режим является уста­новившимся. Ясно, что люминофоры с σ < 1 непригодны для экранов. Лю­минофор должен иметь σ > 1.

При начальном потенциале экрана ниже U₁ работа невозможна, так как при σ < 1 потенциал экрана при попада­нии на него электронов будет умень­шаться. Если потенциал экрана нахо­дится в пределах между U₁ и U₂, то σ > 1 и экран имеет в установившемся режиме потенциал на несколько вольт больше потенциала второго анода и соединенного с ним проводящего слоя. Тогда для вторичных электронов созда­ется тормозящее поле, которое возвра­щает часть их на экран. Остальные электроны благодаря более высоким на­чальным скоростям уходят на проводя­щий слой. Ток вторичных электронов равен току электронного луча. Посколь­ку потенциалы проводящего слоя и эк­рана относительно катода обычно высо­кие, то, пренебрегая разницей между ними в несколько вольт, можно счи­тать, что они равны.

Рисунок 20.22 – Зависимость коэффициента вторичной эмиссии люминесцентного экрана от энергии первичных электронов

Если же начальный потенциал U_э выше, чем U₂, то при попадании на экран электронов его потенциал будет понижаться и установится близким к потенциалу второго анода U_а2, так как тогда число приходящих первичных электронов равно числу уходящих вто­ричных. Потенциал U₂ является наивысшим возможным для данного люми­нофора, и его называют критическим. Для разных люминофоров он неодина­ков и находится в пределах 5 – 35 кВ. Роль критического потенциала весьма существенна для трубок. Чем он выше, тем больше может быть скорость элект­ронов в луче, а значит, и яркость изображения на экране.

Очевидно, что нет никакого смысла устанавливать значение U_а2 выше кри­тического потенциала U₂, так как ско­рость электронов при ударе об экран определяется значением U_э, а не U_a2. Например, если U_а2 = 10 кВ и U_э = 6 кВ, то электроны вылетят из вто­рого анода с энергией около 10 кэВ, но на пути в тормозящем поле от анода до экрана они потеряют 4 кэВ и будут ударять в экран с энергией 6 кэВ. Но то же было бы и при U_а2 = 6 кВ.

Под влиянием электронной бомбар­дировки наблюдается постепенное умень­шение светоотдачи экрана. Но после «отдыха» прежняя светоотдача восста­навливается. При длительной эксплуата­ции возникает необратимое снижение светоотдачи – выжигание экрана. Места экрана, которые сильнее бомбардиро­вались электронами, темнеют и тем больше, чем больше мощность электрон­ного луча. Увеличение плотности тока луча влияет на выжигание сильнее, не­жели повышение скорости электронов. Поэтому лучше применять более высо­кое анодное напряжение при меньшем токе луча. Напомним, что повышение напряжения U_а2 улучшает также фоку­сировку.

Желательно иметь изображение с достаточной, но наименьшей яркостью. Не следует получать на экране непо­движное пятно большой яркости, так как это приводит к выжиганию экрана. Электронный луч значительной мощ­ности может также расплавить стекло.

Люминофор разрушается от бомбар­дировки его отрицательными ионами, которые вместе с электронами выделя­ются из оксидного катода. Ионы, имея большую массу, почти не искривляют свои траектории под действием магнит­ных полей. Поэтому в магнитных труб­ках ионы летят несфокусированным потоком и бомбардируют все время одну и ту же центральную часть экрана, на которой образуется темное ионное пятно. Для его устранения применяют специальные электронные прожекторы с ионными ловушками (см. § 20.5).

В ионном пятне выжженным явля­ется поверхностный слой люминофора. Если повысить анодное напряжение, то электроны проникают глубже в люмино­фор и вызывают интенсивную люми­несценцию. Таким путем можно полно­стью или частично устранить на некоторое время ионное пятно. Конечно, при этом нельзя превышать допустимое анодное напряжение. В электростати­ческих трубках ионы фокусируются и отклоняются так же, как электроны. У таких трубок ионное пятно не наблю­дается. Но с течением времени уменьша­ется коэффициент вторичной эмиссии экрана, а следовательно, критический по­тенциал и яркость свечения.

Для улучшения свойств экрана по­верхность люминофора со стороны луча покрывают алюминиевой пленкой тол­щиной 0,1–2,0 мкм. Эта пленка соеди­нена с проводящим слоем трубки. Ме­таллизированные экраны имеют ряд преимуществ. Вторичная эмиссия люминофора уже не нужна. Проводимость алюминиевого слоя обеспечивает уход электронов с экрана в цепь второго анода. Поэтому критический потенциал экрана может быть много выше, чем без металлизации. Следовательно, воз­можны большие скорости электронов, что увеличивает яркость свечения. Уве­личению яркости способствует отраже­ние световых лучей от алюминиевой пленки. Ионы, имеющие сравнительно небольшую скорость, не пробивают алю­миниевую пленку, и ионного пятна не возникает. А электроны, обладая боль­шой скоростью, проникают сквозь ме­таллическую пленку в люминофор, хотя и расходуют часть энергии на пробива­ние пленки.

Металлизированные экраны приме­няют в трубках, работающих с высокими анодными напряжениями. При низ­ких анодных напряжениях применение таких экранов нецелесообразно, так как слишком большая часть энергии элект­ронов будет теряться (расходоваться на пробивание металлической пленки).

Изображение на экране желательно иметь четким и контрастным. Однако ряд причин препятствует этому. Конт­растность ухудшается из-за попадания на экран внешнего света, если изображе­ние наблюдается не в темном помеще­нии. Понижение контрастности и чет­кости создает также ореол – светлое кольцо вокруг светящегося пятна. Иног­да наблюдается два кольца или больше. Происхождение ореола поясняет рисунке 20.23. От пятна основная часть световых лучей проходит сквозь стекло наружу, а лучи, идущие под значитель­ным углом падения к внешней поверх­ности стекла, испытывают полное внут­реннее отражение, возвращаются к лю­минесцентному слою и рассеиваются на нем, образуя первое кольцо ореола. Часть этих лучей может снова испы­тать полное внутреннее отражение и создать второе кольцо ореола и т. д.

Заметно снижается контрастность за счет отражения лучей света от стенок конической части трубки (рис. 20.24, а). Для уменьшения засветки экрана от такого отражения делают трубки спе­циальной формы (рис. 20.24, б и в).

Рисунок 20.23 – Образование ореола вокруг электронного пятна

Рисунок 20.24 – Влияние формы баллона трубки на отражение световых лучей от его стенок

Рисунок 20.25 – Засветка сферического экрана лучами от электронного пятна

За счет кривизны экрана происходит непосредственное освещение его лучами от электронного пятна (рисунок 20.25). У плоского экрана этого недостатка нет. Но из-за большого атмосферного давления стекло экрана значительных размеров приходится делать слегка вы­пуклым. У алюминированного экрана подобные засветки отсутствуют, так как слой алюминия не пропускает световые лучи внутрь трубки. Слабую люминесценцию экрана могут также вызвать рассеянные электроны, возникающие за счет вторичной или электростатической эмиссии из электродов.