2020-10-10
1244
Электронно – лучевыми приборами (ЭЛП) называют такие электро-вакуумные приборы, принцип действия которых основан на использовании узкого пучка летящих с большой скоростью электронов (так называемого «электронного луча»).
Наиболее распространённым электронно – лучевым прибором является приёмная ЭЛТ. В приёмных ЭЛТ электронный луч, падая на люминес-цирующий экран, вызывает свечение экрана в точке падения. Приёмные трубки предназначены для преобразования электрических сигналов в видимое изображение.
Электронный луч под воздействием электрического или магнитного поля может почти мгновенно изменять направление своего движения, так как масса электронов ничтожна. Поэтому приёмная ЭЛТ является безынерционным прибором. Это позволяет использовать её для наблю-дения процессов весьма малой длительности (до десятых и сотых долей мксек).
Приёмные ЭЛТ классифицируют по способу фокусировки и отклоне-ния электронного луча, по длительности послесвечения экрана, а также по некоторым электрическим и конструктивным параметрам.
По способу фокусировки и отклонения электронного луча ЭЛТ делятся на три основных типа:
- трубки с электростатическим управлением, в которых для фокусировки и отклонения луча используется электрическое поле.
- трубки с магнитным управлением, в которых для фокусировки и отклонения луча используется магнитное поле.
- трубки с комбинированным управлением, в которых для фокусировки луча используется электрическое поле, а для отклонения луча исполь-зуется магнитное поле.
Под длительностью послесвечения экрана обычно понимают время, в течении которого яркость экрана после удаления луча уменьшается до 1% первоначального.
По длительности послесвечения различают:
- ЭЛТ с очень коротким послесвечением – менее 
сек;
- ЭЛТ с коротким послесвечением – от до 
сек;
- ЭЛТ со средним послесвечением – от до 
сек;
- ЭЛТ с длительным послесвечением – от до 15 сек;
- ЭЛТ с очень длительным послесвечением – свыше 15 сек.
2. Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением.
ЭЛТ состоит из трёх основных элементов:
а) электронной пушки, создающей узкий электронный луч, направленный вдоль трубки;
б) отклоняющей системы (устройства для отклонения электронного луча от оси трубки);
в) флуоресцирующего экрана для индикации положения электронного луча.
Устройство ЭЛТ с электростатическим управлением показано на рис.2.1.
Рассмотрим назначение и устройство отдельных элементов трубки.
Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса или в виде цилиндра большого диаметра. На внутреннюю поверхность основания расширенной части нанесён люминесцентный экран ЛЭ – слой веществ, способных излучать свет под ударами электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы, как правило, на штырьки цоколя (для упрощения на рисунке выводы проходят непосредственно через стекло баллона).
Рис.2.1. Принцип устройства (а) и условное графическое обозначение (б) электростатической электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
Катод К обычно бывает оксидный косвенного накала в виде цилиндра с подогревателем. Вывод катода иногда совмещён с одним выводом подогревателя. Оксидный слой нанесён на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором (М), цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной фокусировки его. На модулятор подаётся отрицательное напряжение (десятки вольт). С увеличением этого напряжения всё больше электронов возвращается на катод. При некотором отрицательном напряжении на модуляторе трубка запирается.
Следующие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В простейшем случае их два. На втором аноде 
напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (иногда 10 – 20 кВ), а на первом аноде 
напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов перегородки с отверстиями (диафрагмы). Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществля-ется с помощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благодаря диафрагмам. Более сложные фокусирующие системы содержат большее число цилиндров.
Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электронным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т.е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцентному экрану.
На пути электронного луча поставлены под прямым углом друг к другу две пары отклоняющих пластин 
и 
. Напряжение, подведённое к ним, создаёт электрическое поле, отклоняющее электронный луч в сторону положительно заряженной пластины. Поле пластин является для электронов поперечным. В таком поле электроны движутся по параболическим траекториям, а, выйдя из него, далее движутся по инерции прямолинейно, т.е. электронный луч получает угловое отклонение. Чем больше напряжение на пластинах, тем сильнее отклоняется луч и тем больше смещается на люминесцентном экране светящееся, так называемое электронное пятно, возникающее от ударов электронов.
Пластины отклоняют луч по вертикали и называются пластинами вертикального отклонения (пластинами «игрек»), а пластины – пластинами горизонтального отклонения (пластинами «икс»). Одна пластина каждой пары иногда соединяется с корпусом аппаратуры (шасси), т.е. имеет нулевой потенциал. Такое включение пластин называется несимметричным. Для того чтобы между вторым анодом и корпусом не создавалось электрическое поле, влияющее на полёт электронов, второй анод обычно также бывает соединён с корпусом. Тогда при отсутствии напряжения на отклоняющих пластинах между ними и вторым анодом не будет никакого поля, действующего на электронный луч.
Поскольку второй анод соединён с корпусом, то катод, имеющий высокий отрицательный потенциал, равный напряжению второго анода, должен быть хорошо изолирован от корпуса. При включённом питании прикосновение к проводам катода, модулятора и цепи накала опасно. Так как на электронный луч могут влиять посторонние электрические и магнитные поля, то трубку часто помещают в экранирующий чехол из мягкой стали.
Свечение люминесцентного экрана объясняется возбуждением атомов вещества экрана. Электроны, ударяя в экран, передают свою энергию атомам экрана, в которых один из электронов переходит на одну из более удалённых от ядра орбиту. При возвращении электрона обратно, на свою орбиту, выделяется квант лучистой энергии (фотон) и наблю-дается свечение. Это явление называется катодолюминесцецией, а вещества, святящиеся под ударами электронов, называются катодолюми-нофорами или просто люминофорами.
Электроны, попадающие на экран, могут зарядить его отрицательно и создать тормозящее поле, уменьшающее их скорость. От этого уменьшится яркость свечения экрана и может вообще прекратиться попадание электронов на экран. Поэтому необходимо снимать отрица-тельный заряд с экрана. Для этого на внутреннюю поверхность баллона наносится проводящий слой. Он обычно бывает графитовым и называ-ется аквадагом. Аквадаг соединяется со вторым анодом. Вторичные электроны, выбиваемые из экрана ударами первичных электронов, летят к проводящему слою. После ухода вторичных электронов потенциал экрана обычно близок к потенциалу проводящего слоя. В некоторых трубках имеется вывод от проводящего слоя (ПС на рис.), который можно использовать в качестве дополнительного анода с более высоким напряжением. При этом электроны дополнительно ускоряются после отклонения в системе отклоняющих пластин (послеускорение).
Проводящий слой исключает образование на стенках баллона отрицательных зарядов от попадающих туда электронов. Эти заряды могут создавать дополнительные поля, нарушающие нормальную работу трубки. Если в трубке проводящего слоя нет, то вторичные электроны уходят с экрана на отклоняющие пластины и второй анод.
Все электроды трубки обычно монтируют с помощью металлических держателей и изоляторов на стеклянной ножке трубки.
3. Цепи питания ЭЛТ.
Цепи питания электростатической ЭЛТ показаны на рис. 2.2. Постоянные напряжения подаются на электроды от двух выпрямителей 
и 
. Первый должен давать высокое напряжение (сотни и тысячи вольт) при токе единицы миллиампер, источник – напряжение, в несколько раз меньшее. От этого источника питаются также и другие каскады, работающие совместно с трубкой. Поэтому он рассчитан на ток в десятки миллиампер.
Питание электронного прожектора осуществляется через делитель, состоящий из резисторов 
, 
, 
и 
. Их сопротивление обычно большое (сотни килоом), чтобы делитель потреблял небольшой ток. Сама трубка также потребляет малый ток: в большинстве случаев десятки и сотни микроампер.
Переменный резистор является регулятором яркости. Он регули-рует отрицательное напряжение модулятора, которое снимается с правого участка . Увеличение этого напряжения по абсолютному значению уменьшает число электронов в луче и, следовательно, яркость свечения.
Для регулирования фокусировки луча служит переменный резистор , с помощью которого изменяют напряжение первого анода. При этом изменяется разность потенциалов, а следовательно, и напряжённость поля между анодами. Если, например, понижать потенциал первого анода, то разность потенциалов между анодами возрастёт, поле станет сильнее и его фокусирующее действие увеличится. Поскольку напряжение первого анода 
не следует уменьшать до нуля или увеличивать до напряжения второго анода 
, в делитель введены резисторы и .
Напряжение второго анода лишь немного меньше, чем напряжение (разница – падение напряжения на резисторе ). Следует помнить, что скорость электронов, вылетающих из прожектора, зависит только от напряжения второго анода, но не от напряжения модулятора и первого анода. Некоторое число электронов попадает на аноды, особенно если аноды с диафрагмами. Поэтому в цепях анодов протека-ют токи в доли миллиампера и замыкаются через источник . Например, электроны тока первого анода движутся в направлении от катода к аноду, затем через правый участок резистора 
и через резистор к плюсу источника , далее внутри него и через резистор к катоду.
Рис. 2.2. Питание электростатической трубки от двух источников.
Для начальной установки светящегося пятна на экране служат переменные резисторы 
и 
, подключённые к источнику . Движки этих резисторов через резисторы 
с большим сопро-тивлением подключены к отклоняющим пластинам. Кроме того, с помощью резисторов 
и 
, имеющих одинаковое сопротивление, устанавливается точка нулевого потенциала, соединённая с корпусом. У резисторов и на концах получаются потенциалы +0,5 и −0,5 , а их средние точки имеют нулевой потенциал. Когда движки резисто-ров и находятся в среднем положении, то на отклоняющих пластинах напряжение равно нулю. Смещая движки от среднего положе-ния, можно подавать на пластины различные напряжения, отклоняющие электронный луч по вертикали или горизонтали и устанавливающие светящееся пятно в любой точке экрана.
На отклоняющие пластины через разделительные конденсаторы 
и 
подаётся также переменное напряжение. Без конденсаторов отклоня-ющие пластины шунтировались бы по постоянному напряжению внут-ренним сопротивлением источника переменного напряжения. При малом внутреннем сопротивлении постоянное напряжение на отклоняющих пластинах резко уменьшилось бы. С другой стороны, источник перемен-ного напряжения иногда даёт и постоянное напряжение, которое нежела-тельно подавать на отклоняющие пластины. Во многих случаях недопустимо, чтобы в источник переменного напряжения попадало постоянное напряжение, имеющееся в цепях отклоняющих пластин.
Резисторы включают для того, чтобы увеличить входное сопротивление отклоняющей системы для источников переменного напряжения. Без таких резисторов эти источники были бы нагружены на значительно меньшее сопротивление, создаваемое только резисторами 
и резисторами 
. При этом резисторы 
не понижают постоянное напряжение, подаваемое на отклоняющие пластины, так как через них не протекают постоянные токи.
Полезным током является ток электронного луча. Электроны этого тока движутся от катода к люминесцентному экрану и выбивают из последнего вторичные электроны, которые летят на проводящий слой и далее движутся в направлении к плюсу источника , затем через его внутреннее сопротивление и резистор 
к катоду.
Питание электродов трубки может быть выполнено и по другим вариантам, например от одного источника высокого напряжения.
4. Электронные прожекторы.
Электронный прожектор представляет собой электронно-оптическую систему, состоящую из нескольких электростатических электронных линз. Каждая линза образована неоднородным электрическим полем, которое вызывает искривление траекторий электронов, а также ускоряет или тормозит электроны.
Простейший прожектор содержит две электронные линзы. Первая линза – линза предварительной фокусировки, образованная катодом, модулятором и первым анодом. На рис. 2.3 изображено поле в этой части прожектора. Эквипотенциальные поверхности показаны сплошными
Рис. 2.3. Первая линза электронного прожектора
линиями, а силовые линии – штрихами. Как видно, часть силовых линий от первого анода идёт к объёмному заряду около катода, а остальные к модулятору, который имеет более низкий отрицательный потенциал, нежели катод. Линия ББ' условно делит поле на две части. Левая часть поля фокусирует электронный поток и придаёт скорость электронам. Правая часть поля дополнительно ускоряет электроны и несколько рассеивает их. Но рассеивающее действие слабее фокусирующего, так как в правой части поля электроны движутся с большей скоростью.
Рассматриваемое поле аналогично системе двух линз – собирающей и рассеивающей. Собирающая линза сильнее рассеивающей, и в целом система является фокусирующей. Однако движение электронных потоков происходит по иным законам, нежели преломление световых лучей в линзах.
На рис. 2.4 показаны траектории электронов для крайних электронных пучков, выходящих из катода. Электроны движутся по криволинейным траекториям. Их потоки фокусируются и пересекаются в небольшой области, которая называется первым пересечением или скрещением и в большинстве случаев находится между модулятором и первым анодом.
Рис. 2.4. Траектория электронов в первой линзе электронного прожектора.
Первая линза короткофокусная, так как скорость электронов в ней сравнительно невелика, и их траектории искривляются достаточно сильно.
С увеличением отрицательного напряжения модулятора по абсолютному значению повышается потенциальный барьер около катода и всё меньшее число электронов способно его преодолеть. Уменьшается катодный ток, а следовательно, ток электронного луча и яркость свечения экрана. Потенциальный барьер повышается в меньшей степени у центральной части катода, так как здесь сильнее влияет ускоряющее поле, проникающее от первого анода через отверстие модулятора. При некотором отрицательном напряжении модулятора потенциальный барьер у краёв катода повышается настолько, что электроны уже не могут его преодолеть. Рабочей остаётся только центральная часть катода. Даль-нейшее увеличение отрицательного напряжения уменьшает площадь рабочей части катода и, в конце концов, сводит её к нулю, т.е. трубка запирается. Таким образом, регулирование яркости связано с изменением площади рабочей поверхности катода.
Рассмотрим фокусировку электронного луча во второй линзе, т.е. в системе двух анодов (рис.2.5, а). Линия ББ' делит поле между анодами
Рис.2.5. Вторая фокусирующая линза электронного прожектора.
на две части. В левую часть поля поступает расходящийся электронный поток, который фокусируется, а в правой части поля происходит рас-сеивание электронного потока. Рассеивающее действие слабее фокуси-рующего, так как скорость электронов в правой части выше, чем в левой части. Всё поле подобно оптической системе, состоящей из собирающей и рассеивающей линзы (рис. 2.5, б). Поскольку скорости электронов в поле между анодами высокие, то система оказывается длиннофокусной. Это и требуется, так как необходимо сфокусировать электронный пучок на экран, находящийся довольно далеко.
При повышении разности потенциалов между анодами (уменьшении напряжения первого анода) напряжённость поля увеличивается и фокусирующее действие усиливается. Можно регулировать фокусировку изменением напряжения на втором аноде, но это неудобно, так как будет изменяться скорость электронов, вылетающих из прожектора, что приведёт к изменению яркости свечения на экране и повлияет на отклонение луча отклоняющими пластинами.
Недостаток описанного прожектора – взаимное влияние регулирования яркости и фокусировки. Изменение потенциала первого анода влияет на яркость, так как этот анод своим полем воздействует на потенциальный барьер около катода. А изменение напряжения модулятора сдвигает вдоль оси трубки область первого пересечения электронных траекторий, что нарушает фокусировку. Кроме того, регулирование яркости изменяет ток первого анода, а так как в его цепь включены резисторы с боль-шими сопротивлениями, то изменяется напряжение на нём, что приводит к его расфокусировке. Изменение тока второго анода не влияет на фокусировку, так как в цепь этого анода не включены резисторы и, следовательно, напряжение на нём не может изменяться.
В настоящее время применяют прожекторы, в которых между модулятором и первым анодом поставлен дополнительный, ускоряющий (экранирующий) электрод (рис.2.6). Он соединён со вторым анодом, и напряжение на нём постоянно. Благодаря экранирующему действию этого электрода изменение потенциала первого анода при регулировании фокусировки практически не изменяет поле у катода.
Фокусирующая система, состоящая из ускоряющего электрода и двух анодов, работает следующим образом. Поле между первым и вторым анодом такое, как показано на рис.2.5,а. Оно осуществляет фокусировку так, как было объяснено ранее. Между ускоряющим электродом и первым анодом имеется неоднородное поле, подобно полю между анодами, но не ускоряющее, а тормозящее. Электроны, влетающие в это поле расходящимся потоком, в левой половине поля рассеиваются, а в правой – фокусируются. При этом фокусирующее действие сильнее рассеивающего, так как в правой половине поля скорость электронов меньше. Таким образом, на участке между ускоряющим электродом и первым анодом также происходит фокусировка. Чем ниже напряжение первого анода, тем выше напряжённость поля и сильнее фокусировка.
Чтобы регулирование яркости меньше влияло на фокусировку, первый анод делают без диафрагмы (рис.2.6). На него электроны не попадают, т.е. ток первого анода равен нулю. Современные электронные прожекторы дают на экране светящееся пятно диаметром, не превыша-ющим 0,002 диаметра экрана.
Рис.2.6. Электронный прожектор с ускоряющим электродом.
ЛЕКЦИЯ 5.ЭЛТСЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМИМАГНИТНЫМУПРАВЛЕНИЕМ.
5. Электростатическое отклонение луча.
Отклонение электронного луча и светящегося пятна на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется чувствительностью трубки. Если обозначить отклонение пятна по вертикали через y, а напряжение на пластинах «игрек» через 
, то
y = 
(2.1)
где 
- чувствительность трубки для пластин «игрек».
Подобно этому отклонение пятна по горизонтали
x = 
(2.2)
Таким образом, чувствительность электростатической трубки есть отношение отклонения светящегося пятна на экране к соответствующему отклоняющему напряжению:
= x/ 
и = y/ (2.3)
Другими словами, чувствительность есть отклонение светящегося пятна, приходящееся на 1 Вольт отклоняющего напряжения. Выражают чувствительность в мм/В. Иногда под чувствительностью понимают величину, обратную или , и выражают в В/мм.
Формулы (2.3) не означают, что чувствительность обратно пропор-циональна отклоняющему напряжению. Если увеличить в несколько раз , то во столько же раз возрастёт y, а значение останется без изменения. Следовательно, не зависит от 
Чувствительность бывает в пределах 0,1 ÷ 1,0 мм/В. Она зависит от режима работы и некоторых геометрических размеров трубки (рис.2.7):
S = 
l / (2d 
) (2.4)
где - длина отклоняющих пластин;
- расстояние от середины пластин до экрана;
d - расстояние между пластинами;
- напряжение на втором аноде;
Эту формулу нетрудно объяснить. С увеличением электрон дольше летит в отклоняющем поле и получает большее отклонение. При одном и том же угловом отклонении смещение святящегося пятна на экране возрастает с увеличением расстояния 
Если увеличить d, то напряжённость поля между пластинами, а следовательно, отклонение уменьшится. Повышение напряжения приводит к уменьшению отклонения, поскольку возрастает скорость, с которой электроны пролетают поле между пластинами.
Рассмотрим возможность повышения чувствительности исходя из формулы (2.4). Увеличение расстояния нежелательно, так как чрезмерно длинная трубка неудобна в эксплуатации. Если увеличить или уменьшить d, то нельзя получить значительного отклонения луча, так как он будет попадать на пластины. Чтобы этого не произошло, пластины изгибают и располагают относительно друг друга так, как показано на рис.2.8. Можно увеличить чувствительность, понижая напря-жение . Но это связано с уменьшением яркости свечения, что во многих случаях недопустимо, особенно при большой скорости движения луча по экрану. Понижение анодного напряжения ухудшает фокусировку. При более высоком напряжении электроны движутся с большими скоростями, меньше сказывается взаимное отталкивание электронов. Их траектории в электронном прожекторе располагаются под малым углом к оси трубки. Такие траектории называются паракси - альными. Они обеспечивают лучшую фокусировку и меньшие искажения изображения на экране.
Рис.2.7. Электростатическое отклонение луча.
Уменьшение яркости свечения при понижении анодного напряжения компенсируется в трубках с послеускорением. В этих трубках электронный прожектор сообщает электронам энергию не более 1,5 кэВ. С такой энергией они пролетают между отклоняющими пластинами, а затем попадают в ускоряющее поле, созданное третьим анодом. Последний представляет собой проводящий слой перед экраном, отделённый от остального слоя, соединённого со вторым анодом (рис.2.9). При этом 
˃ 
Поле между двумя этими слоями образует линзу, которая ускоряет электроны. Но вместе с тем происхо-дит некоторое искривление траекторий электронов. Вследствие этого чувствительность снижается и возникают искажения в изображении. Эти недостатки в значительной степени устраняются при многократном ускорении, когда имеется несколько проводящих колец с постепенно возрастающим напряжением: 
˃ ˃ ˃ 
(рис.2. 9 б).
Рис. 2.8. Отклоняющие пластины.
Чтобы уменьшить паразитные ёмкости между пластинами и выводы от них иногда делают непосредственно через стекло баллона и между парами пластин ставят экран. Из тех же соображений не разме-щают обе пары пластин в одном месте трубки. За счёт неодинакового расстояния пластин и до экрана чувствительность по осям x и y несколько различна.
Если отклоняющее напряжение изменяется с очень высокой частотой, то в изображении возникают искажения, так как время пролёта электронов в поле отклоняющих пластин становится соизмеримым с периодом колебаний отклоняющего напряжения. За это время напряжение на пластинах заметно изменяется (даже может изменить свой знак). Для уменьшения таких искажений отклоняющие пластины делают короткими и применяют более высокие ускоряющие напряжения. С повышением частоты, кроме того, всё больше сказывается влияние собственной ёмкости отклоняющих пластин.
В настоящее время на СВЧ применяют специальные трубки с более сложными отклоняющими системами.
Рис.2.9. Дополнительные аноды для послеускорения.
6. Магнитные электронно-лучевые трубки.
Магнитные электронно-лучевые трубки, т.е. ЭЛТ с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением луча, получили широкое распространение. Так как фокусирующая и отклоняющая системы в виде катушек находятся снаружи трубок, конструкция магнитных трубок проще, нежели электростатических трубок (рис. 2.10). Электронный прожектор имеет катод, модулятор и анод. Иногда анодом является проводящий слой. В некоторых трубках между анодом и управляющим электродом есть ещё экранирующий электрод, на который подаётся постоянное положительное напряжение в несколько сотен вольт. Питание прожектора осуществляется так же, как в электростатической
трубки, но при этом не требуется регулировки анодного напряжения в целях фокусировки.
Расходящийся поток электронов подаётся из прожектора в магнитное поле фокусирующей катушки ФК, которая питается постоянным током. На рисунке она показана в разрезе. Возможна магнитная фокусировка длинной или короткой катушкой. В первом случае поток электронов проходит однородное магнитное поле внутри длинной катушки (рис.2.11) и электронные траектории являются винтовыми линиями. Если электроны выходят из точки Б на оси катушки, то после каждого оборота они снова пересекут ось, т.е. сфокусируются в точках 
, 
и т.д. Это показывают проекции траекторий на плоскость перпендикулярную оси катушки. Они являются окружностями, выходящими из точки Б и возвращающиеся в эту же точку.
Фокусировка длинной катушкой встречается в некоторых специальных электронных приборах. В ЭЛТ применяют неоднородное магнитное поле короткой катушки – в качестве короткой магнитной линзы (рис.2.12). Движение электронов в таком поле сложно, поэтому будем рассматривать его приближённо. Разделим поле на две половины (1 и 11) плоскостью, проходящей через середину катушки перпендикулярно её оси. По обе стороны от этой плоскости магнитная индукция убывает вдоль оси катушки. Когда из точки Б в первую половину поля входит расходящийся поток электронов, то их траектории искривляются. В однородном поле траектории были бы винтовыми линиями, но в данном случае вследствие неоднородности поля они более сложны.
В первой половине поля магнитная индукция возрастает. Поэтому искривление траекторий усиливается и становится наибольшим на границе областей 1 и 11. Далее магнитная индукция убывает и искрив-ление траекторий ослабевает. Когда электроны выходят за пределы поля, они продолжают свой путь по инерции – по прямым линиям, которые пересекают ось трубки в точке . Как видно, электроны летят по сложным пространственным кривым, которые условно можно назвать винтовыми линиями с переменным радиусом. Чтобы лучше представить себе траекторию электрона, на рис.2.12 даны проекции траектории на три взаимно перпендикулярные плоскости. Так как скорость электронов велика, то эти траектории являются лишь небольшой частью одного оборота винтовой линии.
Рис.2.10. Устройство и условное обозначение магнитной ЭЛТ.
Для усиления действия фокусирующую катушку помещают в экран, или панцирь, из мягкой стали (рис. 2.13). Тогда магнитная индукция увеличивается.
Рис.2.11. Фокусировка длинной катушкой.
Рис.2.12. Фокусировка короткой катушкой.
Рис.2.13. Фокусирующие катушки в стальном панцире с широкой (а) и узкой (б) щелью.
Магнитодвижущая сила фокусирующей катушки, необходимая для фокусировки, приближённо определяется по формуле:
(2.5)
где d - средний диаметр катушки, см;
l – расстояние от катушки до экрана, см;
– напряжение анода, кВ;
w – число витков катушки;
I – ток, А.
Обычно число витков составляет несколько сотен или тысяч.
При стальном панцире требуется значительно меньшее число витков. Правильная фокусировка достигается регулировкой тока в катушке с помощью переменного резистора. Направление тока в фокусирующей катушке не играет роли. Вместо фокусирующей катушки иногда приме-няют постоянный магнит в виде кольца с регулировкой фокусировки передвижением магнита вдоль трубки или перемещением магнитного шунта, ответвляющего часть магнитного потока.
Для магнитного отклонения электронного луча служат две пары отклоняющих катушек, расположенных под прямым углом друг к другу. На рис.2.10 для упрощения показана только одна пара катушек 
c вертикально направленным вектором поля. Это поле отклоняет луч по горизонтали. Другая пара катушек 
создаёт поле с горизонтально направленным вектором магнитной индукции и отклоняет луч по вертикали.
Если считать приближённо, что поле каждой пары катушек внутри трубки однородно, то электроны в этом поле движутся по дуге окруж-ности с центром в точке О, а выйдя из поля, - по прямой линии (рис.2.14). Электронный луч получает угловое отклонение α, и светящееся пятно на экране смещается на расстоянии y. Чувствительностью магнитной трубки можно назвать отношение отклонения светящегося пятна на экране к намагничивающей силе, вызвавшей это отклонение:
(2.6)
аналогичная формула есть и для 
.
У современных трубок чувствительность не превышает десятых долей миллиметра на ампер. Она зависит от конструкции трубки и отклоня-ющих катушек, а также от режима трубки. Эта зависимость имеет вид:
(2.7)
где l – расстояние от оси катушки до экрана, мм;
γ – коэффициент, характеризующий конструкцию отклоняющих катушек. Он обычно равен (0,1 ÷ 0,2) 
/А.
Чувствительность магнитных трубок меньше зависит от анодного напряжения ( под знаком корня), нежели у электростатических. Не следует сравнивать электростатические и магнитные ЭЛТ, так как чувствительность выражается в различных единицах.
Рис. 2.14. Отклонение электронного луча в магнитном поле катушек.
Для усиления магнитного поля применяют замкнутые сердечники из мягкой стали или других феррамагнитных материалов. На более высоких частотах сердечники обычно не применяют и делают катушки специальной формы. Они охватывают трубку и создают более однород-ное поле. Для уменьшения магнитного рассеяния катушки помещают в феррамагнитный экран.
В прошлом магнитная фокусировка давала лучшие результаты, чем электростатическая. Но в современных трубках электростатическая фокусировка по качеству не уступает магнитной фокусировке. Сравним обе системы.
Электростатическая фокусировка экономична, так как не требуется мощность на создание тока в фокусирующей катушке. При магнитном отклонении источники, питающие отклоняющие катушки, должны иметь довольно большую мощность. Но зато магнитное отклонение позволяет упростить конструкцию трубки (так как фокусирующая катушка или фокусирующий магнит устанавливается снаружи трубки, а не монтируется внутри в вакууме) и даёт возможность отклонять луч на очень большие углы. Это приводит к значительному уменьшению длины трубок даже при больших размерах экрана. При магнитном отклонении отсутствуют искажения изображения. Однако, индуктивность отклоняющих катушек увеличивает инерционность процесса отклонения, и поэтому магнитная отклоняющая система не может хорошо работать на очень высоких частотах. Кроме того, входное сопротивление отклоняющих катушек мало на низких частотах, а на высоких частотах оно снижается из-за влияния собственной ёмкости катушек. А входное сопротивление электростатической отклоняющей системы достаточно велико даже на высоких частотах.
7. Люминесцентные экраны.
Для получения нужной яркости, цвета свечения и длительности послесвечения к люминофору добавляют активаторы. Ими обычно служат: серебро (Ag), марганец (Mn) или медь (Cu). Длительное послесвечение обеспечивается применением меди в качестве активатора. Активация серебром обеспечивает среднее послесвечение.
Наиболее часто применяемые люминофоры имеют следующие свойства. Оксид цинка (ZnO) даёт фиолетовое или зелёное свечение и обладает коротким послесвечением. Различные смеси сернистого цинка и сернистого кадмия дают яркое свечение любого цвета, в частности белого, с послесвечением от долей микросекунды до минут. Для визуального наблюдения служат люминофоры из искусственного или естественного кремнекислого цинка с марганцем в качестве активатора. Они имеют цвет свечения от зелёного до жёлто-оранжевого и неболь-шое послесвечение. Сине-фиолетовое свечение с коротким послесвече-нием дают экраны из вольфрамокислого бария (Б), кальция (Са), магния (Mg), кадмия (Cd), цинка (Zn) и стронция (Sr).
Яркость свечения приблизительно пропорциональна квадрату разности потенциалов между экраном и катодом, т.е. возрастает при увеличении скорости электронов в луче. Существует некоторая минимальная энергия электронов, необходимая для возникновения свечения. Она составляет десятки – сотни электрон-вольт. При меньших энергиях электроны не проникают в кристаллическую решётку люминофора. При энергиях электронов в несколько килоэлектрон-вольт глубина проникновения не превышает 1 мкм. Для малых токов луча яркость пропорциональна плотности тока, но с увеличением последней выше некоторого значения яркость не возрастает (эффект насыщения).
Коэффициент полезного действия люминофора, т.е. отношение энергии видимого излучения к общей энергии бомбардирующих электронов, не превышает нескольких процентов. Большая часть энергии луча расходуется на нагревание экрана, выбивания вторичных электронов и испускание ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.
Люминесцентный экран характеризуется светоотдачей, т.е. силой света на 1 Вт мощности электронного луча. Светоотдача максимальна при температуры люминофора от 0 до 80°С. С дальнейшим повышением температуры светоотдача падает. При 400°С свечение вообще прекращается.
Нарастание свечения, или разгарание экрана, после начала его бомбардировки электронами происходит не мгновенно. После прекращения бомбардировки наблюдается постепенное затухание люминесценции, т.е. послесвечение экрана. В начале затухания резко уменьшается яркость свечения, а затем спад её замедляется. Временем послесвечения экрана считают интервал между моментом прекращения электронной бомбардировки и моментом, когда яркость свечения умень-шается до 1 % начального значения. Различают очень короткое после-свечение – меньшее с, короткое - от до 0,01 с, среднее – от 0,01 до 0,10 с, длительное – от 0,10 до 16 с и очень длительное - свыше 16 с.
Важную роль играет вторичная электронная эмиссия люминесцент-ного экрана. Коэффициент вторичной эмиссии σ зависит от энергии первичных электронов, которая определяется потенциалом экрана 
относительно катода и достигает максимума при энергии электронов в сотни электрон-вольт, а затем уменьшается (рис.2.15). Свечение экрана будет постоянным, если потенциал экрана не изменяется, а это возможно при условии, что число электронов, поступающих на экран, равно числу вторичных электронов, уходящих с экрана. Такой режим является установившимся. Ясно, что люминофоры с σ ˂ 1 непригодны для экранов. Люминофор должен иметь σ ˃ 1.
При начальном потенциале экрана ниже 
работа невозможна, так как при σ ˂ 1 потенциал экрана при попадании на него электронов будет уменьшаться. Если потенциал экрана находится в пределах между и 
, то σ ˃ 1 и экран имеет в установившемся режиме потенциал на несколько вольт больше потенциала второго анода и соединённого с ним проводящего слоя. Тогда для вторичных электронов создаётся тормозящее поле, которое возвращает часть их на экран. Остальные электроны благодаря более высоким начальным скоростям уходят на проводящий слой. Ток вторичных электронов равен току электронного луча. Так как потенциалы проводящего слоя и экрана относительно катода обычно высокие, то, пренебрегая разницей между ними в несколько вольт, можно считать, что они равны.
Рис.2.15. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии люминес-центного экрана от энергии первичных электронов.
Если начальный потенциал выше, чем , то при попадании на экран электронов его потенциал будет понижаться и установится близким к потенциалу второго анода , так как тогда число приходящих первичных электронов равно числу уходящих вторичных. Потенциал является наивысшим для данного люминофора, и его называют критическим. Для разных люминофоров он не одинаков и находится в пределах 5 ÷ 35 кВ. Роль критического потенциала весьма существенна для трубок. Чем он выше, тем больше может быть скорость электронов в луче, а значит, и яркость изображения на экране.
Очевидно, что нет никакого смысла устанавливать значение 
выше критического потенциала , так как скорость электронов при ударе об экран определяется значением , а не .
Под влиянием электронной бомбардировки наблюдается постепенное уменьшение светоотдачи экрана. Но после «отдыха» прежняя свето-отдача восстанавливается. При длительной эксплуатации возникает необратимое снижение светоотдачи – выжигание экрана. Места экрана, которые сильнее бомбардировались электронами, темнеют и тем больше, чем больше мощность электронного луча. Увеличение плотности тока луча влияет на выжигания сильнее, чем повышение скорости электронов. Поэтому лучше применять более высокое анодное напряже-ние при меньшем токе луча. Повышение напряжения 
улучшает, кроме того, фокусировку.
Желательно иметь изображение с достаточной, но наименьшей яркостью. Не следует получать на экране неподвижное пятно большой яркости, так как это приводит к выжиганию экрана. Электронный луч значительной мощности может также расплавить стекло.
Люминофор разрушается от бомбардировки его отрицательными ионами, которые вместе с электронами выделяются из оксидного катода. Ионы, имея большую массу, почти не искривляют свои траектории под действием магнитных полей. Поэтому в магнитных трубках ионы летят несфокусированным потоком и бомбардируют всё время одну и ту же центральную часть экрана, на которой образуется тёмное ионное пятно. Для его устранения применяют специальные электронные прожекторы с ионными ловушками.
В ионном пятне выжженным является поверхностный слой люминофора. Если повысить анодное напряжение, то электроны проникают глубже в люминофор и вызывают интенсивную люминесцен-цию. Таким путём можно полностью или частично устранить на некоторое время ионное пятно. При этом нельзя превышать допустимое анодное напряжение. В электростатических трубках ионы фокусируются и отклоняются так же, как электроны. У таких трубок ионное пятно не наблюдается. Но с течением времени уменьшается коэффициент вторичной эмиссии экрана, а следовательно, критический потенциал и яркость свечения.
Для улучшения свойств экрана поверхность люминофора со стороны луча покрывают алюминиевой плёнкой толщиной 0,1 ÷ 2,0 мкм. Эта плёнка соединена с проводящим слоем трубки. Металлизированные экраны имеют ряд преимуществ. Вторичная эмиссия люминофора уже не нужна. Проводимость алюминиевого слоя обеспечивает уход электро-нов с экрана в цепь второго анода. Поэтому критический потенциал экрана может быть много выше, чем без металлизации. Следовательно, возможны большие скорости электронов, что увеличивает яркость свечения. Увеличению яркости способствует отражение световых лучей от алюминиевой плёнки. Ионы, имеющие сравнительно небольшую скорость, не пробивают эту плёнку, и ионного пятна не возникает. А электроны, обладая большой скоростью, проникают сквозь металличес-кую плёнку в люминофор, хотя и расходуют часть энергии на пробива-ние плёнки.
Металлизированные экраны применяют в трубках, работающих с высокими анодными напряжениями. При низких анодных напряжениях применение таких экранов нецелесообразно, так как слишком большая часть энергии электронов будет теряться (расходоваться на пробивание металлической плёнки).
Изображение на экране желательно иметь чётким и контрастным. Однако ряд причин препятствует этому. Контрастность ухудшается из-за попадания на экран внешнего света, если изображение наблюдается не в тёмном помещении. Понижение контрастности и чёткости создаёт также ореол – светлое кольцо вокруг светящегося пятна. Иногда наблюдается два кольца или больше. Происхождение ореола поясняет рис.2.16. От пятна основная часть световых лучей проходит сквозь стекло наружу, а лучи, идущие под значительным углом падения к внешней поверхности стекла, испытывают полное внутреннее отражение, возвращаются к люминесцентному слою и рассеиваются на нём, образуя первое кольцо ореола. Часть этих лучей может снова испытать полное внутреннее отражение и создать второе кольцо ореола и т.д.
Заметно снижается контрастность за счёт отражения лучей света от стенок конической части трубки (рис.2.17 а). Для уменьшения засветки экрана от такого отражения делают трубки специальной формы (рис.2.17 б и в).
За счёт кривизны экрана происходит непосредственное освещение его лучами от электронного пятна (рис.2.18). У плоского экрана этого недостатка нет. Но из-за большого атмосферного давления, стекло экрана, значительных размеров приходится делать слегка выпуклым. У алюминированного экрана подобные засветки отсутствуют, так как слой алюминия не пропускает световые лучи внутрь трубки. Слабую люминесценцию экрана могут вызвать рассеянные электроны, возника-ющие за счёт вторичной или электростатической эмиссии из электродов.
Рис.2.16. Образование ореола вокруг электронного пятна.
Рис.2.17. Влияние формы баллона ЭЛТ на отражение световых лучей от его стенок.
Рис.2.18. Засветка сферического экрана лучами от электронного пятна.
8. Система обозначения электронно-лучевых приборов.
Первым элементом в системе обозначений осциллографических, индикаторных кинескопов и запоминающих приборов является число, обозначающее диаметр или диагональ экрана в сантиметрах.
Вторым элементом является сочетание букв:
ЛО – приборы с электростатическим отклонением луча (осциллогра-фические и индикаторные),
ЛМ – приборы с магнитным отклонением луча (осциллографичес- кие и индикаторные),
ЛК – кинескопы,
ЛН – запоминающие.
Третий элемент – число, указывающее на порядковый номер разработки.
Четвёртый элемент – буква, указывающая на цвет свечения экрана
Б, В – белый;
М – голубой;
И – зелёный;
Ц – трёхцветное свечение: синее, зелёное, красное;
Г – фиолетовый;
Д – голубое свечение и зелёное послесвечение;
Е – двухцветное свечение: оранжевое, зелёное;
К – розовое свечение и оранжевое послесвечение;
ТЕМА 3 ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ЛЕКЦИЯ 6 СОБСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ. ТОК ДРЕЙФА.
Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электропроводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками.
При температуре Т = 300°К у проводников удельная электропрово-димость 
÷ 
См/см (1 См/см есть проводимость 
вещества), у диэлектриков она меньше 
См/см, а у полупроводников её значение находится в пределах от до См/см. Большинство веществ относится к полупроводникам. В настоящее время для полу-проводниковых приборов помимо германия (Ge) и кремния (Si) приме-няются некоторые химические соединения, например, арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb), фосфид индия (InP), закись меди (
O), сернистый свинец (PbS), сульфид таллия (
S) и другие.
Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При увеличении темпера-туры сопротивление полупроводника уменьшается, а не увеличивается, как у большинства проводников. Кроме того, электрическое сопротив-ление полупроводника сильно зависит от количества примесей, а также от внешних воздействий, таких как свет, электрическое поле, ионизиру-ющие излучения и другие.
Принцип работы полупроводниковых диодов и транзисторов связан с тем, что в полупроводнике существует электропроводимость двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводимостью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решётки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут начать движение в определённом направ-лении. Такое дополнительное движение и есть электрический ток.
Полупроводники обладают также дырочной электропроводимостью, которой нет в металлах. Она является особенностью полупроводников. В атоме полупроводника под влиянием тепловых или других воздей-ствий один из более удалённых от ядра валентных электронов перехо-дит в зону проводимости. Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона. Такой атом можно назвать положительным ионом. Надо иметь в виду, что при ионной электропро-водимости, например, в электролитах, ток представляет собой движение ионов, при дырочной электропроводимости механизм перемещения электрических зарядов иной. В полупроводниках кристаллическая решётка достаточно прочна, её ионы не передвигаются, а остаются на своих местах.
Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчёркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя, как элементарные положительные заряды.
При дырочной электропроводимости в действительности тоже перемещаются электроны, но ограниченно, чем при электронной электропроводимости. Электроны переходят из данных атомов в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении противоположном движению электронов.
Под действием теплоты происходит образование (генерация) пар носителей заряда, т.е. возникают пары: электрон проводимости – дырка проводимости.
Вследствие того, что электроны и дырки совершают хаотическое тепловое движение, происходит процесс обратный генерации пар носи-телей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т.е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Процесс генерации и рекомбинации пар носителей происходит одновременно. Рекомбинация ограничивает рост числа пар носителей и при каждой данной температуре устанавливается определённое число электронов и дырок проводимости, т.е. они находятся в состоянии динамического равновесия, Это означает, что генерируются всё новые и новые пары носителей, а ранее возникшие пары рекомбинируют.
Полупроводники без примесей называют собственными полупровод-никами или полупроводниками i – типа. Они обладают собственной электропроводимостью, которая складывается из электронной и дыроч-ной электропроводимости.
При этом, несмотря на то, что число электронов и дырок проводи-мости в собственном полупроводнике одинаково, электронная электро-проводимость преобладает, что объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок.
Удельная электропроводимость полупроводника зависит от концен-трации носителей заряда, т.е. от их числа в единице объёма. Концен-трация электронов и дырок проводимости обозначается соответственно буквами n и p. Для собственного полупроводника всегда:
= 
(3.1)
Индекс i указывает, что эти концентрации относятся к собственному полупроводнику.
Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, и никакого тока нет. Под действием разности потенциалов в полупровод-нике возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им поступательное движение, представляющее собой ток проводимости.
Движение носителей заряда под действием электрического поля иначе называют дрейфом носителей, а ток проводимости – током дрейфа 
. Полный ток проводимости складывается из электронного и дырочного тока проводимости.
= 
+ 
(3.2)
Чтобы установить, от каких величин зависит ток дрейфа, удобнее рассматривать не сам ток, а его плотность. Плотность тока дрейфа 
складывается из плотности электронного и дырочного тока:
= 
+ 
(3.3)
Так как плотность тока равна количеству электричества, проходя-щему через единицу площади поперечного сечения за одну секунду, то можно написать для плотности электронного тока:
= 
