После отклоняющей системы электроны попадают на экран ЭЛТ. Экран представляет тонкий слой люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность торцевой части баллона и способного интенсивно светиться при бомбардировке электронами.
В ряде случаев поверх слоя люминофора наносится проводящий тонкий слой алюминия. Свойства экрана определяются его
характеристиками и параметрами. К основным параметрам экранов относятся: первый и второй критические потенциалы экрана , яркость свечения , световая отдача , длительность послесвечения.
Потенциал экрана. При бомбардировке экрана потоком электронов с его поверхности возникает вторичная электронная эмиссия. Для отвода вторичных электронов стенки баллона трубки вблизи экрана покрываются проводящим графитовым слоем, который соединяется со вторым анодом. Если этого не делать, то вторичные электроны, возвращаясь на экран, вместе с первичными будут понижать его потенциал. В этом случае в пространстве между экраном и вторым анодом создается тормозящее электрическое поле, которое будет отражать электроны луча. Таким образом, для устранения тормозящего поля от поверхности непроводящего экрана необходимо отводить электрический заряд, переносимый электронным лучом. Практически единственным путем компенсации заряда является использование вторичной эмиссии. При падении электронов на экран их кинетическая энергия преобразуется в энергию свечения экрана, идет на его нагрев и вызывает вторичную эмиссию. Величина коэффициента вторичной эмиссии о определяет потенциал экрана. Коэффициент вторичной эмиссии электронов а = / в // л (/„ - ток вторичных электронов, / л - ток луча, или ток первичных электронов) с поверхности экрана в широком диапазоне изменения энергии первичных электронов превышает единицу (рис. 12.8, о < 1 на участке О А кривой при V < С/ кр1 и при 15 > С/ кр2).
При и < (У кр1 число уходящих-от экрана вторичных электронов меньше числа первичных, что приводит к накоплению отрицательного заряда на экране, формированию тормозящего поля для электронов луча в пространстве между вторым анодом и экраном и их отражению; свечение экрана отсутствует. Потенциал и л2 = Г/ крР соответствующий точке А на рис. 12.8, называется первым критическим потенциалом.
При С/ а2 = £/ кр1 потенциал экрана близок к нулю.
Если энергия пучка становится больше е£/ кр1 , то о > 1 и экран начинает заряжаться поло-
Рис. 12.8
жительно относительно последнего анода прожектора. Процесс продолжается до тех пор, пока потенциал экрана не станет приблизительно равным потенциалу второго анода. Это означает, что число уходящих с экрана электронов равно числу падающих. В диапазоне изменения энергии пучка от е£/ кр1 до С/ кр2 с > 1 и потенциал экрана достаточно близок к потенциалу анода прожектора. При и &2 > Н кр2 коэффициент вторичной эмиссии а < 1. Потенциал экрана вновь снижается, и у экрана начинает формироваться тормозящее для электронов луча поле. Потенциал и кр2 (соответствует точке В на рис. 12.8) называют вторым критическим потенциалом или предельным потенциалом.
При энергиях электронного луча выше е11 кр2 яркость свечения экрана не увеличивается. Для различных экранов Г/ кр1 = = 300...500 В, и кр2 = 5...40 кВ.
При необходимости получения больших яркостей потенциал экрана с помощью проводящего покрытия принудительно поддерживают равным потенциалу последнего электрода прожектора. Проводящее покрытие электрически соединено с этим электродом.
Светоотдача. Это параметр, который определяет отношение силы света J cв, излучаемого люминофором нормально поверхности экрана, к мощности электронного луча Р эл, падающего на экран:
Светоотдача ц определяет КПД люминофора. Не вся кинетическая энергия первичных электронов превращается в энергию видимого излучения, часть идет на нагревание экрана, вторичную эмиссию электронов и на излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Светоотдачу измеряют в канделах на ватт: для различных экранов она изменяется в пределах 0,1... 15 кд/Вт. При малых скоростях электронов свечение возникает в поверхностном слое и часть света поглощается люминофором. С увеличением энергии электронов светоотдача возрастает. Однако при очень больших скоростях многие электроны пробивают слой люминофора, не производя возбуждения, и происходит снижение светоотдачи.
Яркость свечения. Это параметр, который определяется силой света, излучаемого в направлении наблюдателя одним квадратным метром равномерно светящейся поверхности. Яркость измеряют в кд/м 2 . Она зависит от свойств люминофора (характеризуется коэффициентом А), плотности тока электронного луча у, разности потенциалов между катодом и экраном II и минимального потенциала экрана 11 0 , при котором еще наблюдается люминесценция экрана. Яркость свечения подчиняется закону
Значения показателя степени п у потенциала £/ 0 для разных люминофоров изменяются в пределах соответственно 1...2,5 и
30...300 В. На практике линейный характер зависимости яркости от плотности тока у сохраняется примерно до 100 мкА/см 2 . При больших плотностях тока люминофор начинает нагреваться и выгорать. Основной способ повышения яркости - увеличение и.
Разрешающая способность. Этот важный параметр определяется как свойство ЭЛТ воспроизводить детали изображения. Разрешающая способность оценивается числом отдельно различимых светящихся точек или линий (строк), приходящихся соответственно на 1 см 2 поверхности или на 1 см высоты экрана, либо на всю высоту рабочей поверхности экрана. Следовательно, для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать диаметр луча, т. е. требуется хорошо сфокусированный тонкий луч диаметром в десятые доли мм. Разрешающая способность тем выше, чем меньше ток луча и больше ускоряющее напряжение. В этом случае реализуется наилучшая фокусировка. Разрешающая способность также зависит от качества люминофора (крупные зерна люминофора рассеивают свет) и наличия ореолов, возникающих из-за полного внутреннего отражения в стеклянной части экрана.
Длительность послесвечения. Время, в течение которого яркость свечения уменьшается до 1% от максимального значения, называется временем послесвечения экрана. Все экраны разделяются на экраны с очень коротким (менее 10 5 с), коротким (10“ 5 ...10“ 2 с), средним (10 2 ...10 1 с), длительным (10 Ч.Лб с) и очень длительным (более 16 с) послесвечением. Трубки с коротким и очень коротким послесвечением широко применяются при осциллографировании, а со средним послесвечением - в телевидении. В радиолокационных индикаторах обычно используются трубки с длительным послесвечением.
В радиолокационных трубках часто применяют длительно светящиеся экраны, имеющие двухслойное покрытие. Первый слой люминофора - с коротким послесвечением синего цвета - возбуждается электронным лучом, а второй - с желтым цветом свечения и длительным послесвечением - возбуждается светом первого слоя. В таких экранах удается получить послесвечение до нескольких минут.
Типы экранов. Очень большое значение имеет цвет свечения люминофора. В осциллографической технике при визуальном наблюдении экрана используются ЭЛТ с зеленым свечением, наименее утомительным для глаза. Таким цветом свечения обладает ортосиликат цинка, активированный марганцем (вилле- мит). Для фотографирования предпочтительны экраны с синим цветом свечения, свойственным вольфрамату кальция. В приемных телевизионных трубках с черно-белым изображением стараются получить белый цвет, для чего применяются люминофоры из двух компонентов: синего и желтого.
Для изготовления покрытий экранов широко применяют также следующие люминофоры: сульфиды цинка и кадмия, силикаты цинка и магния, окислы и оксисульфиды редкоземельных элементов. Люминофоры на основе редкоземельных элементов обладают целым рядом достоинств: они более стойки к различным воздействиям, чем сульфидные, достаточно эффективны, имеют более узкую спектральную полосу излучения, что особенно важно в производстве цветных кинескопов, где необходима высокая чистота цвета и т. д. В качестве примера можно привести сравнительно широко используемый люминофор на основе окисла иттрия, активированного европием У 2 0 3: Ей. Этот люминофор имеет узкую полосу излучения в красной области спектра. Хорошими характеристиками обладает также люминофор, состоящий из оксисульфида иттрия с примесью европия У 2 0 3 8: Ей, который имеет максимум интенсивности излучения в красно-оранжевой области видимого участка спектра и лучшую химическую стойкость, чем У 2 0 3: Еи-люминофор.
Алюминий химически инертен при взаимодействии с люминофорами экранов, легко наносится на поверхность испарением в вакууме и хорошо отражает свет. К недостаткам алюминированных экранов можно отнести то, что алюминиевая пленка поглощает и рассеивает электроны с энергией меньше 6 кэВ, поэтому в этих случаях светоотдача резко падает. Например, светоотдача алюминированного экрана при энергии электронов в 10 кэВ примерно на 60% больше, чем при 5 кэВ. Экраны трубок имеют прямоугольную или круглую форму.
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) – электровакуумные приборы, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световое изображение с помощью тонкого электронного луча, направляемого на специальный экран, покрытый люминофором - составом, способным светиться при бомбардировке его электронами.
На рис. 15 показано устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим отклонением луча . В трубке имеется оксидный подогревный катод с эмиттирующей поверхностью, обращенной к отверстию в модуляторе. На модуляторе относительно катода устанавливается небольшой отрицательный потенциал. Далее по оси трубки (и по ходу луча) располагается фокусирующий электрод, называемый также первым анодом, его положительный потенциал способствует вытягиванию электронов из прикатодного пространства через отверстие модулятора и формированию из них узкого луча. Дальнейшую фокусировку и ускорение электронов осуществляет поле второго анода (ускоряющего электрода). Его потенциал в трубке наиболее положительный и составляет единицы – десятки киловольт. Совокупность катода, модулятора и ускоряющего электрода образует электронную пушку (электронный прожектор). Неоднородное электрическое поле в пространстве между электродами действует на электронный пучок как собирательная электростатическая линза. Электроны под действием этой линзы сходятся в точку на внутренней стороне экрана. Экран изнутри покрыт слоем люминофора – вещества, преобразующего энергию потока электронов в свет. Снаружи место падения потока электронов на экран светится.
Для управления положением светящегося пятна на экране и тем самым получения изображения электронный луч отклоняют по двум координатам с помощью двух пар плоских электродов – отклоняющих пластин X и Y. Угол отклонения луча зависит от напряжения, приложенного к пластинам. Под действием переменных отклоняющих напряжений на пластинах луч обегает разные точки на экране. Яркость свечения точки зависит от силы тока луча. Для управления яркостью подают переменное напряжение на вход модулятора Z. Для получения устойчивого изображения периодического сигнала осуществляют его периодическую развертку на экране, синхронизируя линейно изменяющееся напряжение развертки по горизонтали X исследуемым сигналом, который одновременно поступает на пластины вертикального отклонения Y. Таким путем формируют изображения на экране ЭЛТ. Электронный луч обладает малой инерционностью.
Кроме электростатической, применяется и магнитная фокусировка электронного луча. Для нее используют катушку с постоянным током, в которую вставляют ЭЛТ. Качество магнитной фокусировки выше (меньше размер пятна, меньше искажения), однако магнитная фокусировка громоздкая и непрерывно потребляет энергию.
Широко применяется (в кинескопах) магнитное отклонение луча, осуществляемое двумя парами катушек с токами. В магнитном поле электрон отклоняется по радиусу окружности, и угол отклонения может быть существенно большим, чем в ЭЛТ с электростатическим отклонением. Однако быстродействие магнитной отклоняющей системы невысокое из-за инерционности катушек с током. Поэтому в осциллографических трубках применяют исключительно электростатическое отклонение луча как менее инерционное.
Экран является важнейшей частью ЭЛТ. В качестве электролюминофоров применяют различные неорганические соединения и их смеси, например, сульфиды цинка и цинка-кадмия, силикат цинка, вольфраматы кальция и кадмия и т.п. с примесями активаторов (меди, марганца, висмута и др.). Основные параметры люминофора: цвет свечения, яркость, сила света пятна, световая отдача, послесвечение. Цвет свечения определяется составом люминофора. Яркость свечения люминофора в Кд/м 2
B ~ (dn/dt)(U-U 0) m ,
где dn/dt – поток электронов в секунду, то есть, ток луча, А;
U 0 - потенциал свечения люминофора, В;
U – ускоряющее напряжение второго анода, В;
Сила света пятна пропорциональна яркости. Световая отдача – это отношение силы света пятна к мощности луча в Кд/Вт.
Послесвечение – это время, в течение которого яркость пятна после выключения луча спадает до 1% первоначального значения. Различают люминофоры с очень коротким (менее 10 мкс) послесвечением, с коротким (от 10 мкс до 10 мс), средним (от 10 до 100 мс), длительным (от 0,1 до 16 с) и очень длительным (более 16 с) послесвечением. Выбор величины послесвечения определяется областью применения ЭЛТ. Для кинескопов применяют люминофоры с малым послесвечением, так как изображение на экране кинескопа непрерывно меняется. Для осциллографических трубок используют люминофоры с послесвечением от среднего до очень длительного, в зависимости от частотного диапазона подлежащих отображению сигналов.
Важный вопрос, требующий более подробного рассмотрения, связан с потенциалом экрана ЭЛТ. Когда электрон попадает на экран, он заряжает экран отрицательным потенциалом. Каждый электрон подзаряжает экран, и его потенциал становится все более отрицательным, так что очень быстро возникает тормозящее поле, и движение электронов к экрану прекращается. В реальных ЭЛТ это не происходит, потому что каждый электрон, попавший на экран, выбивает из него вторичные электроны, то есть, имеет место вторично-электронная эмиссия. Вторичные электроны уносят с экрана отрицательный заряд, а для их удаления из пространства перед экраном внутренние стенки ЭЛТ покрыты проводящим слоем на основе углерода, электрически соединенным со вторым анодом. Для того, чтобы этот механизм работал, коэффициент вторичной эмиссии , то есть, отношение числа вторичных электронов к числу первичных, должно превышать единицу. Однако у люминофоров коэффициент вторичной эмиссии К вэ зависит от напряжения на втором аноде U a . Пример такой зависимости изображен на рис. 16, откуда следует, что потенциал экрана не должен превышать величину
U a max , иначе яркость изображения будет не увеличиваться, а уменьшаться. В зависимости от материала люминофора напряжение U a max = 5…35 кВ. Для повышения предельного потенциала экран изнутри покрывают тонкой проницаемой для электронов пленкой металла (обычно алюминия – алюминированый экран), электрически соединенной со вторым анодом. В этом случае потенциал экрана определяется не коэффициентом вторичной эмиссии люминофора, а напряжением на втором аноде. Это позволяет использовать более высокое напряжение второго анода и получать более высокую яркость свечения экрана. Яркость свечения возрастает также и из-за отражения света, излучаемого вовнутрь трубки, от алюминиевой пленки. Последняя прозрачна лишь для достаточно быстрых электронов, поэтому напряжение второго анода должно превышать 7…10 кВ.
Срок службы электронно-лучевых трубок ограничивается не только потерей эмиссии катодом, как у других электровакуумных приборов, но также и разрушением люминофора на экране. Во-первых, мощность электронного луча используется крайне неэффективно. Не более двух процентов ее превращаются в свет, в то время как более 98% лишь нагревают люминофор, при этом происходит его разрушение, выражающееся в том, что постепенно световая отдача экрана снижается. Выгорание происходит быстрее при увеличении мощности потока электронов, при снижении ускоряющего напряжения, а также более интенсивно в местах, на которые луч падает большее время. Другой фактор, снижающий срок службы электронно-лучевой трубки, - это бомбардировка экрана отрицательными ионами, образующимися из атомов оксидного покрытия катода. Разгоняясь ускоряющим полем, эти ионы движутся к экрану, проходя отклоняющую систему. В трубках с электростатическим отклонением ионы отклоняются так же эффективно, как и электроны, поэтому попадают на разные участки экрана более или менее равномерно. В трубках с магнитным отклонением ионы отклоняются слабее из-за своей многократно большей массы, чем у электронов, и попадают, в основном, в центральную часть экрана, с течением времени образуя на экране постепенно темнеющее так называемое «ионное пятно». Трубки с алюминированным экраном гораздо менее чувствительны к ионной бомбардировке, так как пленка алюминия преграждает путь ионам к люминофору.
Наиболее широко применяются два типа электронно-лучевых трубок: осциллографические и кинескопы . Осциллографические трубки предназначены для отображения разнообразных процессов, представленных электрическими сигналами. Они имеют электростатическое отклонение луча, так как оно позволяет осциллографу отображать более высокочастотные сигналы. Фокусировка луча также электростатическая. Обычно осциллограф используется в режиме с периодической разверткой: на пластины горизонтального отклонения от внутреннего генератора развертки поступает пилообразное напряжение с постоянной частотой (напряжение развертки ), к пластинам вертикального отклонения прикладывается усиленное напряжение исследуемого сигнала. Если сигнал периодический и его частота в целое число раз превышает частоту развертки, на экране возникает неподвижный график сигнала во времени (осциллограмма ). Современные осциллографические трубки по конструкции сложнее, чем изображенная на рис. 15, они имеют большее количество электродов, применяются также двухлучевые осциллографические ЭЛТ, имеющие двойной комплект всех электродов при одном общем экране и позволяющие отображать синхронно два разных сигнала.
Кинескопы представляют собой ЭЛТ с яркостной отметкой , то есть, с управлением яркостью луча путем изменения потенциала модулятора; они применяются в бытовых и промышленных телевизорах, а также мониторах компъютеров для преобразования электрического сигнала в двумерное изображение на экране. От осциллографических ЭЛТ кинескопы отличаются большими размерами экрана, характером изображения (полутоновое на всей поверхности экрана), применением магнитного отклонения луча по двум координатам, относительно малым размером светящегося пятна, жесткими требованиями к стабильности размеров пятна и линейности разверток. Наиболее совершенными являются цветные кинескопы для мониторов компъютеров, они имеют высокое разрешение (до 2000 строк), минимальные геометрические искажения растра, правильную цветопередачу. В разное время выпускались кинескопы с размером экрана по диагонали от 6 до 90 см. Длина кинескопа по его оси обычно немного меньше размера диагонали, максимальный угол отклонения луча 110…116 0 . Экран цветного кинескопа изнутри покрыт множеством точек или узких полос из люминофоров разных составов, преобразующих электрический луч в один из трех основных цветов: красный, зеленый, голубой. В цветном кинескопе три электронные пушки, по одной на каждый основной цвет. При развертке по экрану лучи перемещаются параллельно и засвечивают соседние участки люминофора. Токи лучей разные и зависят от цвета получаемого элемента изображения. Кроме кинескопов для непосредственного наблюдения, существуют проекционные кинескопы, имеющие при небольших размерах высокую яркость изображения на экране. Это яркое изображение затем проецируют оптическими средствами на плоский белый экран, получая изображение большого размера.
Принцип работы электронно-лучевой трубки построен на испускании электронов отрицательно заряженным термокатодом, которые затем притягиваются положительно заряженным анодом и собираются на нем. Это принцип работы старой электронной лампы с термокатодом.
В ЭЛТ высокоскоростные электроны испускаются электронной пушкой (рис. 17.1). Они фокусируются электронной линзой и направляются к экрану, который ведет себя как положительно заряженный анод. Экран покрыт изнутри флуоресцирующим порошком, который начинает светиться под ударами быстрых электронов. Электронный пучок (луч), испускаемый электронной пушкой, создает неподвижное пятно на экране. Для того чтобы электронный пучок оставил след (линию) на экране, его нужно отклонять как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях - Х и Y.
Рис. 17.1.
Методы отклонения пучка
Существует два метода отклонения пучка электронов в ЭЛТ. В электростатическом методе используются две параллельные пластины, между которыми создается разность электрических потенциалов (рис. 17.2(а)). Электростатическое поле, возникающее между пластинами, отклоняет электроны, попадающие в область действия поля. В электромагнитном методе пучок электронов управляется магнитным полем, создаваемым электрическим током, протекающим через катушку. При этом, как показано на рис. 17.2(б), применяются два набора управляющих катушек (в телевизорах они называются отклоняющими катушками). Оба метода обеспечивают линейное отклонение.
Рис. 17.2. Электростатический (а) и электромагнитный (б)
методы отклонения электронного пучка.
Однако метод электростатического отклонения имеет более широкий частотный диапазон, именно поэтому его применяют в осциллографах. Электромагнитное отклонение лучше подходит для высоковольтных трубок (кинескопов), работающих в телевизорах, и к тому же более компактно в реализации, поскольку обе катушки располагаются в одном и том же месте вдоль горловины телевизионной трубки.
Конструкция ЭЛТ
На рис. 17.3 дано схематическое представление внутреннего устройства электронно-лучевой трубки с электростатической отклоняющей системой. Показаны различные электроды и соответствующие им потенциалы. Электроны, испускаемые катодом (или электронной пушкой), проходят через небольшое отверстие (апертуру) в сетке. Сетка, потенциал которой отрицателен по отношению к потенциалу катода, определяет интенсивность или число испускаемых электронов и, таким образом, яркость пятна на экране.
Рис. 17.3.
Рис. 17.4.
Затем электронный пучок проходит сквозь электронную линзу, фокусирующую пучок на экран. Конечный анод А 3 имеет потенциал в несколько киловольт (по отношению к катоду), что соответствует диапазону сверхвысоких напряжений (СВН). Две пары отклоняющих пластин D 1 и D 2 обеспечивают электростатическое отклонение пучка электронов в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно.
Вертикальное отклонение обеспечивают Y-пластины (пластины вертикального отклонения), а горизонтальное - Х-пластины (пластины горизонтального отклонения). Входной сигнал подается на Y-пластины, которые отклоняют электронный пучок вверх и вниз в соответствии с амплитудой сигнала.
X-пластины заставляют пучок перемещаться по горизонтали от одного края экрана к другому (развертка) с постоянной скоростью и затем очень быстро возвращаться в исходное положение (обратный ход). На Х- пластины подается сигнал пилообразной формы (рис. 17.4), вырабатываемый генератором. Этот сигнал называют сигналом временной развертки.
Подавая соответствующим образом сигналы на Х- и Y-пластины, можно получить такое смещение электронного пучка, при котором на экране ЭЛТ будет «прорисовываться» точная форма входного сигнала.
В этом видео рассказывается об основных принципах работы электронно-лучевой трубки:
Электронно-лучевая трубка, изобретенная еще в 1897 г., является электронно-вакуумным прибором, который имеет много общего с обычной электронной лампой. Внешне трубка представляет собой стеклянную колбу с удлиненной горловиной и плоской торцовой частью— экраном.
Внутри колбы и горловины, так же как и внутри баллона электронной лампы, располагаются электроды, выводы которых, так же как и у лампы, подпаяны к ножкам цоколя.
Основное назначение электронно-лучевой трубки — образование видимого изображения с помощью электрических сигналов. Подводя к электродам трубки соответствующие напряжения, можно рисовать на ее экране графики переменных напряжения и токов, характеристики различных радиоустройств, а также получать движущиеся изображения, подобным тем, которые мы видим на экране кино.
Рис. 1. Чудесный карандаш.
Все это делает электронно-лучевую трубку незаменимой частью телевизоров, радиолокаторов, многих измерительных и вычислительных приборов.
Какой же «быстрый карандаш» успевает зарисовывать на экране электроннолучевой трубки импульсы тока, которые длятся миллионные доли секунды? Каким образом удается подбирать тона сложного рисунка? Как можно мгновенно «стирать» с экрана одно изображение и с такой же быстротой создать другое? (рис. 1).
Люминесцирующий экран к электронный луч. В основе работы электронно-лучевой трубки лежит способность некоторых веществ (виллемит, сернистый цинк, алюминат цинка:) светиться (люминесцировать) под действием электронной бомбардировки.
Если таким люминесцирующим веществом покрыть изнутри анод обычной электронной лампы, то он будет ярко светиться за счет бомбардировки электронами, образующими анодный ток. Между прочим, такой люминесцирующий анод используется в одной из специальных электронных ламп — оптическом индикаторе настройки 6Е5С. Люминесцирующим составом покрывают изнутри утолщенный торец колбы, образуя таким образам люминесцирующий экран электронно-лучевой трубки. С помощью специального устройства —«электронной пушки»— из горловины трубки на экран направляютузкий пучок электродов —«электронный луч».
Рис. 2. Экран светится под действием пучка электронов.
В том месте, где электроны ударяются о люминесцирующий слой, на экране образуется светящаяся точка, которая отлично видна (с торца) снаружи трубки сквозь стекло. Чем большее количество электронов образует луч и чем с большей скоростью эти электроны движутся, тем ярче светящаяся точка на люминесцирующем экране.
Если электронный луч перемещать в пространстве, то и светящаяся точка также будет двигаться по экрану, причем если перемещение луча происходит достаточно быстро, то наш глаз вместо движущейся точки увидит на экране сплошные светящиеся линии (рис. 2).
Если электронным лучом быстро прочертить весь экран строка за строкой и при этом соответствующим образом менять ток луча (т. е. яркость светящейся точки), то на экране можно будет получить сложную и достаточно четкую картину.
Таким образом, изображение на люминесцирующем экране трубки получается с помощью остро направленного пучка электронов и поэтому, так же как и в электронной лампе, основные процессы в трубке связаны с получением и упорядоченным движением свободных электронов в вакууме.
Электронно-лучевая трубка и триод
Электроннолучевая трубка во многом напоминает усилительную лампу — триод. Так же как и в лампе, в трубке имеется катод, испускающий электроны, необходимые для образования электронного луча. От катода трубки электроны движутся к экрану, который, так же как и анод триода, имеет высокий положительный потенциал относительно катода.
Рис. 3. Возникновение вторичных электронов
Однако подача положительного напряжения непосредственно «а экран затруднена, так как люминесцирующее вещество является полупроводником. Поэтому положительные напряжения на экране приходится создавать косвенным путем. Колбу изнутри покрывают слоем графита, на который и подают положительное напряжение. Электроны, образующие луч, с силой ударяя в люминесцирующее вещество, «выбивают» из него так называемые «вторичные» электроны, которые упорядоченно движутся к графитовому покрытию под действием положительного напряжения на нем (рис. 3).
В первый момент число вторичных электронов, покидающих экран, намного превышает число попадающих в него электронов луча. Это приводит к тому, что в атомах люминесцирующего вещества образуется нехватка электронов, т. е. экран приобретает положительный потенциал. Равновесие между числом попадающих на экран электронов и числом выбиваемых из него вторичных электронов установится лишь тогда, когда напряжение на экране трубки окажется близким к напряжению на графитовом покрытии. Таким образом, ток в электронно-лучевой трубке замыкается по пути катод — экран — графитовое покрытие, а следовательно, именно графитовое покрытие играет роль анода, хотя электроды, вылетевшие из катода, непосредственно на него не попадают.
Вблизи катода трубки располагается управляющий электрод (модулятор), который играет ту же роль, что и управляющая сетка триода. Меняя напряжение на управляющем электроде, можно изменять величину тока луча, что в свою очередь приведет к изменению яркости светящейся на экране точки.
Однако наряду со сходством между усилительной электронной лампой и электронно-лучевой трубкой в работе последней имеются особенности, принципиально отличающие ее от триода.
Во-первых, электроны движутся от катода к экрану трубки узким пучком, в то время как к аноду лампы они движутся «широким фронтом».
Во-вторых, для того чтобы, передвигая светящуюся точку по экрану, создавать на нем изображение, необходимо изменять направление движения летящих к экрану электронов и, таким образом, перемещать электронный луч в пространстве.
Из всего этого следует, что важнейшими процессами, отличающими трубку от триода, являются образование тонкого электронного луча и отклонение этого луча в разные стороны.
Образование и фокусировка электронного луча
Образование электронного луча начинается уже около катода электронно-лучевой трубки, который состоит из маленького никелевого цилиндра с колпачком, покрытым эмиттирующим (хорошо испускающим электроны при нагревании) материалом. Внутри цилиндра помещается изолированная проволока — подогреватель. Благодаря такой конструкции катода электроны излучаются со значительно меньшей поверхности, чем в обычной электронной лампе. Это сразу создает некоторую направленность пучка летящих от катода электронов.
Катод электронно-лучевой трубки помещен в тепловой экран — металлический цилиндр, торцовая часть которого, направленная в сторону колбы, открыта. Благодаря этому электроны движутся от катода не во все стороны, как это имеет место в лампе, а только в направлении люминесцирующето экрана. Однако, несмотря на специальную конструкцию катода и тепловой экран, поток движущихся электронов остается чрезмерно широким.
Резкое сужение потока электронов осуществляется управляющим электродом, который хотя и выполняет роль управляющей сетки, конструктивно ничего общего с сеткой не имеет. Управляющий электрод выполнен в виде накрывающего катод цилиндра, в торцовой части которого сделано круглое отверстие диаметром в несколько десятых долей миллиметра.
На управляющий электрод подают значительное (несколько десятков вольт) отрицательное смещение, благодаря чему он отталкивает электроны, обладающие, как известно, отрицательным зарядом. Под действием отрицательного напряжения траектории (пути движения) электронов, проходящих сквозь узкое отверстие в управляющем электроде, «сжимаются» к центру этого отверстия и таким образом образуется довольно тонкий электронный луч.
Однако для нормальной работы трубки нужно не только создать электронный луч, но и произвести его фокусировку, т. е. добиться того, чтобы траектории всех электронов луча сходились на экране в одной точке. Если фокусировки луча не производить, то на экране вместо светящейся точки появится довольно большое светящееся пятно и вследствие этого изображение окажется расплывчатым или, как говорят фотолюбители, «нерезким».
Рис. 4. Электронная пушка и ее оптическая аналогия.
Фокусировка луча осуществляется электронной оптической системой, которая действует на движущиеся электроны так же, как и обычная оптика на световые лучи. Электронная оптическая система образуется электростатическими линзами (статическая фокусировка) либо электромагнитными линзами (магнитная фокусировка), конечный результат действия которых одинаков.
Электростатическая линза — это не что иное (рис. 4,а), как образованное с помощью специальных электродов электрическое поле, под действием которого искривляются траектории электронов луча. В трубке со статической фокусировкой (рис. 4,б) обычно имеются две линзы, для образования которых используют уже известный нам управляющий электрод, а также два специальных электрода: первый и второй аноды. Оба эти электрода представляют собой металлические цилиндры, иногда разных диаметров, на которые подают большое положительное (относительно катода) напряжение: на первый анод — обычно 200—500 в, на второй — 800—15 000 в.
Первая линза образуется между управляющим электродом и первым анодом. Ее оптическим аналогом является короткофокусная собирающая линза, состоящая из двух элементов: двояковыпуклой и двояковогнутой линз. Эта линза дает внутри первого анода изображение катода, в свою очередь проектируемого на экран трубки с помощью второй линзы.
Вторая линза образуется полем между первым и вторым анодами и аналогична первой линзе, за исключением того, что ее фокусное расстояние значительно больше. Таким образом, первая линза играет роль конденсора, а вторая линза — главной проекционной линзы.
Внутри анодов располагают тонкие металлические пластины с отверстиями в центре — диафрагмы, которые улучшают фокусирующие свойства линз.
Изменяя напряжение на любом из трех образующих электростатические линзы электродов, можно менять свойства линз, добиваясь хорошей фокусировки луча. Обычно это делают путем изменения напряжения на первом аноде.
Несколько слов о названиях электродов «первый анод» и «второй анод». Раньше мы установили, что роль анода в электронно-лучевой трубке играет графитовое покрытие вблизи экрана. Однако первый « второй аноды, в основном предназначенные для фокусировки луча, благодаря наличию на них большого положительного напряжения ускоряют электроны, т. е. делают то же, что и анод усилительной лампы. Поэтому названия этих электродов можно считать оправданными, тем более что на них попадает некоторая часть вылетающих из катода электронов.
Рис. 5. Трубка с магнитной фокусировкой. 1 —управляющий электрод; 2—первый анод; 3—фокусирующая катушка; 4—графитовое покрытие; 5—-люминесцирующий экран; 6—колба.
В электронно-лучевых трубках с магнитной фокусировкой (рис. 5) второй анод отсутствует. Роль собирающей линзы в этой трубке играет магнитное поле. Это поле образуется охватывающей горловину трубки катушкой, по которой пропускают постоянный ток. Магнитное поле катушки создает вращательное движение электронов. В то же время электроны с большой скоростью движутся параллельно оси трубки к люминесцирующему экрану под действием положительного напряжения на нем. В результате этого траектории электронов представляют собой кривую, «напоминающую винтовую линию.
По мере приближения к экрану скорость поступательного движения электронов возрастает, а действие магнитного поля ослабляется. Поэтому радиус кривой постепенно уменьшается и вблизи экрана пучок электронов вытягивается в тонкий прямой луч. Хорошей фокусировки, как правило, добиваются путем изменения тока в фокусирующей катушке, т. е. путем изменения напряженности магнитного поля.
Всю систему для образования электронного луча в трубках часто называют «электронной пушкой» или «электронным прожектором».
Отклонение электронного луча
Отклонение электронного луча, так же как и его фокусировка, осуществляется с помощью электрических полей (электростатическое отклонение) либо с помощью магнитных полей (магнитное отклонение).
В трубках с электростатическим (рис. 6,а) отклонением электронный луч, прежде чем попасть на экран, проходит между четырьмя плоскими металлическими пластинами-электродами, которые получили название отклоняющих пластин.
Рис. 6. Управление лучом при помощи. а—электростатического и б—магнитного полей.
Как работает электронно-лучевая трубка?
Электронно-лучевые трубки - это электровакуумные приборы, в которых образуется электронный пучок малого поперечного сечения, причем электронный пучок может отклоняться в желаемом направлении и, попадая на люминесцентный экран, вызывать его свечение (рис. 5.24). Электронно-лучевая трубка является электронно-оптическим преобразователем, превращающим электрический сигнал в соответствующее ему изображение в виде импульсного колебания, воспроизводимого на экране трубки. Электронный пучок образуется в электронном прожекторе (или электронной пушке), состоящем из катода и фокусирующих электродов. Первый фокусирующий электрод, который называют также модулятором , выполняет функции сетки с отрицательным смещением, направляющей электроны к оси трубки. Изменение напряжения смещения сетки влияет на число электронов, а следовательно, на яркость получаемого на экране изображения. За модулятором (в направлении к экрану) расположены следующие электроды, задачей которых является фокусирование и ускорение электронов. Они действуют на принципе электронных линз. Фокусирующе-ускоряющие электроды называются анодами и на них подается положительное напряжение. В зависимости от типа трубки анодные напряжения имеют значения от нескольких сотен вольт до нескольких десятков киловольт.
Рис. 5.24. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки:
1 - катод; 2 - анод I: 3 - анод II; 4 - горизонтальные отклоняющие пластины; 5 - электронный пучок; 6 - экран; 7 - вертикальные отклоняющие пластины; 8 - модулятор
В некоторых трубках фокусировку пучка производят с помощью магнитного поля путем использования катушек, расположенных снаружи лампы, вместо электродов, находящихся внутри трубки и создающих фокусирующее электрическое поле. Отклонение пучка также осуществляется двумя методами: с помощью электрического или магнитного поля. В первом случае в трубке помещают отклоняющие пластины, во втором - снаружи трубки монтируют отклоняющие катушки. Для отклонения как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях используют пластины (или катушки) вертикального или горизонтального отклонения луча.
Экран трубки покрыт изнутри материалом - люминофором, который светится под влиянием бомбардировки электронами. Люминофоры отличаются различным цветом свечения и разным временем свечения после прекращения возбуждения, которое называется временем послесвечения . Обычно оно составляет от долей секунды до нескольких часов в зависимости от назначения трубки.