2. Устройство электронно-лучевой трубки (элт)

ЭЛТ является основным органом осциллографа. Она пред­ставляет собой электронный прибор, заключенный в стеклянный баллон и имеющий форму удлиненного цилиндра с расширени­ем у одного конца. Внутри баллона имеются электроды, их вы­воды присоединены к поискам цоколя ЭЛТ.

ЭЛТ состоит из электронной пушки, которая испускает, уско­ряет и фокусирует электроны, отклоняющей системы и индика­тора отклоненных электронов (рис. 1).

Рис. 1. Эскизное изображение электронно-лучевой трубки (ЭЛТ)

Электроны излучаются подогревным катодом К, который имеет форму цилиндра, закрытого с одной стороны маленькой пластинкой. Пластинка покрыта окислами бария и стронция, которые испускают электронный поток большой плотности. Ка­тод нагревается до рабочей температуры с помощью нагревательного элемента, который расположен внутри катодного ци­линдра и изолирован от него с помощью хорошо проводящего теплокерамического слоя (накал катода Н). Катод окружен ци­линдром G₁ с маленьким отверстием в центре. Этот внешний цилиндр называется управляющей сеткой. Отверстие в пластин­ке значительно меньше, чем излучающая поверхность, и про­странство между отверстием и излучающей поверхностью очень мало. Рядом с управляющей сеткой располагается вторая сетка G₂. Электроны, проходящие через отверстие в первой (управ­ляющей) сетке, ускоряются электрическим полем, которое воз­никает благодаря тому, что вторая сетка имеет высокий потен­циал относительно катода. Рядом со второй сеткой находится первый анод А₁. Его часто называют фокусирующим анодом. Этот цилиндр, коаксильный со второй сеткой, содержит не­сколько диафрагм, каждая из которых имеет отверстие в центре. За первым анодом находится второй, или ускоряющий, анод А₂. Он коаксиален по отношению к первому аноду

и имеет пару диафрагм, служащих для дальнейшей коллимации (ограниче­ния) электронного пучка.

На аноды А₁ и А₂ от высоковольтного выпрямителя подает­ся высокое положительное напряжение. Отверстие в центре первого анода а₁ пропускает часть электронов, протекающих близко к оси анодов, а электростатические поля анодов ускоря­ют и сжимают этот пучок, делая его сходящимся.

Второй, или ускоряющий, анод А₂ обычно имеет положитель­ный потенциал относительно катода, равный V_в+V_с, порядка нескольких тысяч вольт. Первый, или фокусирующий, анод A₁ работает при потенциале V_с~ (V_в+V_с)/4.

Вторая сетка G₂ внутренне соединена с A₂. Фокусировка пучка электронов достигается изменением потенциалов V_в и V_с, а значит и энергии электронов с помощью источника питания. Управляющая сетка G₁ всегда имеет отрицательный потенциал по отношению к катоду (обычно порядка —20 В).

Рассмотрим принцип действия электростатической фокусиров­ки электронного пучка в ЭЛТ. Типичная электростатическая фоку­сирующая система может быть сравнена с толстыми линзами. Эле­ктростатическое поле между второй сеткой G₂ и первым ано­дом A₁ действует как первая преломляющая поверхность. Элект­роны преломляются к оси ЭЛТ, а затем проходят через область фокусирующего анода, где поле отсутствует. В аноде имеется несколько диафрагм, которые задерживают часть электронов и тем самым создают узкий пучок электронов вдоль оси ЭЛТ. Электрическое поле между первым и вторым анодами действует на пучок электронов подобно второй преломляющей поверхно­сти линзы, то есть дополнительно усиливает преломление этого пучка к оси ЭЛТ.

На рис. 2 изображена картина силовых линий электрическо­го поля между анодами A₁ и A₂. Так как пучок электронов об­ладает осевой симметрией, то ограничимся изучением их дви­жения в одной плоскости ZX, где ось Z — ось ЭЛТ, то есть ось симметрии пучка, уравнения движения электрона между ано­дами A₁ и A₂ в проекциях на оси Х и Z есть:

(1)

где V_x, V_z — проекции вектора v скорости электрона на оси Х и Z, соответственно E_x, E_z — проекции вектора Е напряженно­сти электрического поля на те же оси, е — элементарный заряд.

Из рис. 2 видно, что Ez < 0.

Рис. 2. Геометрия силовых линий электрического поля между второй сеткой и первым анодом

Поэтому проекция скорости электронов V_z > 0 увеличивается при их движении от анода A₁ к аноду A₂. Соответственно время движения t1 каждого электрона при —Z_max < Z < 0 больше вре­мени его движения t₂. при 0 < Z < Z_max.

В течение времени t₂ электрон дополнительно ускоряется от оси Z, а в течение времени t₁ — по направлению к оси Z (исклю­чение составляют электроны, движущиеся вдоль оси симметрии системы Z без ускорения вдоль оси X). В результате смещение электрона вдоль оси Х от оси Z при движении в области —Z_max < Z < 0 больше по абсолютной величине его смещения в противоположном направлении (к оси Z) в области 0 < Z < Z_max. To есть электрическое поле оказывает фокусирующее действие на расходящийся пучок электронов, влетающих в про­странство между анодами A₁ и A₂.

Если изменить направление электрического поля на проти­воположное по сравнению с рис. 2, то поток электронов будет тормозиться вдоль оси Z. Поэтому электроны будут проводить больше времени во второй отклоняющей (от оси Z) области (Z>0), чем в первой (Z<0). Конечный эффект снова заключа­ется в фокусирующем воздействии электрического поля на пу­чок электронов. Именно такая ситуация имеет место в про­странстве между второй сеткой G₂ и первым анодом A₁.

ЭЛТ заключена в стеклянный баллон конической формы с цилиндрической шейкой, в которой расположена электронная пушка (см. рис. 1). Так как трубка работает при высоком на­пряжении, то в ней создается высокий вакуум.

Экран ЭЛТ Э с внутренней стороны покрыт флуоресцирую­щим материалом, обычно фосфором, который светится, когда на него падает электронный пучок. Падающий на экран пучок приводит примесные, или активные, центры фосфора в возбуж­денное состояние. Возбужденные электроны активных центров переходят затем на более низкие энергетические уровни, испуская световые кванты. Изменяя качество фосфора и род акти­ватора, можно добиться изменения инерции светового изобра­жения (времени послесвечения) и цвета в больших пределах.

Когда электронный пучок ударяется об экран, некоторые электроны выбиваются из экрана. Эти свободные электроны называются вторичными электронами, а само явление называ­ется вторичной эмиссией электронов.

Вторичные электроны собираются на проводящем коллоид­ном графитовом покрытии (аквадаг), которое нанесено на внут­реннюю поверхность раструба баллона трубки. В зависимости от конструкции трубки это покрытие либо является третьим анодом А₃ (см. рис. 1), который подсоединен к источнику на­пряжения, обеспечивает дополнительное ускорение пучка элек­тронов между анодами А₂ и А₃, и поэтому называется полеускоряющим, либо это покрытие служит продолжением второго ано­да. Кроме того, это покрытие служит электрическим экраном, оно уменьшает также влияние случайных электростатических полей, которые могут вызвать отклонение и дефокусировку пучка.

Увеличение потенциалов второго и третьего анодов относи­тельно катода до нескольких сотен вольт облегчает продвиже­ние электронов к экрану Э и обычно достаточно, чтобы сила электрического тока падающего пучка электронов на экран была соизмерима с силой обратного тока электронов, рассеян­ных на экране Э. В этом случае на экране Э нет накопления избыточного отрицательного заряда, который приводит к откло­нению падающего пучка электронов к боковому покрытию.

Яркость свечения экрана Э трубки зависит от скорости и концентрации электронов в пучке. Скорость полета электронов зависит от величины напряжения на анодах A₂ и A₃. Чем выше это напряжение, тем больше скорость летящих электронов и тем ярче свечение экрана. Количество электронов, вылетающих от катода в единицу времени, регулируется величиной отрица­тельного относительного катода напряжения, которое подается на управляющую сетку G₁.

В ряде случаев необходимо на экране осциллографа полу­чить световые отметки, соответствующие определенным интер­валам времени. Это достигается модуляцией электронного пуч­ка. Различают яркостную модуляцию пучка и модуляцию от­клонения пучка. Яркостная модуляция достигается подачей на сетку G₁ модулирующего напряжения, в соответствии с часто­той которого изменяется потенциал этой сетки. По этой причине она называется также модулятором. Потенциал модулятора из­меняется от наименьших значений, при которых электроны будут заперты вблизи катода, до наибольших, при которых электрическое поле анодов уже способно скомпенсировать за­пирающее действие поля модулятора, ускорить электроны и вызвать свечение на экране.

Обычно источник модулирующего напряжения, вырабаты­вающий прямоугольные импульсы напряжения, частоту следо­вания которых можно регулировать, предусматривается в схеме осциллографа. Однако модулирующее напряжение может быть подано и от внешнего генератора.