Лекция 5. Электронно-лучевые приборы

Электронно-лучевыми приборами (ЭЛП) называют электровакуумные приборы, в которых используется поток электронов, сфокусированный в узкий электрон­ный луч. По назначению ЭЛП делят на четыре основные группы:

• приборы, преобразующие электрический сигнал в видимое изображение (осциллографические трубки, кинескопы, трубки дисплеев, выводящие ин­формацию из ЭВМ, трубки индикаторных устройств);
• приборы, преобразующие оптические изображения в электрический сигнал (передающие телевизионные трубки);
• приборы для записи, считывания и хранения электрических сигналов (запо­минающие трубки);
• приборы, преобразующие невидимые изображения в видимые (электронные микроскопы).

Электронно-лучевые приборы, имеющие форму трубки, вытянутой в направле­нии луча, называются электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ). Трубка представ­ляет собой стеклянный баллон специальной формы, в котором создан высокий вакуум и расположены электроды, формирующие электронный луч и управляю­щие этим лучом. Формирование и управление лучом осуществляется посредством электрических или магнитных полей. В трубках с электростатическим фокуси­рованием и отклонением луча (рис. 10.21, а) внутри баллона расположены элект­ронная пушка 1 и отклоняющие пластины 2, направляющие луч в нужную точку экрана 3. Экран бомбардируется потоком электронов, что вызывает его свечение. Выбиваемые из экрана вторичные электроны перемещаются на графитовое по­крытие 4, называемое аквадагом. Это покрытие соединено с электронной пушкой. В трубках с магнитной фокусировкой и отклонением луча (рис. 10.21, б) внутри баллона также имеется электронная пушка. Фокусировка луча осуществляется фокусирующей катушкой, а отклонение луча — двумя отклоняющими катушка­ми, расположенными на горловине трубки.

Рис. 10.21

Электростатическая фокусировка луча

Электростатическая фокусировка луча осуществляется электронной пушкой, состоящей из ряда никелевых цилиндров, расположенных соосно (рис. 10.22).

Катод К представляет собой цилиндр, на торцевую поверхность которого нанесен оксидный слой, являющийся источником электронов при нагреве цилиндра за счет протекания тока по вольфрамовой нити подогревателя П. Модулятор М пред­ставляет собой цилиндр, дно которого имеет отверстие, через которое проходят электроны. Модулятор выполняет функции, аналогичные функции управляющей сетки в электронной лампе. На него подается отрицательное напряжение относи­тельно катода, изменяя которое, можно изменять высоту потенциального барьера вблизи поверхности катода и тем самым управлять силой тока луча. Первый анод A₁ и второй анод А₂ представляют собой цилиндры с перегородками, имеющими отверстия. На первый анод относительно катода подается положительное напря­жение U_а1, на второй анод — напряжение U_а2 > U_a1. Структура, содержащая катод, модулятор и два анода, аналогична структуре тетрода. Поэтому такую пушку на­зывают тетрадной. В этой структуре из-за различия потенциалов электродов воз­никают неоднородные электрические поля между модулятором и первым анодом, а также между первым и вторым анодами. На рис. 10.22 пунктиром показаны эк­випотенциальные линии этих полей. Неоднородные электрические поля называ­ют электронными линзами. Таким образом, электронная пушка представляет со­бой электронно-оптическую систему, состоящую из электростатических линз Л₁ и Л₂, преломляющих траектории движения электронов подобно тому, как опти­ческие линзы преломляют световой поток.

Электроны, покинувшие катод с разных точек его поверхности, влетают в поле первой линзы под разными углами. На участке левее сечения а на электроны дей­ствуют силы, прижимающие их к оси пушки. Чем дальше расположена точка, из которой вышел электрон, от центра катода, тем больше сила, прижимающая этот электрон к оси пушки. На участке правее сечения а на электроны действуют силы, отталкивающие их от оси пушки. Может показаться, что эти воздействия компен­сируют друг друга, но это не так. Преломляющее воздействие собирающей части линзы преобладает над воздействием рассеивающей части линзы, так как электро­ны пролетают через линзу с возрастающей скоростью, поэтому в фокусирующей части линзы они находятся большее время, чем в расфокусирующей. В результа­те электроны покидают поле первый линзы со скоростями, направленными к оси пушки, и пересекают ее в точке F₁.

Пройдя точку F₁, электроны влетают в поле второй линзы в виде расходящегося пучка. На участке левее сечения b на них действуют силы, прижимающие элект­роны к оси пушки, а на участке правее сечения b — отталкивающие. При этом из-за того, что электроны движутся с возрастающей скоростью, фокусирующее действие линзы Л₂ преобладает над расфокусирующим, и пучок электронов фокусируется в точке F₂, которая располагается на экране трубки. Изменением напряжения на первом аноде, которое составляет сотни вольт, можно изменять положение точек F₁ и F₂. Поэтому первый анод называется фокусирующим. На вто­рой анод относительно катода подается постоянный высокий потенциал поряд­ка нескольких киловольт, благодаря чему на участке от катода до второго анода существует ускоряющее поле, направленное вдоль оси трубки. Поэтому второй анод называют ускоряющим.

На электроды пушки подаются напряжения от одного источника Е_и.п. Величи­на этих напряжений устанавливается с помощью делителя напряжения. Такой способ обладает существенным недостатком. Если менять U_al, то изменяется вы­сота потенциального барьера около катода, а следовательно, ток луча. Если менять U_м, то изменяется положение точки F₁, а следовательно, положение точки F₂. Чтобы избавиться от этого недостатка, в ЭЛП вводят ускоряющий электрод УЭ, располагая его между модулятором и первым анодом и соединяя со вторым ано­дом (рис. 10.23).

Рис. 10.23

УЭ экранирует катод от первого анода, ослабляя его действие на потенциальный барьер у катода. Такая пушка называется пентодной.

Электростатическое отклонение луча

Электростатическое отклонение луча осуществляется двумя парами отклоняю­щих пластин. Одна пара отклоняет луч по горизонтали, вторая — по вертика­ли. Каждая пара состоит из двух параллельных пластин, находящихся под по­тенциалом второго анода и расположенных симметрично относительно оси трубки.

На рис. 10.24 показаны пластины, отклоняющие луч по вертикали. Если к плас­тинам подвести отклоняющее напряжение U_y так, чтобы потенциал одной плас­тины был выше потенциала второй пластины на величину ∆U, а другой ниже на величину ∆U, то между пластинами возникнет однородное электрическое поле, перпендикулярное оси трубки. В этом случае на электрон, движущийся вдоль оси трубки со скоростью

.

действует сила .

Рис. 10.24

Одновременно электрон продолжает двигаться с постоянной скоростью вдоль оси z. В результате траекторией движения электрона оказывается парабола. Покинув поле пластин, электрон движется к экрану прямолинейно под углом α к оси z и попадает на экран, отклонившись от оси z на расстояние h_э. В поле пластин электрон находит­ся в течение времени t = l₁/υ_z. За это время он приобретает в вертикальном направ­лении скорость , отклоняется от оси z на расстояние и покидает поле пластин под углом . Величина отклонения на экране равна . Способность отклоняющих пластин отклонять луч оценивают параметром, который называ­ется чувствительностью к отклонению. Ее величина равна . Аналогич­но оценивается чувствительность к отклонению по горизонтали, которая равна . В среднем величина чувствительности составляет 0,1-0,5 мм/В.

Магнитная фокусировка луча

Магнитная фокусировка луча осуществляется магнитным полем, которое созда­ется короткой магнитной катушкой, надеваемой на горловину трубки. В это поле влетает расходящийся пучок электронов, создаваемый электронной пушкой, со­стоящей из катода, модулятора и анода (рис. 10.25, а).

В каждой точке пространства вектор магнитной индукции В и скорость элект­рона υ можно разложить на две составляющих: осевые В_z, υ_z и радиальные В_r, υ_r. Предположим, что электрон находится в точке А, тогда соотношение составляю­щих векторов примет вид, показанный на рис. 10.25, б. В результате взаимодей­ствия составляющей скорости υ_z с составляющей магнитного поля В_r на электрон действует сила Лоренца F₁ = -q[υ_z·B_r], направленная перпендикулярно плоско­сти рисунка (рис. 10.25, в). Под действием этой силы появится азимутальная составляющая скорости υ₁. Эта составляющая взаимодействует с составляющей магнитной индукции В_z, в результате чего возникает сила Лоренца F₂ = -q[υ₁·B_z], направленная к оси трубки (рис. 10.25, г), и электрон приобретает радиальную со­ставляющую скорости υ_r. При совместном действии азимутальной и радиальной составляющих силы Лоренца электрон движется по спирали с непрерывно умень­шающимся радиусом витка. Существенно то, что чем сильнее отклонился элект­рон от оси трубки, тем больше сила F₂, прижимающая его к оси. Благодаря этому электроны, влетевшие в неоднородное магнитное поле под разными углами, описав сложные траектории, пересекают ось z на одном и том же расстоянии от катушки. Изменяя величину тока, протекающего через фокусирующую катушку, можно добиться того, чтобы траектории всех электронов пересекались в плоско­сти экрана.

Рис. 10.25

Магнитное отклонение луча

Магнитное отклонение луча осуществляется двумя парами отклоняющих кату­шек, расположенных на горловине трубки и создающих однородные магнит­ные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. На рис. 10.26 показано магнитное поле катушки, отклоняющей электрон в вертикальном направлении. В этом случае силовые линии поля с индукцией В_х перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к наблюдателю.

Рис. 10.26

В магнитное поле влетают электроны со скоростью υ_z, определяемой потенци­алом второго (ускоряющего) анода. Под действием силы Лоренца F_y = -q[υ_z·B_x] электрон движется по дуге окружности с радиусом R = mυ_z/qB_x. Покинув поле отклоняющих катушек, электрон движется к экрану по касательной к окружнос­ти и отклоняется от центра экрана на расстоянии h_y = l tgα. При небольших углах отклонения tgα≈l₁/R. Тогда

.

Учитывая, что индукция В_х пропорциональна числу ампер-витков IW отклоняю­щей катушки, получаем

.

Чувствительность к магнитному отклонению равна отношению величины откло­нения h_y к току I, протекающему через отклоняющие катушки:

.

Чувствительность показывает, на сколько миллиметров отклоняется луч на экра­не при токе I = 1 А, и измеряется в миллиметрах на ампер.

Преимущество магнитного отклонения по сравнению с электростатическим за­ключается в меньшей зависимости чувствительности от ускоряющего напряжения и возможности получения больших углов отклонения, что позволяет уменьшить длину трубки. Существенным недостатком магнитного отклонения является боль­шая потребляемая мощность для получения требуемых токов отклонения и боль­шая инерционность из-за значительных собственной емкости и индуктивности. Магнитные отклоняющие системы могут работать на частотах до нескольких десятков килогерц, а электростатические системы отклонения способны работать на частотах до нескольких сотен мегагерц.

Экраны ЭЛП

В большинстве ЭЛП экран представляет собой тонкий непроводящий слой люми­нофора, нанесенного на дно стеклянной колбы. Экран бомбардируется потоком электронов, которые передают часть своей энергии атомам люминофора, вследствие чего валентные электроны переходят на более высокие энергетические уровни в зоне проводимости. При последующем возвращении этих электронов на более низкие энергетические уровни выделяются кванты света, определяющие цвет свече­ния экрана. Часть электронов, оказавшихся на верхних энергетических уровнях, способна покинуть люминофор. Это явление называется вторичной электронной эмиссией. Выбитые из экрана вторичные электроны переходят на аквадаг, имеющий потенциал второго анода. При этом между экраном и вторым анодом устанавли­вается равновесная разность потенциалов, при которой число приходящих на эк­ран электронов равно числу электронов, покидающих его поверхность.

Яркость свечения экрана зависит от скорости, с которой электроны бомбардиру­ют экран, а эта скорость зависит от потенциала экрана U_э, величина которого, в свою очередь, определяется количеством электронов, переходящих с экрана на аквадаг. На рис. 10.27, а показана зависимость коэффициента вторичной элект­ронной эмиссии σ, равного отношению числа выбитых вторичных электронов к числу первичных электронов, бомбардирующих экран, от потенциала экрана U_э. При увеличении U_э растет скорость электронов, бомбардирующих экран, и коли­чество выбитых вторичных электронов, то есть σ, растет. При некоторой величи­не U_э коэффициент вторичной электронной эмиссии достигает максимума, затем начинает уменьшаться. Объясняется это тем, что при больших значениях потен­циала U_э первичные электроны более глубоко проникают в люминофор, вслед­ствие чего затрудняется выход из него вторичных электронов. На графике зави­симости σ от U_э имеются две точки, в которых σ = 1. Эти точки соответствуют первому (U_кр1) и второму (U_кр2) критическим потенциалам. На рис. 10.27, б пока­зана зависимость потенциала экрана от потенциала второго анода.

Если U_а2 < U_кр1, то σ < 1. При бомбардировке экрана электронами на нем будет накапливаться отрицательный заряд, и его потенциал снизится до нуля. В этом случае исчезнет ускоряющее поле между катодом и экраном и экран перестанет светиться. При U_а2 = U_кp1 коэффициент σ = 1, потенциал экрана становится рав­ным U_кр1 и возникает свечение экрана.

Если U_а2 > U_кр1, то σ > 1. При этом происходит накопление положительного заряда на экране, которое вызывает повышение потенциала экрана. Этот процесс про­должается до тех пор, пока потенциал экрана не станет чуть больше потенциала второго анода. В этом случае число электронов, уходящих с экрана, будет равно числу первичных электронов.

Если U_а2 > U_кр1, то σ < 1. При этом на экране накапливается отрицательный заряд и его потенциал снижается до величины U_кр2. Отсюда следует, что не имеет смысла устанавливать U_а2 > U_кр2, так как скорость электронов, бомбардирующих экран, определяется величиной U_э, а не U_кр2. Поэтому увеличение U_a2 сверх значения U_кр2 не приведет к повышению яркости свечения экрана.

Рис. 10.27

Для того чтобы повысить яркость свечения экрана, поверхность люминофора со стороны луча покрывают алюминиевой пленкой толщиной около 1 мкм и соеди­няют ее с графитовым покрытием, нанесенным на внутреннюю поверхность кол­бы. В этом случае потенциал экрана принудительно поддерживается равным по­тенциалу второго анода, и накопления заряда на экране не происходит.

Основными параметрами экрана являются яркость свечения, светоотдача, дли­тельность послесвечения и разрешающая способность.

Яркость свечения определяется силой света, излучаемого в направлении, перпен­дикулярном светящейся поверхности площадью в один квадратный метр. Изме­ряется она в канделах на квадратный метр [Кд/м₂] и зависит от плотности тока электронного луча j, которая может изменяться путем изменения напряжения на модуляторе электронной пушки. Кроме того, она зависит от потенциала экра­на U_э. Яркость свечения определяется соотношением

.

Здесь А, m — коэффициенты, определяемые типом люминофора;

U₀ — минимальный потенциал экрана, при котором возникает свечение люми­нофора.

Яркость современных кинескопов составляет 120-150 Кд/м².

Светоотдача определяет силу света в канделах, излучаемую люминофором пер­пендикулярно поверхности экрана, при мощности луча Р_эл, равной 1 Вт. Она зависит от типа люминофора, его толщины, ускоряющего напряжения, плот­ности тока и других факторов. Светоотдача характеризует КПД люминофора. Не вся кинетическая энергия первичных электронов превращается в энергию види­мого излучения, часть ее расходуется на нагрев экрана, вторичную электронную эмиссию электронов, излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазо­нах спектра. Величина светоотдачи лежит в пределах от 0,1 до 15 Кд/Вт.

Длительность послесвечения — интервал времени, в течение которого наблюдается свечение экрана после прекращения возбуждения экрана. Все экраны подразде­ляются на экраны с очень коротким (менее 10^-5 с), коротким (10^-5 – 10^-2 с), сред­ним (10^-2 – 10^-1 с), длительным (10^-1 — 16 с) и очень длительным (более 16 с) пос­лесвечением. В осциллографических трубках применяют экраны с коротким и очень коротким послесвечением, в кинескопах применяют экраны со средним пос­лесвечением, в радиолокационных индикаторах применяют экраны с длительным послесвечением. Длительность послесвечения определяется типом люминофора.

Разрешающая способность оценивается числом отдельно различимых светящих­ся точек, приходящихся на 1см² поверхности экрана, или линий, приходящихся на 1 см высоты экрана. Она определяется диаметром луча. Разрешающая способ­ность тем выше, чем меньше ток луча и больше ускоряющее напряжение.