Раздел 3.

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Глава 3.1.

ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

1. Электроннолучевая трубка с электростатическим управлением

Электронно-оптические приборы преобразуют электрическую энергию в энергию оптического излучения (световую). К ним, в частности, относятся электроннолучевые приборы.

Электроннолучевой прибор — это электровакуумный прибор, преобразующий электрический сигнал в оптический с помощью формирования электронного луча и управления его интенсивно­стью и положением. Один из видов элекроннолучевого при­бора — элекроннолучевая трубка.

Электроннолучевые трубки предназначены для преобразова­ния электрического сигнала в оптическое изображение, которое получается на специальном экране с люминесцирующим слоем, светящимся под действием направленного на него тонкого электронного луча. Перемещение электронного луча по экрану вызывает перемещение светящегося под действием электронной бомбардировки пятна; луч как бы рисует на экране светящееся изображение. Электроннолучевые трубки могут быть использо­ваны для визуального наблюдения или фотографирования элек­трических процессов, для отображения информации в виде цифр, букв и других знаков, а также графиков зависимости одной электрической величины от другой или от времени.

Электроннолучевые трубки, предназначенные для светящегося графического воспроизведения электрического сигнала, называют осциллографическими; на их основе построены измерительные приборы, называемые осциллографами. Приемные электронно­лучевые трубки, предназначенные для воспроизведения телеви­зионных изображений, называют кинескопами.

Рассмотрим устройство электроннолучевой трубки (рис. 3.1). Она представляет собой стеклянную колбу вытянутой формы, с расширением к торцу (рис. 3.1, а). В колбе (баллоне) поме­щены: электронный прожектор, отклоняющая система и люминес- цирующий экран.

Электронный прожектор создает поток электронов, ускоряет их и фокусирует в узкий луч, направленный вдоль оси трубки в

центр экрана, а также позволяет управлять количеством электро­нов в луче, т. е. интенсивностью свечения экрана.

Отклоняющая система предназначена для управления движе­нием электронного луча по экрану путем одновременного откло­нения луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях — вертикальном и горизонтальном.

Экран служит для получения на нем светящегося изобра­жения.

Рис. 3.1. Электроннолучевая трубка: а — внешний вид; б — устройство: 1 — катод; 2 — управляющий электрод; 3— аноды; 4 — отклоняющие пластины;

5 — аквадаг; 6 — экран; 7 — баллон; в в — условное графическое обозначение

В зависимости от способа фокусировки и отклонения элект­ронного луча различают три типа электроннолучевых трубок: с электростатическим управлением, в которых для фокуси­ровки и отклонения луча используется электрическое поле;

с электромагнитным управлением, в которых для фокусировки и отклонения луча используется магнитное поле;

со смешанным управлением, в которых фокусировка осуще­ствляется электрическим полем, а отклонение луча — магнитным.

Устройство элекроннолучевой трубки с электростатическим управлением схематически показано на рис. 3.1, б, а ее условное графическое обозначение — на рис. 3.1, в.

Электронный прожектор состоит из катода косвенного нака­ла, управляющего электрода и двух или трех анодов, ускоряю­щих и фокусирующих электроны в луче. Катод имеет форму цилиндра, торец которого снаружи покрыт оксидным слоем; вну­три цилиндра расположен подогреватель для накала катода и получения термоэлектронной эмиссии с его торца. Управляющий электрод, называемый модулятором, имеет форму цилиндра с от­

верстием в торце и расположен вокруг катода. На него подается отрицательное напряжение порядка нескольких десятков вольт относительно катода.

Электроны, эмиттируемые катодом, движутся под действием ускоряющего поля первого анода сквозь отверстие в торце уп­равляющего электрода, отталкиваясь от его стенок. Количество электронов в луче, проходящем через это отверстие, зависит от величины отрицательного напряжения управляющего электрода: чем оно больше, тем меньше количество электронов в луче, меньше ток луча, а следовательно, и яркость свечения экрана в точке падения на него луча.

Рис. 3.2. Полная система элек­тростатической фокусировки лу­ча (а), фокусирующее электри­ческое поле между анодами (б) и принцип действия этого поля на траекторию движения элек­тронов луча (в)

Аноды представляют собой полые цилиндры с диафрагмами внутри. Электронный луч проходит сквозь отверстия в этих диа­фрагмах. Аноды имеют неодинаковые диаметры и разные поло­жительные потенциалы: первый 300—1000 В, второй 1000— 5000 В и более. Эти потенциалы подобраны таким образом, что электрические поля, созданные ими, имеют специальную конфигу­рацию и собирают пучок летящих с большой скоростью электро­нов в узкий сходящийся луч (рис. 3.2, а).

В каждой точке неоднородного электрического поля, пред­ставленного криволинейными силовыми линиями, идущими в направлении от более высокого потенциала к менее высокому (рис. 3.2, б), на электрон действует сила, направленная по ка­сательной к силовой линии в данной точке в сторону более высо­

кого потенциала, т. е. противоположно силовым линиям. Под действием этих сил изменяется направление движения электро­нов. Электрические поля между управляющим электродом и пер­вым анодом и между следующими анодами действуют на элек­тронный луч подобно тому, как оптические линзы действуют на световой луч. Пучок электронов фокусируется сначала внутри первого анода, затем расходится и снова собирается по мере выхода из второго анода. Электрическое поле, способное соби­рать или рассеивать поток электронов, называют электронной линзой.

Рассмотрим подробнее действие электронной линзы на траекто­рию движения электрона, летящего в ускоряющем поле в на­правлении к экрану (рис. 3.2, в). Траектория движения электро­на изображена толстой линией, а силовая линия электрического поля между анодами А\ и Л2 — тонкой пунктирной. В точке В на электрон действует сила Fi, которую можно разложить на две составляющие: горизонтальную Fi _Го_Р и вертикальную Fi „е_Р. Пер­вая ускоряет движение электрона вдоль оси трубки, вторая от­клоняет его к оси. Аналогично в точке С сила F2 имеет горизон­тальную составляющую F_2ro_P, ускоряющую движение электрона, и вертикальную — F2ве_Р, отклоняющую его от оси, но в меньшей степени, так как скорость электрона в точке С выше. В результа­те траектория данного электрона и всех электронов в луче пере­сечется с осью трубки в точке F экрана, являющейся фокусом системы электронных линз — рассеивающей и собирательной.

Напряжение на первом аноде регулируется таким образом, чтобы луч фокусировался в плоскости экрана и давал на нем четкое светящееся пятно, диаметр которого для осциллографи- ческих трубок обычно равен 0,5—1 мм. Напряжение на втором аноде остается постоянным. Благодаря очень высокому напря­жению на анодах создается сильное ускоряющее поле для электронов в луче.

Экран трубки покрыт специальным веществом — люмино­фором, — светящимся под действием электронного луча. Яркость и длительность свечения экрана, а также цвет свечения зависят от вещества люминофора, от скорости и количества электронов в луче. Чем больше скорость электронов и чем больше их падает на экран, тем ярче светится изображение. С течением времени способность люминесцентного вещества светиться ухудшается. Это явление называют утомляемостью экрана.

Цвет свечения зависит от состава люминофора. Для визу­ального наблюдения кривых исследуемого сигнала в осциллогра- фических трубках применяют люминофор, дающий желто- зеленое свечение, поскольку глаз человека наиболее чувствите­лен к излучению в этой области спектра. Для этого в качестве люминофора на экран наносится слой сульфида цинка. В труб­ках, предназначенных для фотографирования изображения с экрана, используют люминофоры, дающие синее свечение. Для получения черно-белого телевизионного изображения на экранах кинескопов используется белое свечение, а для цветных изобра­жений — сложный экран с точками красного, зеленого и синего свечения.

Электроны, падая с большой скоростью на экран трубки, от­дают ему свою энергию, которая частично превращается в све­товую, а частично поглощается электронами вещества экрана и вызывает из него вторичную эмиссию электронов. Вторичные электроны, эмиттируемые экраном, улавливаются аквадагом,

Рис. 3.3. Действие отклоняющих пластин

который представляет собой слой графита, нанесенный на внут­реннюю поверхность стеклянного баллона электроннолучевой трубки. Аквадаг соединяется со вторым анодом и служит также для защиты электронного луча от воздействия внешних электри­ческих и магнитных полей (см. рис. 3.1, б).

Отклоняющая система состоит из двух пар пластин. Первая па­ра плоскопараллельных пластин установлена по пути движения электронов луча горизонтально и служит для отклонения луча в вертикальном направлении. Эти пластины при подаче на них напряжения создают электрическое поле, сила которого дей­ствует на электроны вертикально, и называются вертикально- отклоняющими пластинами УУ. Вторая пара плоскопараллель­ных пластин расположена перпендикулярно первой и служит для отклонения электронного луча в горизонтальном направле­нии. Это горизонтально-отклоняющие пластины XX.

Действие отклоняющих пластин на электронный луч иллю­стрирует рис. 3.3. При подаче постоянного напряжения н-а пластины УУ так, что потенциал верхней из них выше, чем ниж­ней, луч отклонится из центра экрана О вверх в точку а, а при изменении полярности приложенного напряжения — вниз в точку б. При равенстве потенциалов пластин луч останется в точке О на оси трубки. Чем больше напряжение между пластинами, тем сильнее отклоняется луч. Если на пластины УУ подать перемен­ное напряжение, то луч будет перемещаться вверх и вниз между точками а и б. Поэтому световое пятно тоже будет двигаться по отрезку вертикальной линии, непрерывно перемещаясь то вверх, то вниз и многократно прочерчивая этот отрезок. При сравни­тельно большой частоте переменного напряжения, а также вследствие инерционности зрения и свойства послесвечения экра­на на экране будет видна непрерывная светящаяся линия, а не отдельные положения светящегося пятна. Длина светящегося вертикального отрезка пропорциональна амплитуде приложен­ного к пластинам УУ переменного напряжения.

Аналогично действует на движение электронного луча по го­ризонтали напряжение между пластинами XX: если выше потен­циал передней пластины, то луч попадет в точку в, а если зад­ней — то в точку г. При одновременной подаче переменных на­пряжений на обе пары пластин на экране наблюдаются разные светящиеся кривые линии, форма которых зависит от ампли­туды, частоты и фазы подаваемых на пластины XX и УУ напря­жений. Эти кривые носят название фигур Лиссажу и позволяют производить исследования электрических сигналов.