Элекктронно-лучевые трубки, классификация, принцип работы.

Электронно-лучевая трубка представляет собой электронно-лучевой прибор для осциллографии, приёма телевизионных изображений, электронно-лучевых коммуникаторов и ряда других областей техники. Во всех этих приборах создается тонкий пучок электронов (электронный луч), управляемый с помощью электрических или магнитных полей. Существует большое разнообразие электронно-лучевых трубок. Они могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча; электронно-лучевые трубки бывают с различными цветами изображения на люминесцирующем экране; с различной длительностью свечения экрана (так называемое послесвечение). Они различаются также по размерам экрана, материалом баллона и другим признакам.

Этот вид электронно-лучевой трубки с системой фокусировки и отклонения электронного луча при помощи электрического поля, который нашёл наиболее широкое применение в различных устройствах для осциллографирования быстро протекающих процессов.

Устройство этого прибора изображено на рис. 8.7.

Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса. На внутреннюю поверхность основания расширенной части 10 нанесён люминесцирующий экран – слой вещества, способного давать свечение под ударами быстро летящих электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы на штырьки цоколя.

Рис. 8.7. Устройство электронно-лучевой трубки (а), условное обозначение (б): 1 – нить накала; 2 – катод; 3 – модулятор; 4 – ускоряющий электрод; 5, 6 – первый и второй аноды; 7, 8 – отклоняющие пластины; 9 – экранирующее покрытие; 10 – экран; 11 – стеклянная колба

Катод 2 предназначен для создания эмиссии электронов; выполняется в виде цилиндра, внутри которого располагается подогреватель в виде нити накала 1. На донышко катода наносится оксидный слой – смесь окислов щелочных металлов, который снижает работу выхода электрона из металла и улучшает, таким образом, эмиссионную способность катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором 3, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для его предварительной фокусировки. На модулятор подаётся небольшое отрицательное напряжение относительно катода.

Следующие электроды 5 и 6 также цилиндрической формы называются анодами. В простейшем случае их только два. На второй анод 6 подаётся очень высокое напряжение относительно катода 1, а на первом аноде 5 напряжение несколько меньше. Внутри анодов обычно устанавливают перегородки с отверстиями, называемые диафрагмами.

Под действием высокого напряжения, подаваемого на аноды 5 и 6, возникает сильное электрическое поле. При включении подогрева катода 2 он нагревается и начинает эмитировать электроны. Под действием сильного электрического поля электроны начинают разгоняться, причём, поскольку на их пути стоит модулятор 3 с отрицательным потенциалом относительно катода, то они испытывают с его стороны отталкивающее, тормозящее действие. Поэтому электроны преодолевают модулятор по самому центру его отверстия, собираясь в узкий пучок. Если увеличивать отрицательный потенциал модулятора, то всё меньшее количество электронов будет проходить через его отверстие, а при некотором значении этого потенциала электронный поток вообще прекратится, так как все электроны будут отталкиваться модулятором назад к катоду. Если электроны преодолели модулятор, то затем они будут ускоренно двигаться по направлению к анодам, но поскольку напряжение на втором аноде 6 значительно выше, чем на первом, от электроны пролетают первый анод насквозь, причём, пролетая сквозь диафрагмы с отверстиями, электроны подвергаются действию электрических полей этих диафрагм, которые играют роль электронных линз, обеспечивающих окончательную фокусировку электронного луча. Скорость электронов возрастает настолько, что они пролетают насквозь и второй анод и продолжают движение к люминесцирующему экрану 10.

Рассмотренное устройство, состоящее из катода, модулятора и анодов, называется электронной пушкой. Далее на пути следования электронного луча устанавливают две пары металлических отклоняющих пластин, вертикальных 7 и горизонтальных 8. Разность потенциалов, подаваемая на две пластины, заставляет электронный луч отклоняться в сторону положительной пластины.

Таким образом, две пары отклоняющих пластин позволяют управлять электронным лучом в горизонтальной и вертикальной плоскости. Попадая на экран, поток быстролетящих электронов вызывает свечение люминофора, и на экране будет видно светящееся пятно, которое можно перемещать в любую точку экрана и изменять интенсивность его свечения.

Электроны, попадая на экран, передают ему свой заряд, и в результате создаётся электрическое поле, тормозящее движение электронов. Яркость свечения станет уменьшаться и может вообще прекратиться попадание электронов на экран. Поэтому необходимо отводить отрицательный заряд с экрана. Для этого служит экранирующее покрытие 9. Это слой графита, который наносится на внутреннюю поверхность баллона и соединяется со вторым анодом 6. Электроны, попадая на экран с большой скоростью, выбивают с его поверхности вторичные электроны, которые тут же направляются к проводящему слою. Поэтому потенциал на экране и на проводящем слое примерно одинаковый. Цепи питания электронно-лучевой трубки показаны на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Схема подачи напряжения на электронно-лучевую трубку

Постоянные напряжения на электроды подаются от двух источников с напряжениями и . Источник должен быть высоковольтным, а – низковольтным. Питание электронной пушки осуществляется через делитель напряжения . Потенциометр является регулятором яркости. С его помощью изменяется отрицательный потенциал модулятора.

Для фокусировки электронного луча служит потенциометр . Следует отметить, что системе питания электронно-лучевой трубки обычно заземляется положительный электрод высоковольтного источника , а на катоде и особенно на модуляторе, следовательно, будет большой отрицательный потенциал. Поэтому при работе с электроннолучевой трубкой следует соблюдать осторожность и не допускать соприкосновения с этими электродами во избежание поражения электрическим током.

Питание отклоняющей системы осуществляется от источника через делитель напряжения и потенциометры и , при помощи которых устанавливают среднее положение луча. Если теперь на горизонтальные отклоняющие пластины подавать с какой-либо частотой пилообразное напряжение (линейно возрастающее напряжение), то тогда луч будет совершать в горизонтальном направлении возвратно- поступательные движения, называемые развёрткой. Если же теперь подать на вертикально отклоняющие пластины какой-то исследуемый электрический сигнал, то на экране электронно-лучевой трубки можно будет наблюдать графическое изображение этого сигнала во времени.

Этот принцип широко используется в осциллографах для визуального наблюдения исследуемых сигналов. Подбирая частоту напряжения развёртки равной или кратной частоте исследуемого сигнала, можно получить на экране неподвижную во времени картину его изменения. Этот процесс называется синхронизацией.

В принципе, на экране электронно-лучевой трубки, можно непосредственно наблюдать магнитные характеристики какого-либо материала (рис. 8.9). В цепь первичной обмотки трансформатора T включено сопротивление . При протекании первичного тока на этом сопротивлении возникает падение напряжения, пропорциональное намагничивающей силе :

.

(8.2)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

ЭДС вторичной обмотки .

(8.3)

Напряжение на конденсаторе

;

(8.4)

Рис. 8.9. Измерение при помощи осциллографа магнитных характеристик материалов

Если напряжение подать на горизонтально отклоняющие пластины, а напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины, то на экране луч будет изменяться в координатах , т. е. на экране можно будет наблюдать намагничивание сердечника трансформатора.

Аналогичным образом можно непосредственно на экране электронно-лучевой трубки получить вольтамперные характеристики различных полупроводниковых приборов, если на горизонтальный вход подавать сигнал пропорциональный току прибора, а на вертикальный вход – пропорциональный напряжению на приборе.

Рассмотренная конструкция электронно-лучевой трубки не является единственной. Существует большое количество различных вариантов её построения, подключения, использования. Кроме рассмотренной системы фокусировки и отклонения луча широкое распространение получили магнитные системы, когда на движущиеся электроны воздействуют магнитным полем. При этом возникает сила Лоренца

,

(8.5)

где – заряд электрона; – вектор скорости электрона; – вектор магнитной индукции.

Изменяя величину этой силы можно изменять степень влияния на движущийся электронный пучок.

Магнитные системы получили наиболее широкое применение в электронно-лучевых трубках телевизионных приёмников (кинескопах), а также в индикаторных электронно-лучевых трубках радиолокационных станций.

КРАТКО: " В электронно-лучевых приборах создается тонкий пучок электронов (луч), который управляется электрическим или магнитным полем либо обоими полями. К этим приборам относятся электроннолучевые трубки индикаторных устройств радиолокаторов, для осциллографии, приема телевизионных изображений (кинескопы), передачи телевизионных изображений, а также запоминающие трубки, электронно-лучевые переключатели, электронные микроскопы, электронные преобразователи изображений и др. Большинство электронно-лучевых приборов служит для получения видимых изображений на люминесцентном экране; их называют электронно-графическими. Рассматриваются наиболее распространенные осциллографические и приемные телевизионные трубки, к которым также близки индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций.

Трубки могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча. В зависимости от цвета изображения на люминесцентном экране бывают трубки с зеленым, оранжевым или желто-оранжевым свечением — для визуального наблюдения, синим — для фотографирования осциллограмм, белым или трехцветным — для приема телевизионных изображений. Кроме того, трубки изготовляются с различной длительностью свечения экрана после прекращения ударов электронов (так называемым послесвечением). Трубки различаются также по размерам экрана, материалу баллона (стеклянные или металлостеклянные) и другим признакам."