Вакуумная и плазменная электроника 7 страница

Далее по оси трубки располагаются еще два цилиндра — первый и второй аноды. Первый анод 3, находясь под положительным потен­циалом в несколько сотен вольт, ускоряет движущийся от катода поток электронов. Ко второму аноду 4 подводится напряжение, дости­гающее в некоторых электронно-лучевых приборах десятков, кило­вольт, и поток электронов покидает второй анод с достаточно высокой скоростью. Кроме ускорения электронов, назначение анодов заклю­чается в формировании узкого электронного пучка — фокусировании электронного потока. Вследствие различия потенциалов катода, модулятора, первого и второго анодов в пространстве между ними создаются неоднородные электрические поля — электронные линзы. Конфигурация электродов и их потенциалы подби­раются таким образом, что вся система образует две электростатиче­ские линзы: первую — между модулятором и ускоряющим электродом и вторую — между ускоряющим электродом и вторым анодом. Про­ходя через эти линзы, электроны образуют узкий сходящийся у экрана пучок — электронный луч. Вся система электродов крепится на тра­версах и образует единое устройство, называемое электронной пушкой.

Выйдя из электронной пушки, электронный луч попадает в откло­няющую систему электродов, служащую для управления положением луча в пространстве. В трубках с электростатическим управлением отклоняющая система состоит из двух пар пластин, расположенных попарно в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Каждая пара пластин образует плоский конденсатор, и если потенциалы пластин различны, то между ними создается электрическое поле. Между пла­стинами электроны движутся в поперечном электрическом поле по параболической траектории, и по выходе из пластин траектория ока­зывается направленной по отношению к оси трубки ион некоторым углом, величина которого зависит от разности потенциалов на пласти­нах и от размеров пластин. С помощью двух пар пластин, создающих взаимно перпендикулярные электрические поля, электронным лучом можно управлять в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и, следовательно, электронный луч может занимать в пространстве любое положение. Обычно вертикально расположенные пластины, образующие электрическое поле, вектор напряженности которого лежит в горизонтальной плоскости, называют горизонтально-откло­няющими. Изменение разности потенциалов на этих, пластинах застав­ляет электронный луч перемещаться по горизонтальной оси. Пластины, расположенные горизонтально и отклоняющие электронный луч по вертикали, называют вертикально-отклоняющими.

Пройдя отклоняющую систему, электронный луч движется в рас­ширенной части баллона, и электроны в конце пути попадают на экран трубки. Эта часть баллона с внутренней стороны покрыта люминофором — веществом, способным светиться под воздействием бомбардирующих его электронов. При попадании электронного луча на экран люминофор возбуждается, и на экране трубки появляется небольшое светящееся пятно, видимое снаружи через стекло баллона. При бомбардировке экрана с его поверхности выходят вторичные электроны, которые увлекаются полем проводящего покрытия (аквадага), находящегося под положительным напряжением.

Если напряжения на отклоняющих пластинах изменяются, то электронный луч, а, следовательно, и светящееся пятно на экране перемещаются, описывая траекторию в соответствии с изменением напряжения на отклоняющих пластинах. Таким образом, закон изме­нения напряжения на отклоняющих пластинах может визуально наблюдаться на экране электронно-лучевой трубки. Диаметр светяще­гося пятна и толщина линии движения луча тем меньше, чем лучше сфокусирован электронный луч. Яркость свечения экрана зависит от числа бомбардирующих его в единицу времени электронов и от ско­рости их движения. Яркость свечения можно изменять, регулируя напряжение на модуляторе и, следовательно, изменяя плотность тока электронного луча, а также за счет скорости движения электронов, которая определяется напряжением на втором аноде.

Устройство трубки с магнитным отклонением показано на рис.5.1, б. Электронная пушка в этой трубке содержит те же элек­троны, что и в трубке с электростатическим управлением за исключе­нием второго анода. В электронной пушке имеется лишь одна электрон­ная линза, образуемая неоднородным электрическим полем между модулятором 2 и первым анодом 3. Роль второй фокусирующей линзы выполняет неоднородное магнитное поле короткой катушки 8, наде­ваемой снаружи, вблизи первого анода, на горловину баллона трубки. Электронный луч отклоняется с помощью магнитных полей, образуе­мых двумя парами отклоняющих катушек 9.

5.2.Элементы электронной оптики

Наука о законах движения заряжен­ных частиц в электрических и магнитных полях называется электронной оптикой. Это название неслучайно, так как между движением заряженных частиц в полях и распространением света в оптических средах существует весьма тесная аналогия. Эта аналогия основана на тождестве основных законов световой и электронной оптики.

При движении электрона в электрических полях в качестве пока­зателя преломления используется безразмерная величина где υ — скорость электрона; c — скорость света; U— потенциал в данной точке поля.

Если электрон перемещается в магнитных полях, то показатель преломления n не только является функцией скорости электрона υ, но и зависит от направления его движения по отношению к вектору напряженности Н магнитного ноля, что можно сравнить с распростра­нением светового луча в анизотропных оптических средах.

Законы движения электрона тождественны известным законам световой оптики. Однако, пользуясь указанной аналогией, следует помнить и о ряде особенностей, отличающих, электронную оптику от световой.

Потенциал электрического поля, а, следовательно, и показатель преломления может непрерывно изменяться, в то время как в световой оптике показатель преломления обычно меняется скачкообразно на границе двух сред. Изменение потенциала ноля меняет кинетическую энергию электрона; энергия же светового потока остается прежней, если пренебречь не­значительными потерями на отражение, поглощение и рассеяние. В электронной оптике диапазон изменения показателя преломления значительно больше, чем в световой, где n обычно находится между 1 и 2,5. Кроме того, в электронной оптике можно легко менять по­казатель преломления за счет изменения потен­циалов различных электродов.

Все эти и некоторые другие особенности электронной оптики свидетельствуют о широких возможностях функциональных электронно-опти­ческих приборов.

Движение электрона в однородном поле. Можно предположить, что электрон находится в точке x=0, y=0, z=0 и его начальная ско­рость совпадает с осью z, но направлена про­тив вектора ξ (рис.46). Уравнения движения электрона имеют вид:

(5.1)

(5.2)

и электрон будет совершать равноускоренное движение вдоль отри­цательной полуоси z.

Представляет интерес случай, когда вектор начальной скорости электрона υ₀ нормален к вектору напряженности поля ξ: υ₀= υ_0x.По-прежнему в момент t=0 электрон находится в начале координат (x=0, y=0, z=0)

(5.3)

(5.4)

Определяя из первого уравнения время t=x/υ_0x и подставляя его во второе уравнение, получаем:

(5.5)

Электрон будет двигаться в плоскости xOz по параболе, отклоняясь от оси x под воздействием ускоряющего поля ξ (рис.5.2). Этот случай движения электрона характерен для отклонения электрон­ного потока.

Рис.5.2. Движение электрона в однород­ном электрическом поле.

Для определения траектории движения электрона в электрическом поле можно применить законы электронной оптики, используя отме­ченную выше аналогию между электрическими полями и оптическими средами. Пусть, например, вектор начальной скорости υ₀ электрона направлен под углом θ₁ к вектору напряженности электрического поля ξ (рис.5.3).

Рис.5.3. Изменение составляющих ско­рости электрона при его движении в элек­трическом поле.

Анализируется элементарный уча­сток поля, на котором потен­циал изменяется от U₁ до U₂. Ввиду однородности поля экви­потенциальные поверхности (по­верхности, все точки которых обладают одним и тем же потен­циалом) U₁ и U₂ являются пло­скостями. При движении элек­трона из точки 1 в точку 2 под воздействием ускоряющего элек­трического поля увеличивается составляющая его скорости, нор­мальная к эквипотенциальным плоскостям: υ_1n<υ_2n. Тангенциальная же составляющая его скорости остается неизменной: υ_1τ=υ_2τ. Вследствие этого угол между вектором скорости электрона и нормалью к эквипотенциальным плоскостям изменяется: θ₂<θ₁.

Из условия равенства тангенциальных составляющих скорости υ₁sinθ₁=υ₂sinθ₂ можно получить:

(5.6)

или

(5.7)

Выражение (5.6) аналогично формуле преломления светового луча на границе оптических сред:

(5.8)

где θ₁ и θ₂—угол падения и угол преломления светового луча соответственно, а n₁ и n₂ — коэффициенты оптической плотности двух сред.

Пользуясь выражением (5.7), легко найти «угол преломления» для плоского конденсатора, который является «преломляющей приз­мой» (рис.5.4). В этом случае и

(5.9)

или

(5.10)

Отсюда легко определить угол пре­ломления:

(5.11)

Рис.5.4. Движение электрона в поле плоского конденсатора.

Движение электронов в неоднородном электрическом поле. В электронных приборах электростатические поля обычно создаются сово­купностью различных по форме электродов, которые находятся под тем или иным потенциалом. Как правило, такие поля являются неодно­родными, и если в пространстве нет других зарядов, то такое электро­статическое поле описывается уравнением Лапласа: div grad U=0.

Решение этого уравнения в общем виде практически невозможно, а для более простых случаев, например аксиально-симметричных полей, встречает серьезные затруднения.

На практике конфигурации неоднородных электростатических полей определяются экспериментально. Зная картину неоднородного электрического поля, можно воспользоваться методами графического построения траекторий электронов. Один из этих методов, основанный на законе преломления, заключается в построении траектории элек­трона в виде ломаной линии, отрезки которой ограничены соседними эквипотенциальными поверхностями. Изменение направления движе­ния электрона для случая, показанного на рис.5.3, можно определить, воспользовавшись соотношением (5.7). Однако обычно разность потенциалов для соседних эквипотенциальных поверхностей невелика и оперирование с синусами малых углов, а также геометрическое построение этих углов затруднительно.

Один из практических методов построения траектории электрона иллюстрируется рис.5.5. Направление движения электрона, падаю­щего на поверхность U₁ под углом θ₁, продолжают до точки В, отстоя­щей от нормали к поверхности U₁ на величину Затем из точки А через точку В проводят дугу окружности и отмечают на ней точку С, отстоящую от нормали на величину. Соединив точки А и С, определяют направление движения электрона между поверхностями U₂ и U₃. Продолжив построение для следующих нар эквипотенциальных поверхно­стей, получают траекторию элек­трона в неоднородном поле в виде ломаной линии, которую без су­щественной погрешности можно заменить плавной кривой.

Рис.5.5. Построение траектории движения электрона в неоднородном электрическом поле.

Электронные линзы. Неодно­родные электрические поля, широко используемые в электронных приборах для изменения скоро­сти и направления движения элек­тронов, называются электронными линзами. В электронной оптике различают линзы-диафрагмы, оди­ночные линзы, иммерсионные лин­зы и иммерсионные объективы.

Примеры линз-диафрагм показаны на рис.5.6; там же приведены кривые распределения потенциалов вдоль оси линзы. Линзы-диафраг­мы, образованные электро­дами с круглыми отверстия­ми, могут быть собирающими и рассеивающими. В собираю­щей линзе в плоскости диаф­рагмы ; в рассеи­вающей линзе, наоборот, . Фокусное рас­стояние линз-диафрагм можно определить по формуле:

(5.12)

где ξ_к.д— напряженность поля слева, а ξ_а.д— справа от диафрагмы.

а — собирающая; б — рассеивающая.

Рис.5.6. Электронные линзы-диафрагмы и распределение потенциала в них.

Одиночные линзы обра­зуются системой линз-диаф­рагм и характеризуются по­стоянными и равными потен­циалами по обе стороны линз. Пример одиночной линзы показан на рис.5.7.

Широкое применение в электроннолучевых приборах находят иммерсионные линзы с цилиндрическими электродами равных или различных диаметров. В этом случае потенциалы по обе стороны линзы остаются неизменными, но различными по величине. Примеры иммерсионных линз приведены на рис.5.8.

Рис.5.7. Одиночная электронная линза и распределение потенциала в ней.

a — линза, образованная цилиндрами одного диаметра; б — линза, образованная цилиндрами с разными диаметрами.

Рис. 5.8. Иммерсионные линзы и распределение потенциала в них.

Иммерсионными объективами называют обычно линзы, располо­женные в непосредственной близости от катода, находящегося под нулевым потенциалом.

Фокусные расстояния сложных электронно-оптических систем состоящих из ряда различных линз, можно определить, сложив опти­ческие силы каждой из линз в отдельности:

(5.13)

где 1/f_s — оптическая сила всей системы, а 1/f₁,1/f₂, …,1/f_n— оптические силы отдельных линз, определяемые с помощью соотношения (5.12).

Движение электронов в однородном Магнитном поле. Рассматривается общий случай, когда вектор скорости электрона не лежит ни в одной из координатных плоскостей, а вектор напряженности поля Н направлен вдоль одной из осей, например вдоль оси х (рис.5.9). Вектор начальной скорости электрона можно спроектировать на координатные оси. В этом случае уравнения движения электрона запишутся в виде:

(5.14)

(5.15)

(5.16)

Рис.5.9. Общий случай движения электрона в одно­родном магнитном поле.

Обе действующие на элек­трон силы лежат в плоскости yOz. Суммарная сила, действующая на электрон, перпен­дикулярна плоскости АВСД, содержащей векторы Н и υ_yz, и определяется из соотношения:

(5.17)

Под действием этой силы электрон вращается по окружности, лежащей в плоскости yOz. Кроме того, под действием составляющей начальной скорости, направленной вдоль оси х, электрон движется поступательно вдоль этой оси. Результирующей траекторией электрона является спираль, ось которой параллельна оси х, а радиус витка равен:

(5.18)

Один оборот спирали электрон совершит за время t=2πm/μ₀H, переместись со скоростью υ_x вдоль оси х на шаг спирали:

(5.19)

Однородное магнитное поле в электронно-лучевых приборах используется в качестве магнитной электронной линзы, фокусирующей поток электронов, выходящий с поверхности катода под некоторым углом 2α (рис.5.10). Если угол α невелик, то такой пучок электронов называют параксиальным. Фокусирующее действие однородного маг­нитного поля, создаваемого обычно длинным соленоидом, основано на равенстве шага спиральных траекторий всех электронов. Угол α мал, cosα≈1, и шаг спирали

(5.20)

не зависит от направления вектора начальной скорости электронов. В точках О, О₁ и др., отстоящих друг от друга па величину h, траектории электронов касаются оси соленоида. Происходит фокусирование электронного пучка.

Рис.5.10. Магнитная линза, образованная полем длинной катушки.

Движение электронов в неоднородном магнитном поле. Задача аналитического описания неоднородных магнитных полей встречает не меньшие трудности, чем в случае неоднородного электрического поля. Поэтому для определения картины неоднородного магнитного поля применяются, как правило, экспериментальные методы.

Неоднородные магнитные поля используются для фокусирования параксиальных пучков электронов. Обычно используются короткие катушки — многослойные соленоиды, длина которых соизмерима с внутренним диаметром.

В случае движения электрона в неоднородном магнитном поле такой катушки (рис.5.11) вектор скорости электрона направлен под углом α к оси катушки. Вектор Н напряженности магнитного поля в точке А можно разложить на радиальную H_r и аксиальную H_a составляющие. Угол α мал, cosα ≈1 и можно считать, что υ_a=υcosα ≈ υ. На электрон действует сила F_мτ (рис.5.11,б), перпендикулярная плоскости чертежа и вызываю­щая вращательное движение электрона вокруг оси катушки. Под действием этой силы появляется тангенциальная составляющая скорости электрона υ_τ (рис.5.11, в), которая совместно с H_a образует силу F_мr, прижимающую электрон к оси. Таким образом, в неодно­родном магнитном поле электрон движется по спирали с уменьшаю­щимся радиусом, и в некоторой точке С его траектория соприкасается с осью катушки.

а — магнитное поле; б и в — векторные диаграммы.

Рис. 5.11. Магнитная линза, образованная полем короткой катушки.

Фокусное расстояние такой магнитной линзы; если пучок падаю­щих электронов считать параллельным, определяется выражением:

(5.21)

где U=υ²m/e —потенциал, определяющий скорость движения электрона вдоль оси катушки, а интегрирование осуществляется вдоль оси в пределах a—b неоднородного магнитного поля; c≈0,02.

Если U выражено в вольтах, а Н — в эрстедах, то фокусное расстояние получается в сантиметрах. Такая линза всегда является собирающей, так как ее оптическая сила не зависит от направления силовых линий поля.

5.3.Электронная пушка. Модуляция электронного луча по плотности.

Схематическое устройство электронной пушки для трубки с элек­тростатическим управлением луча показано на рис.5.12, а, а для трубки с электромагнитным управлением — на рис.5.12, б.

В первом случае в состав электронной пушки входят катод, моду­лятор, первый и второй аноды; во втором случае — электронная пушка содержит те же электроды, за исключением второго анода.

Управление интенсивностью электронного луча в электронно-луче­вых приборах является одним из основ­ных процессов. Изменение плотности тока луча позволяет менять яркость пятна на экране электронно-лучевой трубки в ши­роких пределах: от полного исчезновения до некоторого максимального значения его яркости, свойственного данному типу труб­ки. Модулируя электронный луч по интен­сивности, на экране приемных телевизион­ных трубок получают изображение.

Для управления плотностью тока элек­тронного луча служит управляющий элек­трод или модулятор (рис.5.12), представ­ляющий собой цилиндр с несколько утопленным дном, с небольшим отвер­стием — диафрагмой в центре.

Рис.5.12. Картины элек­трического поля вблизи уп­равляющего электрода.

К управляющему электроду подводится небольшое отрицательное напряжение U_м, регулируемое от нуля до нескольких десятков вольт. Возле диафрагмы в пространстве между катодом и модулятором суще­ствует неоднородное электростатическое поле, эквипотенциальные поверхности которого обращены выпуклостью к катоду. Это не­однородное поле образует часть первой электростатической линзы и служит для фокусирования электронного луча. Кроме того, измене­ние конфигурации поля оказывает существенное влияние на величину тока с поверхности катода. Это влияние обусловлено изменением объем­ного заряда у катода и изменением величины поверхности катода, вблизи которой существует поле с положительным градиентом потен­циала. В первом случае действие модулятора аналогично действию управляющей сетки в триоде; при увеличении отрицательного потен­циала увеличивается потенциальный барьер вблизи катода и возра­стает объемный заряд. Таким образом, ток катода должен, очевидно, зависеть от напряжения на модуляторе в соответствии с законом степени трех вторых:

(5.22)

здесь U_м — напряжение на модуляторе;

U_м0— запирающее напряжение — такое напряжение на моду-­
ляторе, при котором электронный ток равен нулю;

q₁ — коэффициент пропорциональности.

Однако при изменении потенциала модулятора ток катода зависит также и от величины поверхности катода, охваченной полем с поло­жительным градиентом потенциала. Если потенциал модулятора равен нулю (рис. 5.12, а), то почти вся поверхность катода охвачена полем с положительным градиентом потенциала. На рис. 5.12, б показана картина поля, когда потенциал модулятора близок к потенциалу запирания. В этом случае положительный градиент поля существует только вблизи незначительной области в центре катода, а остальная поверхность катода охвачена нолем с отрицательным градиентом потенциала.

В результате ток катода при уменьшении отрицательного напря­жения на модуляторе возрастает значительно быстрей, чем это следует из (5.22).

Модуляционная характеристика. Связь между током электронного луча и потенциалом модулятора выражается зависимостью:

(5.23)

В этой формуле ток луча I_л выражен в микроамперах, а напряже­ние—в вольтах; коэффициент пропорциональности, равный трем, определен экспериментальным путем.

Выражение (5.23) отражает зависимость между катодным током и напряжением на модуляторе. Однако в электроннолучевой трубке не все электроны, покинувшие катод и преодолевшие потенциальный барьер у его поверхности, достигают экрана. Часть электронов, покидающих катод под значительными углами к оси трубки, не проходит через диафрагму модулятора. Другая часть электронов вслед­ствие их значительного углового расхождения при фокусировании не пропускается ограничивающими диафрагмами первого, и второго анодов.

Ввиду того, что измерить ток электронного луча вблизи экрана очень трудно, на практике обычно пользуются зависимостью тока второго анода I_a2 от напряжения на модуляторе. Эта зависимость на­зывается модуляционной характеристикой электронно-лучевой трубки.

Ток второго анода несколько отличается от тока электронного луча. Его величина определяется электронами, не прошедшими огра­ничивающие диафрагмы и попавшими непосредственно на второй анод, а также электронами, попадающими на второй анод с экрана трубки. Часть электронов, бомбардирующих экран, отражается от его поверхности; другая часть вызывает вторичную эмиссию с экрана. Отраженные и вторичные электроны попадают на слой проводящего покрытия на стенках баллона трубки — аквадаг, соединенный со вторым анодом.

На рис.5.13 представлены модуляционные характеристики электроннолучевых трубок с электростатическим и с магнитным управлением. Зависимости тока I_a2 от напряжения —U_м для них различны.

а — с электростатическим управлением; б — с магнитным управлением; 1 — при U_а2= 2,2 кв; 2 — U_a2 =1,5 кв.

Рис.5.13. Модуляционные характеристики элек­троннолучевых трубок.

В трубках с электростатическим управлением модуляционная, характеристика подчиняется закону (5.23) лишь вблизи потенциала запирания, когда ток луча невелик. При дальнейшем уменьшении отрицательного напряжения на модуляторе возрастает эмитирующая поверхность катода, в электронном луче появляются электроны, покидающие катод под большими углами, увеличивается диаметр луча в области электростатических линз и второго анода и часть электронов не пропускается ограничивающей диафрагмой. Дальнейшее увеличе­ние тока луча может быть получено за счет повышения плотности катодного тока, т. е. в соответствии с законом степени три вторых (5.22).

Крутизна модуляционной характеристики трубки 13ЛМ31 с маг­нитным отклонением в рабочей области в несколько раз больше кру­тизны характеристики трубки 13Л036. Это объясняется отсутствием ограничивающих диафрагм в электронной пушке трубки с маг­нитным управлением. Ток луча по величине близок к току катода, и его зависимость от напряжения на модуляторе подчиняется закону (5.23). Это обстоятельство определяет выбор электронно-лучевых трубок с магнитным управлением луча для случаев, когда необходима интенсивная модуляция луча, например в телевизионных приемных трубках и радиолокационных индикаторах с яркостной отметкой.

5.4.Фокусирующие системы

Задача превращения потока электронов в тонкий электронный луч, обладающий в плоскости экрана минимальным поперечным сечением и большой плотностью тока, решается с помощью электро­статических и магнитных линз, образуемых специальными электро­дами, составляющими фокусирующую систему электроннолучевой трубки.

Требования к электронным линзам. Как известно из оптики, вели­чина изображения, образованного сферической поверхностью, разде­ляющей две среды с различными показателями преломления, опре­деляется согласно закону Лагранжа — Гельмгольца соотношением:

(5.24)