Как в осциллографе происходит фокусировка электронного пучка

1. Устройство и принцип действия осциллографа с электронно-лучевой трубкой

Осциллограф – измерительный прибор, предназначенный для визуального наблюдения и исследования электрических сигналов.

В основе работы осциллографа лежит преобразование исследуемых электрических сигналов в видимое изображение на экране электроннолучевой трубки.

В состав функциональной схемы (рис. 1) осциллографа входят следующие блоки: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), аттенюатор (А), усилитель вертикального отклонения (УВО), усилитель горизонтального отклонения (УГО), блок синхронизации (БС), генератор развертки (ГР), блок питания (БП).

Главным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка, представляющая собой стеклянную колбу, запаянную с одной стороны и расширяющуюся с другой стороны на конус. Сама трубка, как правило, имеет цилиндрическую форму, а расширяющаяся часть может быть как цилиндрической, так и прямоугольной формы. Расширяющаяся часть трубки заканчивается плоскостью, которая образует, так называемый экран ЭЛТ. Внутренняя часть экрана покрыта специальным составом – люминофором. Главным свойством люминофора является способность светиться при бомбардировке его электронным пучком. Такая способность называется люминесценция.

Внутри трубки вдоль центральной оси располагается электронный прожектор, представляющий собой систему электродов, с помощью которой формируется узкий поток электронов (электронный пучок) – электронный луч. Кроме прожектора, внутри трубки находятся две пары взаимно перпендикулярных пластин, предназначенных для перемещения электронного пучка вдоль экрана и получения на экране так называемых осциллограмм. Одна пара (Y-пластины) называется вертикально отклоняющие пластины (ВОП) расположена горизонтально. Вторая пара (Xпластины), расположенная вертикально, называется горизонтально отклоняющие пластины (ГОП).

В состав электронного прожектора входит:

1. Катод (К) является источником электронов, испускаемых под действием высоких температур (этот процесс называется термоэлектронной эмиссией). Для нагрева катода используется специальная спираль, на которую подается напряжение накала Uнак.

2. Управляющий электрод (УЭ) или модулятор (М) предназначен для первоначального фокусирования электронного пучка и регулирования яркости свечения изображения на экране. К управляющему электроду прикладывается отрицательное напряжение относительно катода.

3. Фокусирующий электрод (ФЭ) или первый анод (А1) служит для ускорения электронов, входящих в электронный пучок и его фокусировки, т.е. для снижения поперечного сечения пучка. К данному электроду прикладывается положительное напряжение относительно катода.

4. Второй анод (А2) используется для дальнейшего ускорения электронов. К электроду прикладывается самое большое напряжение относительно катода, составляющее несколько единиц-десятков киловольт. В совокупности с фокусирующим электродом второй анод также предназначен для фокусировки электронного пучка.

Конструктивно все электроды электронного прожектора выполнены в виде полых цилиндров, расположенных по оси трубки, и имеют перегородки с отверстиями. Два соседних электрода образуют, так называемую электронную линзу.

Подача напряжений на электронный прожектор осуществляется следующим образом. Катод имеет нулевой потенциал относительно «земли». Для фокусировки электронного луча на ФЭ подается положительное напряжение относительно катода, величину которого можно менять с помощью специального потенциометра «Фок.». К аноду А2 приложено положительное напряжение. Величина данного напряжения подбирается при настройке прибора. Для управления интенсивностью электронного луча к УЭ 4 относительно катода приложено отрицательное напряжение, величина которого регулируется потенциометром «Ярк.».

Электронный прожектор излучает узкий пучок электронов – электронный луч, который проходит между парами отклоняющих пластин. Под действием напряжений, подаваемых на эти пластины электронный луч отклоняется по осям X и Y, вызывая перемещение светового пятна на экране ЭЛТ.

Руководство

Как в осциллографе происходит фокусировка электронного пучка

• автор: admin
• 27.07.2023

Электрическая линза — фокусировка электронного луча системой анодов Устройство, предназначенное для фокусировки электронного пучка, называется электронной линзой. Управление электронным пучком может осуществляться с помощью электрических… Подробнее » Как в осциллографе происходит фокусировка электронного пучка

Как ведут себя одноименные заряды

• автор: admin
• 27.07.2023

Как ведут себя одноименные заряды Электростатика. Взаимодействие зарядов. Два вида электрических зарядов. Простые опыты по электризации различных тел иллюстрируют следующие положения. 1. Существуют заряды двух… Подробнее » Как ведут себя одноименные заряды

Как вести паспорт электрооборудования

• автор: admin
• 27.07.2023

2. Техническая документация электрохозяйства Наличие правильно оформленной технической докумен­тации является одним из важнейших условий, обеспечиваю­щих надлежащий уровень организации эксплуатации устано­вок и безопасное их обслуживание, тем… Подробнее » Как вести паспорт электрооборудования

Кабельные вводы или ввода как правильно

• автор: admin
• 27.07.2023

Склонение существительного «ввод» />Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен… Подробнее » Кабельные вводы или ввода как правильно

Как безопасно удлинить проводку в стене

• автор: admin
• 27.07.2023

Как безопасно удлинить проводку в стене В жизни любого хозяина дома или квартиры, ремонтника или электрика возникала ситуация, при которой было необходимо нарастить провод –… Подробнее » Как безопасно удлинить проводку в стене

Методическое пособие к работе n 241 Изучение электронного осциллографа

Цель работы:ознакомление с устройством и принципом работы универсального электронного осциллографа, изучение формы электрических сигналов, а также измерение их амплитудных и временных характеристик.

Приборы и принадлежности:электронный осциллограф С1-117/1, генератор сигналов низкочастотный Г3-112/1, кабели и соединительные провода.

Устройство и принцип работы электронного осциллографа

1. электронно-лучевая трубка
2. усилители вертикального и горизонтального отклонения луча
3. блок развертки
4. блок синхронизации
5. блок питания

Электронно-лучевая трубка.

Электронно-лучевые трубки делятся на два типа с электростатическим и электромагнитным управлением электронным лучом. В первом случае управление электронным лучом осуществляется электрическим полем, во второммагнитным. Ниже рассматривается устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением. Электронно-лучевая трубка (рис.1) представляет собой вакуумированный стеклянный баллон, давление около 10 -6 мм.рт.ст., внутри которого находятся электронная пушка, отклоняющие пластины и экран. Рис. 1. Электронно-лучевая трубка Электронная пушка предназначена для получения и фокусировки на экране электронного луча. Она состоит из катода (2), нити накала (1), управляющего электрода– сетки (3) и двух анодов (4,5). Управляющий электрод предназначен для регулировки яркости (интенсивности) электронного луча. С помощью анодов производится фокусировка и ускорение электронного пучка. Электроны, испускаемые нагретым катодом вследствие термоэлектронной эмиссии, ускоряются электрическим полем, создаваемым системой анодов. Первый анод (4) – цилиндрический с двумя или тремя диафрагмами, которые служат для улавливания электронов, не удовлетворяющих условию фокусировки. Второй анод (5) – также цилиндрический, но большего диаметра. Оба анода имеют положительные потенциалы относительно катода, потенциал первого анодаU_a11 кВ, потенциал второго анодаU_a24 кВ. Работа электрического поля, создаваемого системой анодов, идет на увеличение кинетической энергии электронов в электронном луче: (1.1) Под действием электрического поля анодов электроны развивают скорость порядка 10 3 10 4 м/с и быстро достигают экрана. Экран покрыт специальным люминесцирующим составом, который светится под действием ударов электронов. Таким образом, электронный луч прочерчивает видимый глазом след на экране осциллографа. Управляющий электрод-сетка (3), выполненный в виде цилиндра с отверстием, имеет отрицательный потенциал относительно катода. Поле этого электрода сжимает электронный пучок, отклоняя его к оси трубки. При увеличении отрицательного потенциала управляющего электрода часть электронов настолько сильно отклонится от оси пучка, что не пройдет через его отверстие. При этом интенсивность электронного пучка, а, следовательно, и яркость луча на экране осциллографа уменьшается. Электронный луч можно направить в любую точку экрана (8) с помощью двух пар управляющих пластин (6) и (7), на которые подается соответствующее напряжение. Под действием электрического поля отклоняющих пластин пучок электронов смещается в горизонтальном или в вертикальном направлении. Малая масса электронов обеспечивает малую инерционность электронного луча, поэтому электронный луч практически мгновенно реагирует на изменения напряжения на отклоняющих пластинах. Более подробно с принципом фокусировки электронного пучка и действием отклоняющих пластин на электронный луч можно ознакомиться в приложениях 1 и 2.

4.2 Устройство осциллографа

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) — является основным блоком осциллографа, предназначена для образования и фокусировки электронного луча и преобразования электрического сигнала в видимый сигнал на экране, электронно-лучевая трубка определяет принцип действия, параметры и возможности применения осциллографа в целом. Она представляет собой прибор, в котором под действием электронной бомбардировки люминофорного экрана движущимся сфокусированным электронным лучом происходит преобразование электрических сигналов в видимое световое изображение. Электронно-лучевая трубка широко применяется в различных областях техники (телевидение, дисплеи ЭВМ). Существуют трубки с электростатическим или с электромагнитным управлением. В первом случае для отклонения электронного луча используется электрическое поле, во втором случае — магнитное поле. Фокусировка луча также бывает электростатической или электромагнитной. В данной работе изучается осциллограф с электростатической электронно-лучевой трубкой.

В общем случае осциллографическая трубка состоит из стеклянного баллона конической формы, в котором создано высокое разрежение — до состояния технического вакуума, электронно-оптической системы, фокусирующей электронный луч, системы отклонения луча и люминофорного экрана, на котором создается световое изображение исследуемого сигнала.

4.2.2 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.