Электронно-оптическая система

Электронный луч в осциллографической трубке формируется электронно-оптической системой (ЭОС), или прожектором. Электронно-оптическая система обеспечивает необходимую фокусировку электронного луча и позволяет изменять ток луча от нуля до некоторого допустимого значения и яркость свечения экрана.

В общем случае ЭОС осциллографической трубки с электростатической фокусировкой состоит из катода и системы электродов, образующих электростатические поля, формирующие, фокусирующие и ускоряющие электронный луч. Электроны излучаются подогревным катодом 2 (см. Рисунок 1). Катод нагревается до рабочей температуры с помощью нагревательного элемента 1, расположенного внутри катода и изолированного от него с помощью теплопроводящего керамического слоя. Катод окружен цилиндром 3 с маленьким отверстием в центре. Этот внешний цилиндр называется управляющей сеткой (управляющим электродом или модулятором). Отверстие в центре значительно меньше, чем излучающая поверхность катода и пространство между отверстием и излучающей поверхностью мало. Модулятору сообщается отрицательный (относительно катода) потенциал в пределах от нуля до нескольких десятков вольт. Интенсивность электронного пучка, а, следовательно, яркость изображения на экране можно регулировать, меняя эту разность потенциалов. За первой управляющей сеткой располагается вторая сетка 4. Электроны, прошедшие через отверстие в первой сетке, ускоряются электрическим полем, благодаря тому, что вторая сетка имеет более высокий потенциал относительно катода. Вторая сетка внутренне соединена со вторым анодом. Рядом со второй сеткой находится первый (фокусирующий) анод 5. Первый анод имеет положительный потенциал порядка 300-1000В. За первым анодом находится второй или ускоряющий анод 6. Он коаксиален по отношению к первому аноду, а его потенциал доходит до 5000В. В поле этого электрода электроны приобретают необходимую скорость. Продолжением второго анода является проводящее графитовое покрытие - аквадаг-7, на внутренней поверхности баллона трубки, простирающееся до экрана. Электронный прожектор (пушка) получает питание от высоковольтного выпрямителя, обеспечивающего разность потенциалов между катодом и вторым анодом 1-1,5 кВ, в зависимости от типа трубки. Это напряжение подается на ряд последовательно соединенных резисторов (потенциометров) R1,R2,R3,R4. Таким образом обеспечивается возможности регулирования потенциалов отдельных частей пушки. Например, с помощью потенциометра R1 можно регулировать яркость пятна, с помощью потенциометра R3-осуществлять фокусировку.

Катод имеет форму цилиндра, закрытого с одной стороны маленькой пластинкой (Рисунок 2). Эта пластинка покрывается специальным эмиссирующим составом. Плотность тока эмиссии катода связана с его температурой соотношением Ричардсона-Дешмена

где А - постоянная для данного катода величина; k-постоянная Больцмана; W – работа выхода электронов для материала катода.

Из выражения следует, что для получения больших токов нужно повышать температуру катода или подбирать материал с малой работой выхода. В современных осциллографических трубках получают значительный ток эмиссии при не очень высоких температурах (около 800°С), уменьшая работу выхода. Для этого подвергают катод оксидной обработке, заключающейся в покрытии его слоем щелочноземельных металлов. Изготавливается катод, как правило, из тугоплавких металлов (например, никеля). Внутри цилиндра помещается вольфрамовая нить, свернутая в двойную спираль.

Принцип действия ЭОС можно рассмотреть на примере двухлинзового прожектора. Примерный характер электронных траекторий показан на рисунке 3.

Первая линза образуется катодом, модулятором и первым анодом. Рассмотрим подробнее фокусирующее действие электростатического поля между модулятором и первым анодом. Сечение этих электродов плоскостью, проходящей через ось цилиндров, показано на рисунке 4. Тонкими сплошными линиями показаны следы сечений линий напряженности электростатического поля. Форма этих линий определяет характер траекторий электронов.

Представим, что в промежутке между электродами поле постоянно. На каждом конце этой области поле быстро обрывается на длине l, которая мала по сравнению с расстоянием R между электродами. На электрон, влетевший в поле, действует сила, где F = F₁+F₂, где F₁ - продольная составляющая силы F (ускоряющая сила), а F₂ – поперечная составляющая (фокусирующая сила). Поперечная составляющая отклоняет электрон в сторону оси цилиндров, изменяя радиальную составляющую скорости v(r). Далее он движется в практически однородном поле, которое ускоряет электрон от осевой скорости v(t₁) до v(t₂), но не меняет его радиальную составляющую скорости. Наконец, электрон отклоняется радиально наружу, и его скорость изменяется в радиальном направлении. Как видно из рисунка 3, в пространстве между модулятором и анодом на оси ЭОС образуется область скрещения электронного луча (область наименьшего сечения луча).

Очевидно, первая линза создает не сфокусированный, а расходящийся электронный пучок и применяется только для начального формирования электронного пучка. Окончательную фокусировку луча осуществляет вторая, фокусирующая электростатическая линза, представляющая собой совокупность нескольких соосных полых цилиндров и диафрагм, находящихся под разным напряжением. Вообще, для того, чтобы обеспечить фокусировку луча достаточно за первым анодом установить еще один анод с более высоким потенциалом. Однако, оказывается, что в такой системе, состоящей из катода, модулятора и двух анодов, изменение напряжения на первом (фокусирующем) аноде меняет значение тока луча, т.к. меняет потенциал на оси ЭОС у катодов. В результате фокусировка влияет на яркость, что недопустимо.

Поэтому в ЭОС современных осциллографов между модулятором и фокусирующим электродом вводится дополнительный «ускоряющий» электрод (вторая сетка), который обычно соединен со вторым анодом и находится под его напряжением.

Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно анода и сжимает выходящий из катода электронный пучок. Изменяя этот потенциал, можно изменять число электронов, проходящих через диафрагмы первого анода, а, следовательно, регулировать интенсивность пятна на экране.

Потенциал первого анода положителен относительно катода, а потенциал второго катода положителен относительно первого анода. Регулируя потенциалы анодов, можно изменять сходимость электронного пучка и добиться наилучшей фокусировки пятна на экране. Потенциал второго анода относительно катода определяет также конечную скорость электронов в пучке.

Для дальнейшего улучшения фокусировки в большинстве типов ЭЛТ в ускоряющем электроде и первом аноде устанавливается одна или несколько диафрагм с малыми диаметрами отверстий на оси ЭОС. Эти диафрагмы не пропускают к экрану случайные электроны, летящие далеко от оси ЭОС или под большими углами к ней.

В процессе работы экран трубки бомбардируется потоком электронов, летящих от катода (первичные электроны). При попадании на экран, покрытый люминофором, они вызывают его свечение. При этом первичные электроны, обладающие достаточно большой энергией, выбивают электроны из вещества люминофора – так называемые вторичные электроны. Само же явление носит название вторичной электронной эмиссии. Очевидно, число поступающих на экран электронов должно равняться числу отводимых от него электронов, в противном случае экран постепенно будет заряжаться отрицательно.

Для «улавливания» вторичных электронов внутреннюю поверхность колбы ЭЛТ от экрана до второго анода покрывают аквадагом, находящимся под напряжением второго анода и обладающим хорошей электропроводностью.

Измельченное графитовое покрытие (аквадаг) служит нескольким целям:

1. Является продолжением второго анода.

2. Собирает вторичные электроны.

3. Как электростатический экран, оно уменьшает влияние случайных электростатических полей, которые могут вызвать нежелательное отклонение и дефокусировку луча.

4. Поскольку покрытие черное и светонепроницаемое, оно задерживает рассеянные световые лучи и не дает им попасть через боковые стенки трубки на флуоресцирующий экран.