Файл: Labwork(atom)4-1-2-3.pdf

www.phys.nsu.ru

7.Почему в осциллографических ЭЛТ применяется отклонение электрическим полем, а в телевизионных и компьютерных ЭЛТ – магнитным?

8.Почему ускоряющее напряжение в ЭЛТ может достигать десятков киловольт?

9.Оцените величину тока электронного луча, используя любые доступные соображения. Почему ток электронного луча ЭЛТ в телевизорах обычно намного выше, чем в осциллографах?

10.Почему в сверхбыстродействующих осциллографах, предназначенных для регистрации однократных процессов, ток электронного луча и ускоряющее напряжение много выше, чем в обычных?

11.Объясните движение заряженных частиц в обсуждаемой геометрии.

12.Покажите, что в условиях обсуждаемого эксперимента изменение полной энергии электронов из-за действия горизонтальной развёртки действительно невелико.

13.Оцените влияние магнитного поля Земли на точность полученных результатов. Каким образом можно минимизировать погрешность измерений (постановка эксперимента и обработка)?

14.Чем вызвано отклонение измеренной зависимости ψ = f (B) от прямой линии?

15.Объясните процедуру обработки результатов измерений и полученные результаты, сравните с табличным значением.

Библиографический список

1.Арцимович Л. А., Лукьянов С. Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнит-

ных полях. М.: Наука, 1978. С. 51–57.

2.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. М.: Наука, 1985. С. 78–81.

3.Парселл Э. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983. С. 411–413.

4.Портис А. Физическая лаборатория. М.: Наука, 1978. С. 2–38, 266.

5.Сивухин Д. В. Электричество. М.: Наука, 1983. С. 370–382.

6.Пароль Н. В., Бернштейн А. С. Осциллографические электронно-лучевые трубки: Справочник.

М.: Радио и связь, 1990. С.3–22.

61

www.phys.nsu.ru

Приложение 1

Устройство электронно-лучевой трубки

На протяжении практически столетия электронно-лучевые трубки были основным средством визуализации, использующимся как в быту (телевидение), так и в различных областях науки и техники (экраны осциллографов, радиолокаторов и т. п.). Поэтому знания об устройстве и принципах работы ЭЛТ были достаточно широко распространены. В последние годы благодаря развитию новых технологий идёт быстрое вытеснение классических электронно-лучевых приборов другими устройствами, главным образом жидкокристаллическими и плазменными панелями. Поэтому правильное объяснение принципов работы ЭЛТ всё чаще вызывает затруднения у студентов. Ниже будут рассмотрены история создания, принципы работы и типичная конструкция осциллографической ЭЛТ.

История создания электронно-лучевой трубки

Электронно-лучевая трубка осциллографа входит в обширное семейство электронно-лучевых приборов, предназначенных для преобразования электрических и световых сигналов. История развития собственно ЭЛТ как технического устройства неразрывно связана с развитием физики конца XIX – начала XX в., поэтому здесь будет дано подробное её изложение. Функциональное назначение осциллографической ЭЛТ: преобразование электрического сигнала в видимое изображение в целях визуализации сигнала. Заметим, что существуют и специальные осциллографические ЭЛТ, в которых на месте обычного экрана расположена ПЗС-матрица, регистрирующая место попадания электронного луча, однако рассмотрение подобных устройств выходит за рамки этого описания.

Формальная история создания ЭЛТ начинается в 1855 г., когда Гейсслер7 создал эффективный ртутный вакуумный насос, позволявший получать вакуум достаточного качества внутри стеклянной колбы. В 1859 г. Плюккер8 открыл катодные лучи. Значительный шаг вперёд в исследованиях катодных лучей совершил Крукс9, который существенно усовершенствовал конструкцию катодной трубки. Трубка Крукса стала фактически прообразом электронных трубок. Важными резуль-

7Гейсслер Генрих Иоганн Вильгельм (26.V.1815–24.I.1879) – немецкий физик, механик Боннского университета. В 1855 г. изобрёл ртутный вакуумный насос, а в 1858 г. – трубку с двумя электродами, заполненную разреженным газом (трубка Гейсслера, при помощи которой изучался спектр свечения газа в электрическом разряде).

8Плюккер Юлиус (16.VII.1801–22.V.1868) – немецкий физик, профессор нескольких немецких университетов. Независимо от М. Фарадея открыл в 1847 г. парамагнетизм кислорода. В 1859 г. установил, что цвет свечения газа в разряде характеризует природу этого газа, в том же году открыл катодные лучи. Обнаружил три первые спектральные линии водорода и флюоресценцию стекла трубки, в которой происходит разряд. В 1865 г. ввёл деление спектров на линейчатые и спектры с полосами. С Г. Гейсслером сконструировал стандартный термометр.

9Крукс Уильям (17.VI.1832–4.IV.1919) – английский физик и химик, с 1863 г. член Лондонского королевского общества (в 1913–1915 гг. его президент). С 1859 г. работал в собственной лаборатории. В 1879 г. создал прообраз электронной трубки, установил, что катодные лучи распространяются линейно, но могут отклоняться магнитным полем. Доказал, что разряд в вакууме создаётся потоком частиц с катода, которые переносят энергию и импульс (1879). Наблюдал свечение некоторых веществ под действием катодных лучей (1886). Открыл эффект сцинтилляций сернистого цинка под действием альфа-лучей (1903). Был убеждённым сторонником спиритизма.

62

www.phys.nsu.ru

татами Крукса стали открытие свечения некоторых веществ под действием катодных лучей (люминесценция) и установление основных закономерностей распространения катодных лучей: прямолинейное движение в вакууме и способность отклоняться магнитным полем.

Вторая половина XIX в. характеризовалась быстрым развитием электротехники и появлением электрических сетей переменного тока в городах. Соответственно, требовалось создание прибора для визуализации процессов в различных электротехнических системах и измерения мгновенных параметров и переходных процессов в цепях переменного тока. В этот период были созданы несколько оптико-механических конструкций, предшествовавших осциллографу. В частности, можно упомянуть осциллометр Колли10 1885 г. (предшественник современных шлейфовых осциллографов11) и магнитоэлектрический осциллоскоп Блонделя12 1893 г., которые, однако, могли работать только с низкочастотными сигналами.

В 1895 г. Браун13 на основе трубки Крукса создал катодную трубку, получившую название трубки Брауна (рис. 9). В конструкции трубки Брауна использовалось отклонение электронного луча магнитным полем по одной из координат. Отклоняющие катушки размещались в узкой части стеклянной колбы. Развёртка по другой координате производилось при помощи специального вращающегося зеркала, проецировавшего светящуюся линию на внешний экран.

Трубка Брауна использовалась и совершенствовалась многими учёными. В 1899 г. ассистент Брауна И. Ценнек (1871–1959) ввёл электромагнитную развёртку для замены зеркала. В 1903 г.

Рис. 9. Конструкция классической трубки Брауна

10Колли Роберт Андреевич (25.VI.1845–2.VIII.1891) – русский физик, профессор Казанского университета. Работы в области электромагнетизма. В 1885 г. создал осциллометр – прототип современных светолучевых (шлейфовых) осциллографов.

11Шлейфовый осциллограф – прибор, в котором под действием электрического сигнала происходит поворот зеркала, установленного на рамке гальванометра. Зеркало освещается внешним источником, отражённый луч изменяет положение на приёмнике (экран либо фоточувствительный материал) в зависимости от величины входного сигнала. Развёртка обеспечивается равномерной протяжкой приёмника.

12Блондель Андре (28.VIII.1863–15.XI.1938) – французский физик, с 1913 г. член Парижской АН, иностранный член АН СССР с 1932 г. Работы в области оптики, электромагнетизма, акустики, механики. Ввёл понятия светового потока и освещённости. Изобрёл магнитоэлектрический осциллоскоп (1893).

13Браун, Карл Фердинанд (6.VI.1850–20.IV.1918) - немецкий физик, профессор нескольких немецких университетов, с 1895 г. – профессор Страсбургского университета и директор Физического института. В 1874 г. обнаружил одностороннюю проводимость (диодный эффект) в месте контакта кристаллов и проводника. В 1895 г. на основе трубки Крукса создал катодную трубку с магнитным отклонением луча, получившую название трубки Брауна. Создал первый осциллограф в 1897 г. В 1898 г. изобрёл колебательный контур

свысокой добротностью. Изобрёл несколько типов антенн. Нобелевская премия 1909 г. совместно с Г. Маркони за работы по беспроволочной телеграфии. Некоторые свои работы (и в частности трубку Брауна) не желал патентовать принципиально, чтобы сделать их общественным достоянием.

63

www.phys.nsu.ru

Венельт14 поместил в трубке цилиндрический электрод (цилиндр Венельта), позволяющий менять интенсивность электронного луча, а соответственно и яркость свечения люминофора. В 1906 г. сотрудники Брауна М. Дикман и Г. Глаге получили патент на использование трубки Брауна для передачи изображений. В 1907 г. другой его ассистент – Мандельштам15 разработал метод и схему получения пилообразного тока для линейной развёртки осциллограммы по оси времени. Суть метода заключалась в том, что для развёртки использовалось только начало разрядного процесса конденсатора, когда ток является практически линейной функцией времени. В том же 1907 г. Розинг16 подал заявку на изобретение «Способ электрической передачи изображений на расстояния». Развёртка луча в трубке производилась магнитными полями, а модуляция сигнала (изменение яркости) с помощью конденсатора, который мог отклонять луч по вертикали, изменяя тем самым число электронов, проходящих на экран через диафрагму. В 1929 г. Зворыкин17 изобрёл кинескоп – систему, использование которой привело к бурному развитию телевидения в мире. Массовое внедрение телевизионной техники началось после создания в 1931 г. Дюмонтом18 первой коммерчески успешной конструкции, обладавшей необходимой долговечностью. В дальнейшем наступила эпоха промышленного применения, в течение которой конструкции ЭЛТ постоянно совершенствовались.

Электростатическая фокусировка заряженных частиц

Функционирование электронно-лучевых приборов невозможно понять без знания основ электронной оптики, т. е. методов управления положением и формой электронного луча. Уравнения

(1) вполне достаточно для описания движения заряженной частицы во внешних полях. Однако практическое применение этого уравнения требует, за исключением некоторых простейших случаев, применения численных методов решения уравнений. Тем не менее, существует простая и наглядная аналогия между движением заряженной частицы во внешнем электрическом поле и распространением луча света в прозрачной среде с изменяющимся показателем преломления.

14Венельт Артур Рудольф Бертольд (4.IV.1874–15.II.1944) – немецкий физик. В 1903 г. изобрёл цилиндр Венельта, в 1905 г. – оксидные катоды, в 1926 г. впервые показал влияние пространственного заряда электронного луча.

15Мандельштам Леонид Исаакович (4.V.1879–27.VI.1944) – советский физик, академик (с 1929), с 1902 по 1914 гг. в Страсбургском университете, затем профессор в ОГУ и МГУ, с 1934 г. – также в ФИАН. Работы по оптике, радиофизике, квантовой механике. В 1907 г. показал, что рассеяние света обусловлено неоднородностью среды. В 1926 г. открыл рассеяние Мандельштама–Бриллюэна. Совместно с Г. С. Ландсбергом

и независимо от Ч. Рамана в 1928 г. открыл эффект комбинационного рассеяния света. Вместе с М. А. Леонтовичем в 1928 г. разработал теорию прохождения частицы через потенциальный барьер (туннельный эффект). Пионер теории нелинейных колебаний. Государственная (1942) и Ленинская (1931) премии СССР.

16Розинг Борис Львович (23.IV.1869–20.IV.1933) – русский физик. Изобрёл принцип построчной развёртки изображения для телевидения (патент 1907 г.). Произвёл 9 мая 1911 г. первую публичную телевизионную передачу. Арестован в 1931 г. по «делу академиков», реабилитирован в 1957 г.

17Зворыкин Владимир Козьмич (30.VII.1889–29.VII.1982) – американский инженер русского происхождения. Первые работы по электронике под руководством Б. Л. Розинга, с 1919 г. в США. В 1923 г. получил патент на полностью электронное телевидение, в 1929 г. изобрёл кинескоп. Изобрёл различные передающие трубки (в том числе иконоскоп и трубку ночного видения).

18Аллен Дюмонт (29.I.1901–14.XI.1965) – американский инженер и предприниматель. В 1931 г. создал первый долговечный кинескоп, в 1938 г. его «Модель 180» стала первым электронным телевизором, проданным публике. В 1932 г. предложил флоту США устройство типа радиолокатора.

64

www.phys.nsu.ru

vt

vn v1

Рис. 10. К задаче о движении частицы в пространстве со скачком потенциала

Рассмотрим для начала очень простую задачу о движении заряженной частицы через границу двух полупространств, на границе которых имеется скачок потенциала19. Сразу следует оговориться, что данная задача рассматривается только для лучшего понимания аналогии между электронной и обычной оптикой, в реальном мире идеально резкой границы между областями с разным потенциалом не бывает. Пусть верхнее полупространство (рис. 10) имеет потенциал U1, а нижнее – потенциал U2. Частица движется из верхнего полупространства со скоростью v1, которую удобно разложить на нормальную компоненту vn (по отношению к границе раздела сред) и тангенциальную vτ. При прохождении через границу двух полупространств частица испытывает работу силы, направленной по нормали к этой границе. Таким образом, тангенциальная компонента скорости останется неизменной, а нормальная компонента получит приращение, величина и знак которого зависят от разности потенциалов. Далее запишем очевидное геометрическое соотношение:

где v1 и v2 – скорость частицы до и после границы раздела, а α и β могут быть по аналогии с обычной оптикой названы углами падения и преломления. Если считать, что частица была рождена в точке с нулевым потенциалом (т. е. величина скорости частицы определяется локальным значением потенциала), то выражение (23) может быть переписано в следующем виде:

Равенство (24) совпадает с традиционной формулировкой закона преломления света в классической оптике. Как видно, в данном случае роль коэффициента преломления играет квадратный корень из значения потенциала в данной точке.

Полученный результат легко можно обобщить на случай электростатического поля произвольной конфигурации. Как и в обычной оптике, движение частицы в пространстве с неоднородным электрическим потенциалом будет плавно изменяющейся траекторией, подобной распростране-

19 Эта задача и последующее рассмотрение аналогии обычной и электронной оптики приводятся по материалу, изложенному в [1].

65

www.phys.nsu.ru

нию светового луча в среде с неоднородным коэффициентом преломления (значение которого в этой аналогии пропорционально квадратному корню из потенциала в данной точке).

Рассмотренная аналогия является простой и наглядной и позволяет понять принципы работы устройств электронной оптики и достаточно сложных электронно-оптических систем, например электронного микроскопа или осциллографической трубки. Однако у этой аналогии есть определённые границы, которые следует помнить. Рассмотрим существенные отличия электронной оптики от обычной.

Коэффициенты преломления прозрачных тел в классической оптике лежат обычно в пределах от 1 до ~3 и для каждого конкретного оптического элемента являются неизменными (если не рассматривать специальных методов воздействия на вещество, из которого изготовлен оптической элемент). В электронной же оптике эффективный «коэффициент преломления» зависит от потенциала, т. е. может быть достаточно легко изменён. Таким образом, в данном случае возможности электронной оптики гораздо шире: в построенной электронно-оптической системе можно управлять её параметрами простым изменением потенциала электродов. С другой стороны, в обычной оптике оптические элементы имеют определённые резкие границы, а в электронной оптике потенциал, как уже говорилось выше, в пространстве изменяется плавно. Это обстоятельство даёт бóльшую свободу при конструировании обычных оптических систем. Кроме этого, есть ограничения на конфигурацию, связанные с тем, что конфигурация электрического поля должна удовлетворять как граничным условиям, так и уравнению Лапласа20 ϕ = 0 . В результате оказывается,

что часть аберраций в электронной оптике трудно устранить.

Рассмотрение движения заряженной частицы, проведённое выше, и, в частности, выражения (23) и (24) нигде не содержит явной зависимости от величины массы или заряда заряженной частицы. Поэтому если две частицы, имеющие разную величину заряда и массы (но при одинаковом знаке заряда), начинают движение с нулевой начальной скоростью из одной и той же точки пространства, то их траектории будут одинаковы (хотя они и будут пройдены частицами за разные промежутки времени). Это правило называется законом подобия для движения заряженных частиц в электростатическом поле.

Рассмотрим теперь простейший электронно-оптический элемент – фокусирующую линзу. В геометрической оптике основным элементом является тонкая линза. Аналогом этого элемента в электронной оптике будет служить электростатическое поле, обладающее аксиальной (цилиндрической) симметрией. Подобное поле, в свою очередь, может быть создано системой из одного или более соосных электродов, обладающих симметрией вращения. Примерами элементов такой

20 Лаплас Пьер Симон (28.III.1749–5.III.1827) – французский астроном, физик и математик, член Парижской (1785) и Петербургской (1802) АН. Председатель Палаты мер и весов с 1790 г., один из основателей Политехнической школы. Фундаментальный пятитомник «Трактат о небесной механике» (1798–1825), гипотеза происхождения Солнечной системы (1796). Вывел формулу Лапласа для капиллярного давления (1807), барометрическую формулу (1821). Вместе с А. Лавуазье определил коэффициенты теплоёмкости многих веществ (1783). Боролся с теорией флогистона. Обобщил закон Био–Савара в электродинамике. Внедрял метрическую систему мер. В математике известен «оператором Лапласа», «преобразованием Лапласа», «интегралом Лапласа», «уравнением Лапласа», «теоремой Лапласа», создатель теории вероятностей.

66