14.1.8. Основные типы электронно-лучевых трубок

Осциллографические трубки. Осциллографические трубки предназначе­ны для визуального наблюдения временных диаграмм электрических сигналов, измерения параметров этих сигналов, а также для индикации. Обычно в них ис­пользуются прожекторы с нулевым током первого анода и электростатические отклоняющие системы. Для получения на экране осциллографа изображения на одну пару отклоняющих пластин (вертикально отклоняющих) подают напряже­ние сигнала, а на другую пару (горизонтально отклоняющих) – линейно изменяющееся во времени (пилообразное) напря­жение развертки. Под действием напряжения развертки электронный луч пробегает с постоянной скоростью по экрану вдоль горизонтальной оси слева направо, затем бы­стро возвращается в исходную точку (обратный ход). Под влиянием напряжения сигнала электронный луч вычертит на экра­не временную зависимость исследуемого процесса, так как одновременно с линей­ным движением по горизонтали он будет отклоняться по вертикали.

При необходимости получения повышенной яркости свечения экрана, скорости записи и улучшения фокусировки используют трубки с послеускорением, в ко­торых основное ускорение электронов происходит после отклонения луча. Свя­зано это с тем, что увеличение яркости свечения экрана за счет повышения на­пряжения на втором аноде приводит к уменьшению чувствительности трубки, по­этому используются дополнительные аноды, выполненные в виде токопроводящих колец на баллоне трубки (рис. 14.11). Потенциалы анодов находятся в сле­дующем соотношении: >>>. Трубки с послеускорением обладают высокой чувствительностью, так как отклонение идет при малом , и большой яркости, которая определяется большим .

Кинескопы. Кинескоп – приемная электронно-лучевая трубка с люминесцирующим экраном, преобразующая мгновенные значения телевизионного сигнала в последовательность световых импульсов, совокупность которых образует те­левизионное изображение. По назначению различают кинескопы прямого изоб­ражения и проекционные. Последние используются для проекции изображения на большой экран и в системах бегущего светового луча. Для получения телеви­зионного изображения используется растровая развертка. Для этого через от­клоняющие магнитные катушки пропускают токи пилообразной формы, вследст­вие чего на экране возникает система горизонтальных линий – телевизионный растр. Луч прочерчивает горизонтальные строки (строчная развертка) с одновре­менным их смещением в вертикальном направлении (кадровая развертка). Теле­визионный сигнал подается на модулятор, при этом изменяется плотность тока луча, а следовательно, и яркость свечения экрана. Телевизионное изображение строится так, что каждый кадр разбивается на определенное число строк (по стандарту 625). Каждая строка изображения представляется сложным электри­ческим видеосигналом, в котором мгновенные значения напряжения в данный момент соответствуют яркости изображения детали объекта.

Основные требования, предъявляемые к кинескопам, – достаточная яркость, контрастность изображения, высокая разрешающая способность, позволяющая раз­личать мелкие детали изображения.

В современных кинескопах используется, как правило, электростатическая фокусировка, так как магнитная фокусирующая система увеличивает габариты и массу и требует источника питания значительной мощности. Для уменьшения длины трубки в кинескопах применяется магнитная отклоняющая система. Эта система обеспечива­ет также минимальные искажения изображения при большом размере экрана.

Электронный прожектор в кинескопах формирует электронный луч, имеющий диаметр в плоскости экрана не более 0,5 мм. Для получения изображения с требуе­мой контрастностью прожектор должен обладать крутой модуляционной характери­стикой. В настоящее время кинескопы имеют экраны с диагональю до 71 см и угол отклонения луча 110°. Особенностью многих кинескопов является наличие так на­зываемой «ионной ловушки», позволяющей устранить с экрана «ионное пятно», созданное отрицательными ионами, попадающими на экран. Ловушки работают по принципу разделения потоков электронов и ионов с помощью магнитного поля. Один из вариантовионной ловушки представ­лен на рис. 14.12. Ось катода, модулятора и экранирующего электрода расположена под углом к оси трубки, а ось анода имеет излом. Поток отрицательных ионов (сплошные линии) и электронов (заштри­хованная область), входя в анод, попадает в поперечное магнитное поле постоян­ного магнита. Ионы, обладающие большой массой, почти не отклоняются магнит­ным полем и попадают на анод. Траектории электронов искривляются, и электроны вылетают из отверстия анода. Поле для ионной ловушки создается наружным маг­нитом, находящимся на горловине трубки.

Цветные кинескопы. В основе получения цветного изображения лежит возмож­ность воспроизведения любого цвета смешением в определенных соотношениях синего, зеленого и красного цветов. В цветном телевидении получили распространение кинескопы с трехрастровой системой, при которой на экране кинескопа формируются три одноцветных растра: красный, зеленый и синий. Эта система предполагает нали­чие трех электронных прожекторов и трех люминофорных групп, спектральное излу­чение которых соответствует синему, зеленому и красному цветам. Три электронных прожектора установлены так, что их электронные лучи, пересекаясь на некотором расстоянии от экрана, попадают один на красный, другой на синий, третий на зеленый люминофоры (рис. 14.13,a). В плоскости пересечения электронных лучей располагается теневая маска 2, представляющая собой металлический экран с отверстиями, через которые проходят электронные лучи 3. Теневая маска обеспечивает попадание электронных лучей только на соответствующий люминофор. На экране 1 под каждым отверстием в маске располагается «триада», состоящая из трех люминофорных эле­ментов, возбуждаемых только соответствующим электронным лучом. В зависимости от соотношения между токами лучей, определяемых напряжениями на модуляторах прожекторов, получается свечение определенного цвета. Правильное воспроизведе­ние цветов возможно лишь при сведении лучей в одно отверстие маски. Это достига­ется использованием сложной системы сведения лучей, что является серьезным не­достатком. Этот недостаток устранен в кинескопе с щелевой маской (рис. 14.13,б). Электронные прожекторы, создающие лучи 3, располагаются в горловине кинескопа в одной горизонтальной плоскости, перпендикулярной плоскости маски 2 с верти­кальными щелями. Экран имеет линейчатую структуру, состоящую из сплошных вертикальных люминофорных полос зеленого, красного и синего цветов свечения, сгруп­пированных в триады.

Радиолокационные труб­ки. С помощью этих трубок мож­но получать на экране изобра­жение импульса радиосигнала, отраженного от исследуемого объекта. В такой трубке одно­временно с радиальной развер­ткой луч отклоняется в азиму­тальном направлении. Для по­лучения такой развертки ис­пользуют магнитную отклоняю­щую систему, состоящую из пары катушек, вращающихся на горловине трубки. В трубке создается переменное магнитное поле, отклоняющее луч на экране по радиусу к периферии. При медленном вращении катушек луч прочерчива­ла экране смещающуюся по азимуту радиальную линию. В исходном состоянии на модулятор подано отрицательное напряжение и трубка открывается отраженным от объекта радиоимпульсом. В результате на экране появится светящееся пятно, удале­ние которого от центра экрана определяет расстояние до объекта, а смещение по азимуту от фиксированного значения соответствует азимуту объекта.

Запоминающие трубки (потенциалоскопы). Потенциалоскопами называют­ся электронно-лучевые приборы, предназначенные для накопления (запоминания, записи) определенной информации и последующего ее воспроизведения.

В основе действия большинства потенциалоскопов лежит двойное преобразо­вание информации: а) преобразование последовательности входных сигналов ин­формации в распределение электрических зарядов на поверхности диэлектричес­кой мишени (потенциалоносителе), т.е. создание на поверхности мишени опреде­ленного потенциального рельефа; б) преобразование потенциального рельефа на мишени в последовательность выходных сигналов, воспроизводящих входную ин­формацию. Первое преобразование называется записью информации, а второе – считыванием или воспроизведением информации. В некоторых типах потенциало­скопов имеется вспомогательная операция – стирание для уничтожения потенци­ального барьера перед записью новой информации.

Информация вводится в потенциалоскоп в виде последовательности электри­ческих импульсов или путем переноса на фоточувствительную мишень оптического изображения. Считываемая информация выводится из потенциалоскопа в виде по­следовательности электрических импульсов или иногда преобразуется в видимое изображение, рассматриваемое на экране. Основными элементами потенциалоско­па являются мишень, на поверхности которой создается потенциальный рельеф, электронные прожекторы для получения записывающего и считывающего элект­ронных лучей и отклоняющие системы. В отдельных случаях для создания записы­вающего и считывающего луча используется один прожектор.

В большинстве потенциалоскопов запись и считывание осуществляются электронным лучом, развертываемым по поверхности мишени. Для создания потенциального рельефа обычно используется вторичная электронная эмиссия, которая рассматривалась в § 14.1.7. Однако в потенциалоскопе надо заменить потенциал экрана на потенциал мишени-потенциалоносителя . Из рис. 14.9,б видно, что только в области << равновесный потенциал мишени зависит от (почти равен ). В областях < и > равновесный потенциал ми­шени не зависит от ускоряющего напряжения, устанавливаясь на уровнях = 0 и = соответственно.

При подготовке мишени к записи ее потенциал доводится до одного из возмож­ных для данной энергии первичных электронов равновесных значений. Эта предва­рительная операция проводится при отсутствии входных сигналов.

Существует много типов потенциалоскопов. Имеются потенциалоскопы, преобразующие электрический сигнал в видимое изображение. Однако в отли­чие от обычных осциллографических трубок и кинескопов они позволяют дли­тельное время хранить записанную информацию перед тем, как представить ее в виде изображения на экране.

В настоящее время широко применяются потенциалоскопы со знаковой ин­дикацией. Примером знакопечатающего потенциалоскопа может служить так называемый тайпотрон (рис. 14.14).

Электронный пучок создается прожектором 1. Перпендикулярно направле­нию пучка расположена матрица 3 с отверстиями по форме используемых знаков. Выбор необходимого знака обеспечивается отклоняющими пластинами 2. После прохождения отверстия в матрице электронный пучок имеет сечение в форме соответствующего знака. Далее пучок проходит через фокусирующую ка­тушку4 и компенсирующие пластины 5, которые направляют пучок по оси трубки. Адресная магнитная система б направляет идущий по оси луч в любую точку диэ­лектрической мишени 7, нанесенной на металлическую сетку 8. Этот элемент на­зывают сеткой-мишенью. При падении луча на сетку-мишень на диэлектрике соз­дается потенциальный рельеф по форме выбранного знака. Энергия электронов записывающего луча должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить коэффициент вторичной эмиссии > 1. При этом на диэлектрической мишени создает­ся потенциальный рельеф за счет ухода вторичных электронов. Для считывания знака (получения видимого изображения на экране 9) используется второй (счи­тывающий) прожектор, укрепляемый, например, на одной из пластин адресной системы, если в качестве ее используется электростатическая система отклоне­ния. На рис. 14.14 считывающий прожектор не показан. Этот прожектор создает несфокусированный поток медленных электронов, равномерно покрывающий всю поверхность мишени. В тех местах мишени, где записаны знаки, т.е. имеемся более высокий потенциал, медленные электроны считывающего пучка оказыва­ются в ускоряющем поле и проходят через отверстия мишени и, ускорившись по­лем за мишенью, бомбардируют люминесцентный экран 9, вызывая его свече­ние. В местах, где не записаны знаки, потенциал мишени ниже, поэтому электро­ны считывающего пучка на экран не попадают.

Существуют другие способы формирования профилированного луча, позво­ляющие исключить компенсирующую систему и упростить преобразование. На­пример, записанная на сетчатой мишени система знаков может быть воспроизве­дена на люминесцентном экране сфокусированным лучом медленных электро­нов, разворачиваемым в растр. В этом случае для считывания можно использо­вать один записывающий луч, но при этом необходимо потенциал мишени сни­жать до потенциала катода прожектора.