Электронно-лучевые приборы

Введение

 

Электронно-лучевые приборы - электровакуумные приборы, в которых для индикации, коммутации и др. целей используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей. Электронно-лучевые приборы, имеющие  форму трубки, вытянутой в направлении  луча, наз. электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).

 

Электронно-лучевые приборы являются преобразователями информации (сигналов) и по виду преобразования разделяются  на следующие группы: преобразующие  электрический сигнал в видимое  изображение - приёмные ЭЛТ (осциллографы, телевизионные кинескопы) и индикаторные, используемые в радиолокационных системах и в устройствах вывода информации из ЭВМ; преобразующие видимое изображение в электрический сигнал-передающие ЭЛТ, используемые для передачи телевизионного изображения, запоминающие ЭЛТ, предназначенные для записи сигналов и последующего воспроизведения записанной информации в виде электрических сигналов, оптического изображения или того и другого. К электронно-лучевым приборам относят также электронно-оптические преобразователи, предназначенные для смещения изображения из одной спектральной области в другую с помощью электронного пучка.

 

Широкое распространение электронно-лучевые приборы имеют благодаря ряду свойств, присущих электронному пучку. Наиболее важным является его практическая безынерционность, позволяющая использовать электронно-лучевые приборы для исследования быстропротекающих процессов: с помощью электронного осциллографа можно зарегистрировать раздельно два импульса с интервалом  0,1 мкс. Это свойство объясняется очень малой массой электрона, что позволяет небольшим изменением электрического поля сообщать электронам очень большие ускорения. Воздействием поперечных электрических и магнитных полей можно практически мгновенно изменять направление движения электронов, отклонять или поворачивать электронный луч - управлять им.

 

 

 

 

Одним из основных показателей качества электронно-лучевых приборов является объём информации, преобразуемой без существенных искажений. Максимальный объём информации, воспроизводимой на экране приёмной трубки или воспринимаемой мишенью передающей и запоминающей трубки, определяется разрешающей способностью прибора. Например, разрешающая способность кинескопа оценивается кол-вом отдельно различимых светящихся строк, укладывающихся на рабочей поверхности экрана. Разрешающая способность, при прочих равных условиях, будет тем выше, чем меньше сечение электронного луча в плоскости приёмника.

 

В электронно-лучевых приборах можно выделить три основных конструктивных узла: электронный прожектор, формирующий электронный луч; отклоняющие системы, перемещающие электронный луч в пространстве; экран или мишень, являющиеся приёмником электронов луча.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип работы электронно-лучевой пушки.

 

Кинескоп или  электронно-лучевая трубка - электровакуумный прибор, преобразующий электрические сигналы в световые. Основные работы ЭЛТ были разработаны немецким физиком Карлом Брауном в 1895 году.

 

 В основу работы электронно-лучевой трубки или просто кинескопа, как и любой электронной лампы, положен принцип электронной эмиссии. Как известно, нагретые тела испускают электроны. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла.

 

В баллоне ЭЛТ создан глубокий вакуум. Для создания электронного луча применяется устройство, именуемое  электронной пушкой. Электронная пушка состоит из катода, управляющего электрода (модулятора), ускоряющего электрода, и одного и более анодов. При наличии двух и более анодов, первый анод называется фокусирующим электродом. 

Катод создает поток электронов, которые исходят с его нагретой поверхности вследствие термоэлектронной эмиссии. В электронных пушках, применяемых в современных ЭЛТ, используется оксидный катод косвенного накала. Он обеспечивает достаточную эмиссию при относительно невысокой температуре 780—820 °С. При такой температуре катод обладает достаточной долговечностью, и для его подогрева требуется небольшая мощность. Катод и подогреватель образуют катодно-подогревный узел (КПУ).

КПУ представляет собой  полую гильзу с плоским дном. На внешнюю поверхность дна гильзы нанесён оксидный слой, а внутри гильзы расположен подогреватель в  виде спирали из проволоки с высоким  удельным сопротивлением. Цепь подогревателя  электрически изолирована от катода.

Оксидный слой представляет собой кристаллы твердого раствора окислов щёлочноземельных металлов — бария, кальция и стронция (BaO, CaO, SrO). Он окончательно формируется в процессе термовакуумной обработки ЭЛТ. В процессе откачки, при достижении необходимого уровня вакуума, катод прогревается с помощью внешнего индуктора, а затем и обычным путём, с помощью подогревателя, работающего в форсированном режиме. В результате в исходных веществах, нанесённых на поверхность катода, протекают химические реакции и выделяются газы. Этот процесс называют активацией и тренировкой катода. В свою очередь, неправильный температурный режим в процессе эксплуатации (питание подогревателя повышенным или пониженным напряжением), а также ухудшение вакуума, ведёт к деструктивным механическим и химическим процессам в оксидном слое катода, что ускоряет наступление отказа электронной пушки из-за потери эмиссии (невозможности получить необходимый ток катода). Максимальный ток катода, который должна обеспечивать электронная пушка, применяемая в кинескопах, составляет порядка 200—300 мкА.

Модулятор представляет собой цилиндрический стакан, накрывающий катод. В центре его дна имеется калиброванное отверстие, которое называется несущая диафрагма. С её помощью начинается формирование нужной толщины электронного пучка. Модулятор ближе всех остальных электродов расположен к катоду (расстояние между оксидной поверхностью катода и отверстием модулятора составляет 0,08—0,20 ± 0,01 мм), поэтому его потенциал наиболее значительно влияет на ток электронного луча, отсюда и его название.

Назначение и  действие модулятора подобно назначению и действию управляющей сетки  в электронной лампе. Зависимость  тока электронного луча от потенциала модулятора называется модуляционной  характеристикой электронной пушки. На модуляторе в каждый момент времени  должен быть отрицательный потенциал  относительно катода. Его постоянная составляющая задаёт постоянную составляющую тока электронной пушки и, следовательно, яркость свечения экрана ЭЛТ. Если абсолютное значение отрицательного потенциала на модуляторе будет превышать величину запирающего напряжения, ток электронного луча будет равен нулю.

  

 

 

 

 

Ускоряющий электрод представляет собой полый цилиндр, расположенный на оси электронной пушки. На него подаётся положительный потенциал в несколько сотен вольт, он располагается между модулятором и фокусирующим электродом, и выполняет несколько функций:

-сообщает электронам начальную скорость в пределах электронной пушки.

-между ускоряющим электродом и анодом образуется дополнительная электростатическая линза, уменьшающая угол расхождения пучка перед входом в главную линзу, которую образуют аноды.

-экранирует прикатодное пространство от поля анода (действует подобно экранной сетке в электронной лампе), вследствие чего колебания анодного напряжения не сказываются на токе пучка и не приводят к колебаниям яркости свечения экрана ЭЛТ.

 

Конструкция анодов аналогична конструкции ускоряющего электрода. Цилиндр второго анода имеет выходную диафрагму. Она пропускает электроны, траектория которых имеет малое отклонение от оси электронной пушки. Высокие положительные потенциалы, приложенные к анодам, придают пролетающим сквозь них электронам необходимую скорость. В ЭЛТ с электростатической фокусировкой луча фокусирующий электрод и анод образуют главную электростатическую линзу, которая фокусирует электронный пучок на экран. Фокусное расстояние этой линзы зависит от их геометрии, расстояния между ними и соотношения их потенциалов. Оно регулируется путем изменения потенциала на фокусирующем электроде для достижения максимально резкого изображения.

 

 

По способу отклонения электронного луча все ЭЛТ делятся  на две группы: с электромагнитным отклонением и с электростатическим отклонением.

По способности сохранять  записанное изображение ЭЛТ делят  на трубки без памяти, и трубки с  памятью, в конструкции которых  предусмотрены специальные элементы (узлы) памяти, с помощью которых  единожды записанное изображение может  многократно воспроизводиться.

По цвету свечения экрана ЭЛТ подразделяются на монохромные и многоцветные. Монохромные могут иметь разный цвет свечения: белый, зелёный, синий, красный и другие. Многоцветные подразделяются по принципу действия на двухцветные и трёхцветные. Двухцветные — индикаторные ЭЛТ, цвет свечения экрана которых меняется или за счет переключения высокого напряжения, или за счет изменения плотности тока электронного луча. Трёхцветные (по основным цветам) — цветные кинескопы, многоцветность свечения экрана которых обеспечивается специальными конструкциями электронно-оптической системы, цветоделительной маски и экрана.

Осциллографические ЭЛТ  подразделяют на трубки низкочастотного и СВЧ диапазонов. В конструкциях последних применена достаточно сложная система отклонения электронного луча.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приборы типа «Сигнал-свет»

 

К приборам типа «сигнал-свет»  относятся электронно-лучевые приборы, позволяющие преобразовывать электрические  сигналы в световые изображения.

Кинескоп - электронно-лучевой прибор, предназначенный для приема электрических сигналов и преобразования их в световое изображение.

 

Кинескоп - вакуумированная стеклянная колба, которая выдает изображение на покрытом фосфором экране с помощью луча из электронной пушки. Луч - это поток электронов, испускаемый пушкой, когда нагреватель достаточно горячий, чтобы освободить электроны с катода, которые затем собираются в тонкий электронный пучок с помощью фокусирующего элемента.

 

Фосфор - химический элемент, который испускает свет, когда  возбуждается потоком электронов. Отклоняя луч, мы можем получить на экране линию. Модулируя луч по интенсивности, мы можем получить изображение.

Кинескоп состоит из колбы, электронной пушки, экрана, покрытого  тысячами фосфорных точек, отклоняющей  системы и других вспомогательных  компонентов.

 

1. Стеклянная колба

 

Передняя и боковые  стенки колбы толстые и прочные, для того, чтобы выдерживать разницу давлений (10Е-6, 10Е-7 мм. Рт. Ст. ) кроме того передняя поверхность экрана подвергается дальнейшей обработке.

Проводящее графитовое покрытие наносится на внутреннюю и внешнюю  поверхность колбы, создавая, таким образом, две обкладки фильтрующего высоковольтного конденсатора емкостью от 500 до1500 пкф. Стекло колбы является диэлектриком.

 

 

 

2. Электронная  пушка

 

Электронная пушка - компонент, который испускает электроны  с поверхности катода. Пушка состоит  из нагревателя, катода, модулятора G1 (управляет  интенсивностью электронного пучка), ускоряющего  электрода G2, фокусирующих электродов G3, (G4) и высоковольтного цилиндрического  электрода G5, придающего лучу дополнительную энергию перед попаданием его  на фосфорный слой.

 

 

 

 

Рис.1 Схема электронно-лучевой  пушки

3. Фосфорный слой

 

Это гомогенное покрытие передней внутренней поверхности кинескопа  фосфоросодержащими материалами с добавками ZnS, CdS, Ag в определенной пропорции. Этот слой покрыт тонкой алюминиевой пленкой, прозрачной для электронов. Анодное напряжение свыше 20 киловольт подается на это покрытие.

 

 

Рис.2 Схематичное изображение  кинескопа.

 

 

4. Отклоняющая  система

 

Состоит из горизонтальных и вертикальных отклоняющих катушек, имеющих специальную намотку, для  создания однородного магнитного поля, обеспечивающего неискаженное изображение.

Отклонение пропорционально  напряженности магнитного поля, которая  в свою очередь пропорциональна  току, протекающему в катушках.

Другими словами отклонение пропорционально отклоняющему току и квадрату анодного напряжения.

Рис. 3. Отклоняющая система

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прибор типа «Свет-сигнал»

 

Приборы типа «свет-сигнал» служат для преобразования изображения в последовательность электрических импульсов с целью их передачи на расстояние.

Иконоскоп-первый их приборов этого типа.

 Принцип его работы  основан на накоплении электрического  заряда на мозаичной светочувствительной  мишени за счет процессов внешнего  фотоэффекта.

 

Иконоскоп состоит из вакуумной  стеклянной колбы, в которой укреплена  светочувствительная мишень, на которую  объективом проецируется изображение; приваренной к колбе под углом  электронно-лучевой пушки, размещённой  сбоку или снизу от объектива; и систем, отклоняющих и фокусирующих электронный луч.

Светочувствительная мишень состоит из очень тонкой пластины изолятора (обычно, слюды) и нанесённых с обеих сторон покрытий. Со светочувствительной стороны покрытие состоит из очень мелких (десятки микрон) иррегулярных серебряных капель, покрытых цезием для увеличения светочувствительности, с другой — сплошное тонкое серебряное покрытие, с которого и снимается выходной сигнал.

 

При освещении мишени под  действием фотоэффекта капельки серебра приобретают положительный  заряд, пропорциональный освещённости. Выбитые из мишени электроны оседают  на втором аноде электронно-лучевой  пушки. Затем, при сканировании мишени электронным лучом, происходит заряд  всех капелек до одного потенциала, не зависящего от освещённости. При этом капелька является одной обкладкой конденсатора, второй обкладкой которого является сплошной серебряный слой на обратной стороне мишени. Таким образом, перезарядка этого конденсатора электронным лучом порождает ток, величина которого зависит от заряда, обусловленного фотоэффектом, для тех капелек, которые в данный момент сканируются. Время накопления заряда между проходами электронного луча примерно в полмиллиона раз превышает время считывания.