Электронно-лучевые осциллографические трубки

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) рис.1. Она состоит из источников электронов, системы формирования узкого электронного пучка, системы его отклонения в направлении осей X и Y и люминесцирующего экрана 1. Источником электронов является нагретый катод. Оксидный катод 3 с подогревателем 4, модулятором 2 и первым анодом 5 составляет катодный узел. Такая триодная конструкция позволяет не только получить электронный пучок, но и осуществить его предварительную фокусировку и модуляцию интенсивности. Катод представляет собой никелевый цилиндр, на дно которого нанесен слой активной массы, состоящей из окиси бария, стронция и т.п. Внутри цилиндра расположен подогреватель–спираль, свернутая из вольфрамовой проволоки, покрытая изолирующим слоем. Ток, проходящий через подогреватель, накаляет его. Тепло передается никелевому цилиндру и разогревает активный слой, который выделяет атомарный слой металлического бария, являющегося источником свободных электронов. Максимальный ток эмиссии, который может отдать катод, зависит от его температуры, свойств активного слоя и площади. Обычно активная площадь катода составляет 2...5 мм². Она обеспечивает ток эмиссии 5...10 мкА. Подогрев катода осуществляется с помощью переменного тока 0,1...1 А при напряжении 6,3 В. Для управления интенсивностью электронного пучка рядом с катодом располагается модулятор 2, представляющий собой диск с малым отверстием. Модулятор ограничивает расходящийся электронный пучок. Регулируя разность потенциалов между катодом и модулятором, можно изменять количество электронов, проходящих через отверстие модулятора в единицу времени. При достаточно большом отрицательном (относительно катода) потенциале модулятора электронный пучок можно полностью запереть.

Ограничения поперечного сечения электронного пучка, осуществляемого модулятором, еще не достаточно для формирования осциллограммы. Необходима дальнейшая фокусировка электронного пучка, которая осуществляется с помощью первого анода 5, высокий положительный потенциал которого ускоряет электроны, фокусирующего электрода 6, регулируемый потенциал которого позволяет создать такую конфигурацию поля, что электронный пучок сжимается в тонкий луч.

Сформированный электронный луч, двигаясь вдоль оси трубки, попадает в отклоняющее поле, создаваемое двумя парами отклоняющих пластин 7 и 8, и достигает люминесцирующего экрана 1. Простейшая конструкция отклоняющих пластин соответствует плоскому конденсатору, электрическое поле которого, создается при подаче соответствующего напряжения на выводы. Одна пара пластин служит для отклонения электронного луча в вертикальном направлении, а другая – в горизонтальном. Векторы напряженности электрических полей должны быть взаимно перпендикулярны, что достигается соответствующим расположением отклоняющих пластин.

Процесс отклонения электронного луча в электростатическом поле иллюстрируется рис. 2. Напряжение, управляющее отклонением электронного луча Uоткл, приложено к двум плоскопараллельным пластинам, расположенным перпендикулярно плоскости чертежа. Пластины расположены на расстоянии d, следовательно, напряженность электрического поля, (В/м): Е_у=U_откл/d, причем вектор напряженности поля параллелен оси Y. Первоначально электроны движутся вдоль оси. Попав в область электрического поля (точка а), электроны начинают удаляться от оси. Решение уравнений движения электронов в электрическом поле показывает, что их траектория на участке aб параболическая. Правее точки б электроны снова движутся прямолинейно, достигая экрана в точке с и вызывая его свечение. Таким образом, под действием отклоняющего напряжения электронный луч отклонился в плоскости экрана на расстояние h от центра. Изменяя отклоняющее напряжение, можно управлять положением светящегося пятна на экране. При изменении полярности, а следовательно, и направления вектора Е_у луч будет находиться ниже точки О. Положение отклоненного пятна h можно определить с помощью формулы

(1)

где L — расстояние от центра пластин до экрана; l — длина пластин; U_a2 – напряжение второго анода 9 (рис. 1) относительно катода.

Из формулы (1) следует, что имеется линейная зависимость между величиной отклонения луча на экране h и приложенным к пластинам напряжением U_откл. Это существенно, поскольку такая зависимость позволяет получить неискаженное воспроизведение осциллограммы. Отметим, что зависимость между U_откл и отклонением пятна h будет линейной, если экран плоский. Это создает удобства при измерении размера осциллограмм на экране, а также при их фотографировании. Данные свойства обусловили исключительное использование электрического способа отклонения в осциллографических ЭЛТ. При отклонении луча магнитным полем нет линейной зависимости между отклонением луча и током в отклоняющих катушках, особенно при плоском экране. По этой причине электрический метод отклонения применяется в осциллографах, а магнитный – в телевизионных приемниках.

Применение электрического отклонения электронного луча в осциллографических ЭЛТ предпочтительнее еще из-за его хороших частотных свойств, обеспечивающих воспроизведение осциллограмм при частотах сигнала, измеряемых десятками МГц. К сожалению, электрический метод отклонения не позволяет получить большой угол отклонения луча относительно оси z, что вынуждает увеличивать расстояние от пластин до экрана L для получения нужного отклонения. Поэтому при небольшом экране осциллографические ЭЛТ имеют большую длину. Формула (1) позволяет определить такой важный параметр ЭЛТ, как чувствительность по отклонению e, мм/В:

(2)

показывающий, какое напряжение U_откл надо приложить к пластинам для отклонения луча на 1 мм. Чем выше чувствительность по отклонению e, тем легче управлять лучом. Обычно чувствительность по вертикали и горизонтали e_у, и e_х у осциллографических ЭЛТ разная, что вызвано различием расстояния от пластин до экрана. Трудности, с которыми сталкиваются конструкторы осциллографов, можно проиллюстрировать следующими примерами.

Одним из основных элементов ЭЛТ является люминесцирующий экран. Основные свойства экрана определяются применяемым люминофором. Главным свойством экрана является эффективность преобразования энергии электронов в световое излучение, которая характеризуется световой отдачей

(3)

где J_св —сила света, излучаемого экраном; Р_эл–мощность электронного луча. На практике для потребителя более важным показателем является яркость свечения экрана, определяемая как сила света. Яркость свечения экрана определяется из следующего соотношения

(4)