Вакуумная и плазменная электроника. Вакуумная и плазменная электроника_курс_лекций. Курс лекций Тольятти 2006
 Скачать 1.13 Mb.
|
|
3. ЭЛЕКТРОННО–ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ Электронно- лучевым называется электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, сфокусированный в форме луча или пучка лучей. Электронно-лучевой прибор, имеющий форму трубки, вытянутой в направлении луча, называют электронно-лучевой трубкой. В зависимости от числа используемых лучей различают одно-, двух- и многолучевые приборы. Электронно-лучевые приборы классифицируют по их назначению. Приемные - электронно-лучевые приборы, преобразующие электрический сигнал в видимое изображение. К ним относятся осциллографические трубки, трубки для индикаторных радиолокационных установок, приемные телевизионные трубки - кинескопы и дисплеи. Передающие - электронно-лучевые приборы, предназначенные для преобразования оптического изображения в последовательность электрических сигналов. Используются для передачи телевизионного изображения. Запоминающие трубки - приборы, предназначенные для записи сигналов на диэлектрике с последующим воспроизведением в виде оптического изображения, электрического сигнала или того и другого. Электронно-оптические преобразователи (ЭОП) - электронные электровакуумные приборы, предназначенные для переноса изображения из одной спектральной области в другую с помощью пучка электронных лучей, хотя, строго говоря, в этих приборах нет отдельных сфокусированных пучков - лучей, а изображение переносится широким электронным потоком. 48 3.1 Устройство электронно-лучевой трубки Рис. 3.1 - Схема питания ЭЛТ: 1 - стеклянный баллон трубки; 2 - подогреватель; 3 - подогревный оксидный катод; 4 - модулятор; 5 - ускоряющий электрод; 6 - анод первый; 7 -анод второй: 8 - пластины, отклоняющие по оси Y; 9 - пластины, отклоняющиеся по оси X; 10 - экран (люминофор); 11 - алюминиевая пленка; 12 - анод третий, после ускорения; 13 - делитель напряжения (источник питания) Устройство ЭЛТ представлено на рис. 3.1. Электроды 2-7 образуют электронный прожектор или электронную пушку. Из электронной пушки выходит сформированный электронный луч. Электроды 8 и 9 образуют отклоняющую систему, обеспечивая движение луча по экрану. Электроды 10 и 49 11 - экран ЭЛТ. Все электроды электронной пушки питаются от делителя напряжения (13), напряжение на делителе составляет 10-35 кВ в зависимости от типа трубки. Положительный вывод источника заземлен, на все электроды подается отрицательное относительно земли напряжение. В торце узкой части (горловины) ЭЛТ расположен термокатод в виде цилиндра (3), внутри которого помещена спираль для подогрева (2). Дно цилиндра с внешней стороны покрыто оксидным слоем; с его поверхности при подогреве эмиттируются электроны. Энергия этих электронов составляет сотые доли электрон-вольта, распределение направления движения подчиняется закону косинуса. Катод расположен внутри другого цилиндра с небольшим круглым отверстием - диафрагмой. Это модулятор (4), к нему подводится небольшой, отрицательный относительно катода потенциал, регулируемый в пределах от нуля до нескольких десятков вольт. Меняя напряжение модулятора, изменяют плотность тока электронного луча. Электронный поток формируется только за счет электронов, прошедших через диафрагму диаметром около 1 мм. Далее по оси трубки располагаются еще 2 или 3 цилиндра - ускоряющий электрод (5), анод первый (6) и анод второй (7) - это фокусирующие и ускоряющие электроды. Вследствие различия потенциалов катода, модулятора, ускоряющего электрода и анодов и подбора их геометрии в пространстве между ними создаются неоднородные электрические поля - электронные линзы. Проходя через эти линзы, электроны образуют узкий, сходящийся у экрана поток - электронный луч. Энергия электронов в луче соответствует потенциалу второго анода. На рисунке показана ЭЛТ с электростатической фокусировкой. Поля модулятора и ускоряющего электрода образуют иммерсионную линзу, которая ускоряет и фокусирует электроны. Поля модулятора и A 1 - вторая линза, A 1 и А 2 - третья линза. Количество линз зависит от типа трубки. Есть большой класс ЭЛТ с магнитной фокусировкой, где роль фокусирующей линзы выполняет неоднородное магнитное поле короткой 50 магнитной катушки, надеваемой после ускоряющего электрода или после первого анода на горловину трубки. Магнитная линза не может применяться вместо иммерсионной линзы, поскольку магнитное поле изменяет траекторию уже ускоренных электронов, но не может их ускорять. 3.2 Модуляция электронного луча по плотности Изменение плотности тока луча меняет яркость пятна на экране ЭЛТ в широких пределах: от полного исчезновения до максимального значения. Управление осуществляется изменением электрического поля в прикатодной части электронной пушки, между катодом и модулятором. На рис. 3.2 показана картина электрического поля, образующего иммерсионную линзу. Рис. 3.2 - Иммерсионная линза Возле диафрагмы, в пространстве между катодом и модулятором, существует неоднородное электрическое поле, эквипотенциали поверхности, которого обращены выпуклостью к катоду - область фокусировки электронов. Противоположное расположение эквипотенциальных поверхностей в области ускоряющего электрода - область расфокусировки. Линза осесимметрична. Электроны выходят из катода, имеют очень маленькую энергию (примерно 0,01 эВ), и на них действует поле модулятора. Модулятор имеет отрицательный потенциал относительно катода, поле модулятора возвращает электроны к катоду. Поле ускоряющего электрода, проникая через 51 диафрагму модулятора, ускоряет электроны и обеспечивает их выход через диафрагму модулятора. Результирующее поле у катода слагается из тормозящего поля модулятора и ускоряющего поля ускоряющего электрода. При этом у поверхности катода образуется отрицательный пространственный заряд электронов. Величина пространственного заряда определяется еще и диаметром отверстия в модуляторе. Итак, поле у катода зависит от напряжения на модуляторе U м и от напряжения на ускоряющем электроде U уэ . Для того чтобы раскрыть механизм этой зависимости, вводится понятие действующего напряжения U д : уэ м д DU U U + = , где D - проницаемость модулятора (характеризует степень проникновения поля ускоряющего электрода в пространство модулятор - катод и учитывает ослабление действия этого поля на потенциальный барьер у катода по сравнению с полем модулятора). Меньшее влияние напряжения ускоряющего электрода объясняется, во-первых, тем, что расстояние от ускоряющего электрода до катода больше, чем от модулятора до катода, во-вторых, поле ускоряющего электрода слабо проникает через отверстие в модуляторе. Чем меньше отверстие в модуляторе, тем меньше проницаемость D. Ток луча можно регулировать, изменяя U м и U уэ ,. Тогда проницаемость можно определить как уэ м dU dU D − = при I к =const. Проницаемость показывает сравнительное воздействие U м и U уэ на ток луча. Знак минус показывает, что приращения U м и U уэ - разных знаков (модулятор отрицателен), при этом D всегда положительна. Учитывая, что в области катода есть пространственный заряд, ток луча определяется законом степени 3/2. При этом напряжение в плоскости модулятора в его отверстии складывается из напряжения U м и U уэ и равно U д . Тогда закон степени 3/2 можно записать: 52 [ ] A S d U I км д к 10 33 , 2 0 2 / 3 6 − ⋅ = , где d км — расстояние между катодом и модулятором, S o — площадь отверстия в модуляторе. Модуляционные характеристики ЭЛТ приведены на рис.3.3, I к - ток катода. Это ток в луче в области ускоряющего электрода. Не все электроны достигнут экрана. Часть из них из-за значительного углового расхождения при дальнейшей фокусировке не пропускается диафрагмами первого и второго анода. Поэтому ток луча I л может быть в несколько раз меньше тока катода I к . Из модуляционных характеристик видно, что чем больше отрицательный потенциал модулятора, тем меньше I к - меньше электронов проходит через модулятор. Рис. 3.3 - Модуляционные характеристики U' уэ > U" уэ ; I K =f(U м ) При U м =U мз ток катода равен нулю, ЭЛТ заперта, U мз - потенциал запирания. Когда ЭЛТ заперта, на экране нет пятна. Потенциал запирания зависит от потенциала ускоряющего электрода. Чем выше U уэ , тем больше и потенциал запирания. Связь между катодным током и потенциалом модулятора выражается зависимостью: 2 / 3 мз мз мз м к U U U U b I γ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = , где I к - в микроамперах; U м , U мз –в вольтах; b - коэффициент 2,З ÷2,8 мкА/В 3/2 ; γ-2,5÷3,5. 53 В области запирания γ=2,5, а при U M =0 γ =3,5. Важным параметром модуляционной характеристики служит Δ U м - модуляция: мн мз м U U U − = Δ , где U мн - напряжение, при котором ток луча достигает номинального для данного типа трубки значения. Величина модуляции Δ U м связана с другим параметром - крутизной модуляционной характеристики (мА/В). м к м U I S Δ Δ = Надо отметить, что крутизна S м для трубок с магнитной фокусировкой значительно выше. Поэтому магнитная фокусировка применяется, когда необходима интенсивная модуляция луча, например, в радиолокационных индикаторах с яркостной отметкой. После ускоряющего электрода электроны луча проходят область первого и второго анодов, где фокусируются и ускоряются. Проходя в плоскости электрода, электроны приобретают энергию, соответствующую потенциалу этого электрода. Покидая электронную пушку, электроны проходят через диафрагму второго анода и приобретают энергию, соответствующую потенциалу этого анода (10-25 кэВ). 3.3 Электростатические отклоняющие системы Электростатическая отклоняющая система состоит из двух пар плоских параллельных пластин (8 и 9) рис. 3.1, расположенных друг за другом. Одна пара пластин служит для отклонения луча по X (горизонталь) другая - по Y (вертикаль). 54 Рис. 3.4 - Отклонение луча по оси Y Траектория движения электрона в области отклоняющих пластин по Y и после них до экрана показана на рис.3.4: l - длина отклоняющих пластин; L - расстояние от середины пластин до экрана; U a2 - напряжение на втором аноде; d - расстояние между пластинами; U пл - напряжение на отклоняющих пластинах. Если пренебречь краевым эффектом, то можно считать, что между пластинами существует однородное электрическое поле Е = U пл /d. Скорость электрона, приближающегося к отклоняющим пластинам, определяется напряжением на втором аноде. 2 0 2 a U m e v = , Полное отклонение будет: 2 ; 2 2 1 a пл dU lL U y y y y = + = Чувствительность к отклонению 55 Существенным параметром любой трубки является чувствительность к отклонению ( ε ). Это величина отклонения пятна на экране в мм при изменении на 1 В напряжения приложенного к отклоняющим пластинам ε ⋅ = пл U y , 2 2 a dU lL = ε Следовательно, значение чувствительности зависит от размеров пластин, обратно пропорционально квадрату скорости и прямо пропорционально расстоянию от пластин до экрана, и составляет (0,2 - 1) мм/В. Чтобы увеличить угол отклонения и чувствительность, применяют косорасставленные, изломанные и изогнутые пластины. Чувствительность к отклонению - это паспортный параметр трубки. Зная чувствительность к отклонению и измерив величину отклонения на экране, можно посчитать величину напряжения на пластинах (U пл ). Частотные свойства отклоняющих пластин Трубки с электростатическим отклонением имеют верхний частотный предел. Определяется предельная частота f пред выше которой нельзя подавать напряжение на отклоняющие пластины, по формуле: l U f a пред 2 15 = , где f nред - предельная частота в МГц; U а2 - напряжение на втором аноде в В; l - длина отклоняющихся пластин в см. Физический смысл предельной частоты заключается в том, что пока электрон находится в пределах отклоняющих пластин, напряжение на них не должно изменяться. Иначе сигнал на экране будет искажен. Для современных трубок предельная частота составляет сотни мегагерц. 56 3.4 Магнитная отклоняющая система Обычно она содержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки и образующих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим отклонение электронов электромагнитным полем одной пары катушек, считая, что поле ограничено диаметром катушки и в этом пространстве однородно. Рис. 3.5 - Отклонение луча магнитным полем по оси Y Траектория движения электрона в магнитной отклоняющей системе представлена на рис. 3.5. Силовые линии магнитного поля уходят от нас. Из физики известно, что электрон с начальной скоростью v o движется в магнитном поле по окружности с радиусом r: eB mv r 0 = , где В — вектор магнитной индукции. При выходе из магнитного поля электрон продолжает движение по касательной в точке выхода из поля. Он отклоняется от оси трубки на величину y = L tg α . При малых углах α ≈tg α ⇒ y = L α . Величина центрального угла α =l/r; 57 l mv eB 0 = α Отклонение равно lL mv eB y 0 = Подставив значение v 0 , получим B U Ll m e y a ⋅ = 2 Учитывая, что индукция B = knI, где п — число витков катушки; I - ток через катушку; k - коэффициент пропорциональности, получим knI U Ll m e y a ⋅ = 2 Чувствительность к отклонению 2 2 a м U Llk m e ⋅ = ε Это величина отклонения луча на экране в мм при изменении магнитного поля катушки на один ампервиток. Видно, что отклонение луча магнитным полем в меньшей степени зависит от скорости электрона, поэтому магнитное отклонение применяется в ЭЛТ с высоким U a2 (кинескопы, радиолокационные и т.д. трубки). К недостаткам магнитных отклоняющих систем можно отнести невозможность их использования при отклоняющих сигналах с частотой более 30 кГц. Требования к отклоняющей системе ЭЛТ: 1) достаточно большая чувствительность к отклонению; 2) линейность (отклонение линейно по всему экрану); 3) не должна нарушать фокусировку луча; 4) сохраняя все предыдущие требования, должна иметь большой угол отклонения. 58 Отклонение луча в осциллографических трубках Если поданы напряжения на все электроды электронной пушки ЭЛТ, то луч сформирован и виден в виде светящейся точки в центре экрана. Чтобы луч двигался по экрану, необходимо подать напряжение на обе пары отклоняющих пластин. Осциллографические трубки применяются для анализа формы сигнала (напряжения или тока), т.е. для получения графика изменения измеряемой величины во времени. Для этого исследуемое напряжение прикладывается к одной паре пластин (обычно Y), а к другой паре X прикладывается напряжение пилообразной формы, называемое напряжением развертки (рис. 3.6). Рис. 3.6- Принцип получения осциллограмм. При подаче пилообразного напряжения на пластины, отклоняющие по оси X, луч из центра резко перемещается на край экрана (точка а). Напряжение развертки линейно зависит от времени, и под действием этого напряжения пятно равномерно перемещается по экрану вдоль оси до точки с. Потом напряжение скачком меняется с положительного на отрицательное от точки с до точки а, и луч скачком возвращается в точку а. При подаче только напряжения развертки на экране видна прямая линия. Теперь дополнительно подадим напряжение на пластины, отклоняющие по Y. Пусть это будет измеряемое синусоидальное напряжение. В нулевой момент времени по X луч смещен в точку а, а по Y напряжение равно нулю, луч на экране в точке а. За время от t 0 до t 1 по X луч 59 равномерно перемещается к центру, а по Y напряжение меняется до амплитудного, выписывая 1/4 синусоиды. За время от t 1 до t 2 по X луч равномерно перемещается до точки 0, а по Y напряжение падает от амплитудного до нуля. Точно также записывается отрицательный полупериод синусоиды. При подаче показанных сигналов во времени на экране увидим один полный период синусоиды измеряемого напряжения. Если по X развертку не менять во времени, а период синусоиды уменьшить в 2 раза, то и на экране увидим 2 периода синусоиды. |