Файл: Labwork(atom)4-1-2-3.pdf

www.phys.nsu.ru

системы могут быть коаксиальные цилиндры, диафрагмы с круглыми отверстиями, кольцевые электроды и их комбинации. В параксиальной области (вблизи оси) эквипотенциали в подобных системах будут иметь форму, близкую к сферической (поскольку искажения высших порядков будут малы в силу условия параксиальности).

Рассмотрим качественно движение частицы в конфигурации из двух коаксиальных поверхностей, имеющих разный потенциал (рис. 11). Как и ранее, будем считать, что покоящаяся частица была рождена в точке с нулевым потенциалом. Пусть для определённости U2 >U1 . Пусть элек-

трон движется слева, а вектор скорости у него параллелен оси. Как видно из рисунка, на электрон

uur

действует сила K , отклоняющая его траекторию к оси. После прохождения середины зазора радиальная компонента силы изменяет знак, действующая сила стремится отклонить электрон от оси.

Если теперь рассмотреть конечный результат действия системы рис. 11 на частицу, то окажется, что в целом эта система является фокусирующей, т. е. траектория электрона пересечёт ось системы в некоторой точке F2. Аналогичным образом можно рассмотреть движение электрона с противоположной стороны системы. Окажется, что и для этой частицы система является в целом фокусирующей с точкой фокуса F1. Это обстоятельство связано с тем фактом, что в области фокусировки электрон обладает меньшей скоростью (т. е. проводит больше времени), чем в области дефокусировки. Соответственно в целом получаем фокусирующий эффект. Заметим, что точки F1 и F2 оказываются на разных расстояниях от центра зазора, так как есть различие потенциала (показателя преломления) с обеих сторон линзы. В оптике подобный случай возникает при применении иммерсионных систем21.

Если в геометрии рис. 11 рассматривать движение не одиночной частицы, а целого пучка заряженных частиц, занимающих область от оси до некоторого радиуса, то окажется, что в паракси-

Рис. 11. Пример иммерсионной линзы, образованной двумя коаксиальными поверхностями, имеющими разный потенциал. Электронные траектории, проходящие параллельно оптической оси, пересекают её в фокальных точках F1 и F2

21 Иммерсионная система – оптическая система, в которой пространство между объектом наблюдения и фронтальной линзой заполнено жидкостью. Поскольку показатель преломления жидкостей больше единицы, то в такой системе повышается числовая апертура. Обычно применяется в микроскопии.

67

www.phys.nsu.ru

альном приближении все частицы пучка будут пересекать ось системы в одной и той же фокальной точке. Произойдёт фокусировка пучка заряженных частиц подобно тому, как это происходит в оптике с широким лучом света. Причиной этого является то, что величина радиальной компоненты силы, действующей на частицу, линейно пропорциональна радиусу, на котором эта частица находится. В реальных системах есть аберрации, связанные как с нарушением условия параксиальности, так и с конечным пространственным зарядом электронного пучка. Более детальное и строгое рассмотрение фокусировки в электронно-оптических системах выходит за рамки данного пособия, оно подробно изложено, например, в [1].

Конструкция типичной осциллографической ЭЛТ

Осциллографическая электронно-лучевая трубка представляет собой прибор, в котором происходит преобразование кинетической энергии перемещающегося потока ускоренных электронов в видимое изображение за счёт люминесценции специального экрана. Существует большое количество разновидностей электронно-лучевых трубок, различающихся по назначению и области применения. Например: в классической радиолокации применяются трубки с радиальной развёрткой, для наблюдения однократных импульсных процессов используются запоминающие трубки (потенциалоскопы), в цветном телевидении ЭЛТ содержит три независимых электронных пушки с общей системой отклонения лучей, трубки для регистрации особо высокочастотных сигналов имеют в своей конструкции замедляющие СВЧ-структуры, и т. п.

Упрощённо структура простой электронно-лучевой трубки представлена на рис.12 (более подробно см. [6]). Вся электронно-оптическая конструкция собрана внутри стеклянной колбы, которая откачана до высокого вакуума. Для повышения долговечности ЭЛТ обычно внутрь колбы помещается активный элемент, поглощающий остаточные газы (геттер). Условно конструкцию можно разделить на следующие основные узлы: электронный прожектор (электронная пушка) с системой формирующих электронный луч электродов, отклоняющая система, дрейфовый промежуток, экран.

Рис. 12. Типичная конструкция однолучевой осциллографической ЭЛТ с электростатическими фокусирующей и отклоняющей системами: 1 – нить накала; 2 – катод; 3 – модулятор; 4 и 5 – первый и второй аноды; 6 – пластины горизонтального отклонения; 7 – пластины вертикального отклонения; 8 – колба ЭЛТ; 9 – экран. Электродная система пушки приведена условно и в увеличенном масштабе, часть элементов (например, геттер и токопроводящее покрытие люминофора) не показаны

68

www.phys.nsu.ru

В соответствии с принятыми в СССР правилами все выпущенные тогда ЭЛТ получали обозначение, дающее грубое представление о назначении и параметрах устройства. Например, тип используемой в лабораторной работе электронно-лучевой трубки 8ЛО4И расшифровывается следующим образом:

8 – диагональ (или диаметр) трубки в сантиметрах; Л – класс электронно-лучевых приборов; О – подкласс осциллографических трубок;

4 – порядковый номер разработки данного изделия среди устройств той же категории (8ЛО); И – жёлто-зелёный цвет свечения люминофора.

Существует довольно чёткое разграничение между ЭЛТ разного назначения по способу управления фокусировкой и положением луча на экране (развёрткой). В осциллографических ЭЛТ и фокусировка, и отклонение луча производятся при помощи электрического поля. В больших телевизионных трубках и в устройствах типа электронного микроскопа обычно фокусировка и отклонение луча производятся при помощи магнитного поля. Сравнивая два способа отклонения, можно отметить следующее: электростатическое отклонение является более быстродействующим,

потребляет меньше энергии, однако удвоенный угол отклонения луча не превышает 30°. Поэтому осциллографические трубки имеют обычно длину, много большую диаметра экрана. Системы отклонения луча магнитным полем более низкочастотны (есть индуктивность катушек), однако позволяют получать удвоенный угол отклонения до 110°, что делает телевизоры с большим экраном гораздо более компактными. Ещё одно достаточно важное отличие является конструктивным: обычно электроды электростатических систем отклонения и фокусировки находятся в вакууме, внутри колбы ЭЛТ, в то время как катушки систем магнитного управления могут размещаться и снаружи, что упрощает конструкцию трубки. Далее будет рассматриваться конструкция ЭЛТ с электростатическим управлением.

Электронный прожектор и формирование электронного луча

В этом узле ЭЛТ происходит формирование электронного луча, управление его интенсивностью и фокусировка в плоскости экрана. В отличие от телевизоров, в осциллографах обычно яркость электронного луча при его движении по экрану остаётся постоянной, т. е. изменение интенсивности луча производится исключительно для получения удобной для оператора яркости изображения (которая может зависеть от параметров сигнала и частоты развёртки).

Обычно электронно-оптическая система состоит из катода, который эмитирует электроны, и системы электродов, формирующих требуемое распределение электрического поля по пути следования луча.

Испускание электронов катодом происходит за счёт термоэмиссии. Для её появления катод требуется нагреть до высокой температуры. Обычно используется схема непрямого накала, т. е. первоначально нагревается не катод (обычно имеющий форму тонкой трубочки), а расположенный внутри трубочки нагреватель (нить накала). Такая конструкция даёт более стабильные ре-

69

www.phys.nsu.ru

зультаты и менее подвержена модуляции электронного тока при питании нити накала переменным током (за счёт тепловой инерции). Обычно катод ЭЛТ заземлён (потенциал равен нулю или близок к нему). Для катода используются материалы, имеющие небольшую работу выхода электронов. В начале XX в. Венельтом были изобретены оксидные катоды, разновидности которых применяются и до настоящего времени.

Требуется сделать небольшой комментарий по поводу вакуумных условий внутри колбы ЭЛТ. Есть простой и очевидный критерий, который обязан выполняться: длина свободного пробега электрона в остаточном газе должна быть много больше, чем длина трубки. При нарушении этого критерия электроны луча просто не попадут в расчётную точку, так как рассеются при пролёте дрейфового промежутка. Второе, не менее очевидное, условие требует поддерживать вакуум на достаточно высоком уровне для того, чтобы не происходило электрического пробоя между электродами трубки, часть из которых находится под высоким потенциалом. Однако же реальным, наиболее сильным, ограничением на рабочий вакуум является требование длительной работы катода ЭЛТ. При столкновении ускоренных электронов луча с атомами остаточного газа происходит ионизация этих атомов (тот же самый процесс, благодаря которому образуются ионы в массспектрографе, лабораторная работа 4.1). Далее ионы остаточного газа начинают движение в электрических полях, существующих внутри ЭЛТ. Поскольку образуются ионы с положительным зарядом, то происходит их ускорение вплоть до полной энергии в направлении катода. В результате ионной бомбардировки поверхность катода постепенно деградирует, а ток эмиссии падает. Этот процесс ограничивает срок службы ЭЛТ.

Ток электронного пучка и, тем самым, яркость свечения экрана можно регулировать двумя способами. Первый способ очевиден: при изменении температуры катода изменяется ток термоэмиссии. Этот способ, однако, не применяется, поскольку обладает большой инерционностью и приводит к изменению размеров и положения электродов при изменении температуры (эффект теплового расширения). В современных системах температура катода поддерживается постоянной, а сила тока луча регулируется специальным модулирующим электродом, на который подаётся небольшой отрицательный потенциал по отношению к катоду. Обычно моделирующий электрод, помимо управления током электронного луча, выполняет ещё и функцию первой линзы, формирующей промежуточное уменьшенное изображение катода. Принцип работы модулирующего электрода будет обсуждаться несколько позднее.

Рассмотрим устройство и работу системы формирования электронного луча на примере конструкции, изображённой на рис. 13. Электродная система состоит из трёх электродов: катода, находящегося под нулевым потенциалом; модулирующего электрода, на который подано небольшое отрицательное напряжение относительно катода; а также первого анода, который имеет большой положительный потенциал. По рисунку видно, что в результате «провисания» эквипотенциальных поверхностей внутрь круглых диафрагм в области формирования электронного луча создадутся условия для фокусировки электронного пучка. В данном случае изображение катода формируется в плоскости ab. На рисунке приведены семейства траекторий, образованных электронами, направ-

70