Электронно-лучевые приборы (ЭЛП)

ЭЛП – электро-вакуумные приборы, в которых используется управляемый поток электронов, сформированный в узкий пучок – электронный луч (ЭЛ) (Рис. 2.1.8).

ЭЛ формируется и управляется по интенсивности электронным прожектором (электронной пушкой); изменение положения луча в приборе производится отклоняющей системой (ОС). На основе взаимодействия электронного луча с мишенью (экраном) ЭЛП осуществляют различного рода преобразования электрических или световых сигналов.

Классификация ЭЛП:

- приемные ЭЛП;

- электронно-лучевые преобразователи электрических сигналов;

- запоминающие ЭЛП;

- просвечивающие ЭЛП;

- электронно-лучевые переключатели (трохотроны).

Рис 2.1.8 ЭЛП: а) УГО б) конструкция.

В электронике и электротехнике широко применяется осциллографический ЭЛП (ОЭЛП). Осциллограф (oscillo – «колебания», grafo – «пишу») – приемный ЭЛП, для отображения электрических сигналов в графической форме. ОЭЛП – основной прибор осциллографа.

В ОЭЛП используется электростатическая ОС, состоящая из двух пар отклоняющих пластин. Регистрируемый электрический сигнал подается на одну пару пластин, вызывая отклонение в горизонтальном направлении. В результате на люминесцентном экране воспроизводится график (осциллограмма) изучаемого процесса в декартовой системе координат. Классификация ОЭЛП:

- низкочастотные;

- высокочастотные;

- многолучевые;

- с радиальным отклонением луча и т.д.

Основной характеристикой ОЭЛП является чувствительность к отклонению сигналом луча ~ 10 мм/В.

Рис.2.1.9 ОЭЛП 1 – подогрев катода; 2 – катод; 3 – ускор. электрод; 4 – коаксиальные выводы сигнала;

5 – электропроводящее покрытие; 6 – выводы системы после ускорения; 7 – люминесцентный экран; 8 – спиральный электрод системы после ускорения; 9 – стекл. колба; горизонтальный ОС; 11 – спиральная ОС в вертикальном напрвлении; 12 – анод; 13 – модулятор яркости.

Передающий ЭЛП служащий для преобразования оптического или рентгеновского изображения в видеосигналы. Основной узел передающих TV-камер. Действие основано на фотоэффекте, заключается в образовании электронного изображения, соответствующего передаваемому оптическому изображению, и последующей коммутации элементов электронного изображения. Считывание изображения в ПЭЛП осуществляется электронным лучом, последовательно оббегающим все участки поверхности мишени, при этом изображение раскладывается на несколько сотен строк, образующих телевизионную картинку (625 строк кадра, 25 кадров в секунду). Частота кадров 25 герц , с учетом полукадров – 50 Гц. Частота строк 625 25=15625 Гц.

Классификация по способу формирования видеоизображения:

ПЭЛП мгновенного действия – без накопления зарядов.

ПЭЛП с накоплением заряда (супериконоскоп, видикон, пировидикон, супервидикон)

и др.

§2.2Физические процессы в газоразрядных приборах.

Действие газоразрядных приборов основано на использовании различных видов электрического разряда в газе обычно инертном или парах металла (пары ртути) для получения ионов как носителей заряда.

Тлеющий разряд обеспечивает небольшой ток в газе под действием электрического поля между электродами используется свечение неона или гелия для индикации поля катод при этом холодный. Напряжение поля зависит от конструкции и давления газа. Мощность 0,01 – 10 Вт светоотдача 25мм/Вт при давлении 2,5 – 4 кПа U₃=170B.

Физическая схема-модель: ВАХ:

Падение напряжения на столбе разряда в газе зависит от тока и состояния газа. Поэтому при анализе рассмотрим типовую ВАХ:

ВС – поднормальный

DE – нормальный тлеющий разряд В

EF – анормальный

FG – дуговой со шнурами тока В

GH – дуговой разрушающий, плавящий

На переменном токе электроды А и К меняются функциями, а разряд идет. При наличии сетки она управляет только зажиганием, потом не влияет. При двух сетках можно включать и выключать.

В лампах дневного света и газосветных трубках для обеспечения пробоя газа сначала подают повышенное напряжение, затем снижают для поддержания свечения Дуговой разряд создается в тиратронах с помощью накаленного катода и сеточного управления моментом зажигания (несамостоятельный разряд). Дуга существует короткое время 10" - 10~⁵ сек., но амплитуда импульсного тока до 10 килоампер. (модулятор в РАС источники питания мощных газовых лазеров). То же в ртутных вентилях мощный искровой разряд создается в тригатронах с инертным газом повышенного давления (несколько атмосфер). Подпитывается с помощью специального электрода от маломощного источника. Служит для коммутации устройств модуляции СВЧ колебаний.

Другие процессы не рассматриваем, т.к. они относятся к силовой или осветительной электротехнике (сверх высокие давления ксенона, низкие давления натриевых ламп...).

Принцип действия современных плазменных панелей рассмотрен главе Приборы визуализации.

Жидкие кристаллы.

Жидкий кристалл (ЖК) – особое мезоморфное состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают одновременно текучестью жидкостей и анизотропией кристаллического типа, характерной для твердого тела. Молекулы имеют палочкообразную форму с чередованием атомных группировок с параллельностью взаимной укладки. Это материал молекулярной электроники.

Жидкие кристаллы открыты в 1888 году австрийским ботаником Рейнитцером. Применяются для индикаторных устройств электроники. Сильная зависимость свойств от температуры, давления, энергии и др. Известны 3000 органических соединений этого вида. Жидкие кристаллы содержат бензольные кольца в молекулах соединений ароматического ряда.

Это МББА – метоксибензилиден – N – бутиланилин.

Строение жидких кристаллов бывает 3х типов (см. рис.2.3.2): смектическое (с параллельным ровным расположением молекул и группировкой по слоям), нематическое (с параллельным расположением молекул, но хаотическим сдвигом вдоль осей), холестерическое (регулярное расположение с дополнительным винтообразным закручиванием молекулы в направлении, перпендикулярном их длинным осям). Шаг винта 300 нм, получается интерференционный фильтр по отношению к свету, т.е. световые лучи испытывают селективное отражение как при дифракции рентгеновских лучей на кристаллических решетках твердых тел. Периоды L спирали – сотни нанометров, поэтому длины волн , удовлетворяющие условию Вульфа-Брэгга, соответствуют видимой области света: , где - угол падения лучей, m-порядок дифракционного максимума.

Окраска жидких кристаллов в отраженном свете зависит от угла наблюдения и от температуры (термохромный эффект), что используют для визуализации тепловых и СВЧ полей (картина теплового поля).

Для дисплеев используются смеси нематических жидких кристаллов с электрооптическим эффектом. При внешнем физическом воздействии возникает оптическая и диэлектрическая анизотропия, т.е. изменения показателя преломления. Это приводит к рассеиванию света и полевому «твист» - эффекту (раскрутке нематической фазы): нет внешнего электрического поля Е – мутный жидкий кристалл, есть поле Е – жидкий кристалл прозрачный. Это явление используется в черно-белых дисплеях при работе с отраженным светом.

Для цветных дисплеев создают 60% смесь ЭББА ( ) с МББА ( ) и вводят в жидкие кристаллы фильтрующие свет красители.

Диаграмма состояний этой смеси имеет эвтектику на 60% МББА. Жидкий кристалл может существовать в интервале температур от + 80 до – 20 градусов Цельсия.

Рис 2.3.1. Диаграмма состояния смеси жидких кристаллов.

1 – изотропная жидкость,2 – нематическая фаза жк,3 – смесь жк и твердой фазы,4 – твердое состояние (солидус).

Принципиальные недостатки ЖК устройств: невысокое быстродействие и старение.

Свойства ЖК. сильно зависят от внешних воздействий. Электрическими потенциалами можно создавать группировки с разной локальной прозрачностью Ж.к.

Ж.к. по принципу светоотдачи относятся к пассивным, т.к. работают по отраженному внешнему освещению при электрооптических эффектах. Используются для модуляции светового потока. В свет вносится пространственно распределенная по сечению пучка информация в виде изменения плоскости поляризации и направления.

а)

б)

в)

Рис.2.3.2.Расположение молекул в нематическом (а), смектическом (б) и холестерическом (в) жидких кристаллах