Отклонение луча в осциллографических трубках

 

Если поданы напряжения на все электроды электронной пушки ЭЛТ, то луч сформирован и виден в виде светящейся точки в центре экрана. Чтобы луч двигался по экрану, необходимо подать напряжение на обе пары отклоняющих пластин.

Осциллографические трубки применяются для анализа формы сигнала (напряжения или тока), т.е. для получения графика изменения измеряемой величины во времени. Для этого исследуемое напряжение прикладывается к одной паре пластин (обычно Y), а к другой паре X прикладывается напряжение пилообразной формы, называемое напряжением развертки (рис. 4.15).

Рис. 4.15 – Принцип получения осциллограмм

 

При подаче пилообразного напряжения на пластины, отклоняющие по оси Х, луч из центра резко перемещается на край экрана (точка а). Напряжение развертки линейно зависит от времени, и под действием этого напряжения пятно равномерно перемещается по экрану вдоль оси до точки С. Потом напряжение скачком меняется с положительного на отрицательное от точки с до точки а`, и луч скачком возвращается в точку а. При подаче только напряжения развертки на экране видна прямая линия. Теперь дополнительно подадим напряжение на пластины, отклоняющие по Y. Пусть это будет измеряемое синусоидальное напряжение.

В нулевой момент времени по Х луч смещен в точку а, а по Y напряжение равно нулю, луч на экране в точке а. За время от t₀ до t₁ по Х луч равномерно перемещается к центру, а по Y напряжение меняется до амплитудного, выписывая 1/4 синусоиды.

За время от t₁ до t₂ по Х луч равномерно перемещается до точки 0, а по Y напряжение падает от амплитудного до нуля. Точно также записывается отрицательный полупериод синусоиды. При подаче показанных сигналов во времени на экране увидим один полный период синусоиды измеряемого напряжения. Если по Х развертку не менять во времени, а период синусоиды уменьшить в 2 раза, то и на экране увидим 2 периода синусоиды.

Экран

На стекло наносится люминофор, а на люминофор – слой алюминия.

Слой люминофора (светосостав) преобразует кинетическую энергию электронов луча в энергию излучения в видимом диапазоне длин волн. Свечение люминофора – катодолюминесценция, экран – люминесцирующий.

 

Рис. 4.16 – Энергетическая диаграмма

 

Явление свечения катодолюминофора объясняется переходом возбужденных электронов с более высокого энергетического уровня на один из разрешенных низших уровней (рис. 4.16). При этом выделяется квант света.

Внутри запрещенной зоны (W₀ » 2эВ) имеются локальные разрешенные уровни, возникшие за счет примесей и дефектов. Катодолюминофоры близки к примесным полупроводникам, но являются хорошими диэлектриками.

Электроны луча (e_L) имеют большую энергию (~10¸25 кЭВ), бомбардируют люмирофор и уходят вглубь кристалла. При этом электроны по пути отдают свою энергию,

Однако большую ее часть они отдают в конце пути, поскольку имеют малую скорость. Электроны в валентной зоне, получившие энергию от первичных электронов луча, могут быть переброшены из валентной зоны в зону проводимости (1–2; 7–8) или из валентной зоны в вакуум (3–4).Если в этом случае электрон вышел из кристалла, наблюдается вторичная эмиссия. Электроны, оставшиеся в зоне проводимости, повышают электропроводность кристаллов. Это явление – возбужденная проводимость. Покидают люминофор некоторые электроны, а остальные остаются в зоне проводимости, вызывая новые акты возбуждения и выход третичных электронов. Электроны, не вышедшие из кристалла, но оказавшиеся в зоне проводимости, быстро переходят на свободные нижние уровни (переходы 2–5; 8–9). У этих электронов есть две возможности для рекомбинации с дыркой (переход в валентную зону или на локальный уровень (5–6). Переход первый маловероятен. Более вероятен второй – с выделением кванта света. Поскольку примесных уровней много, спектр излучения – полоса (тепловые колебания размывают спектр).

Рассмотренный механизм катодолюминесценции, казалось бы, не зависит от параметров пучка электронов, а определяется люминофором.

Переходы 1–2–5–6 протекают быстро, поэтому разгорание и затухание свечения люминофора должно происходить мгновенно. Однако затухание иногда растягивается на минуты (послесвечение). Электроны задерживаются в электронных ловушках - дефектах кристаллической решетки (7–8–9–10–11–12).

 

Требование к люминофору:

1) высокая эффективность преобразования энергии электронов в световое излучение (КПД» 20%);

2) определенный цвет свечения;

3) высокая физико-химическая стойкость;

4) важна вторичная электронная эмиссия (уносит заряд);

5) термостойкость – сохранение свойств.

 

Параметры экрана:

1) световая отдача;

2) яркость свечения;

3) разрешающая способность;

4) длительность послесвечения;

5) потенциал экрана;

6) яркость изображения.

Световая отдача () – это отношение силы света, излучаемого в направлении, перпендикулярном поверхности экрана (измеряемой в канделах), к мощности электронного луча:

кд/Вт.

 

h 4         5 20 Ua (кВ)   Рис. 4.17 – Изменение световой отдачи от ускоряющего напряжения

Яркость свечения (В) – сила света, излучаемого с 1 м² равномерно светящейся поверхности в направлении наблюдателя. Измеряется в кд/ м².

 

где = const характеризует люми-

нофор;

– плотность тока электрон-

ного луча;

– ускоряющее напряжение;

– минимальное ускоряющее напряжение, при котором появляется свечение;

– зависит от люминофора ( =1¸2,5).

Чем выше разрешающая способность, тем больше количество информации, воспроизведенной на экране. Оценивается числом отдельно различимых светящихся точек на 1 см² площади экрана и числом строк, приходящихся на 1 см экрана либо на всю высоту рабочей поверхности экрана. Для высокой разрешающей способности нужен тонкий, хорошо сфокусированный луч, малая зернистость экрана.

Длительность послесвечения определяется(луча нет, а люминофор светится) временем свечения после выключения луча до момента, когда яркость свечения упала в 100 раз (от десятков микросекунд до нескольких секунд для разных люминофоров).

 

Потенциал экрана

При бомбардировке экрана (а он диэлектрик) электронами луча, которые имеют энергию в несколько кэВ, наблюдается вторичная эмиссия электронов.

Энергия электронов, бомбардирующих экран, соответствует потенциалу . От величины коэффициента вторичной эмиссии зависит потенциал экрана (рис. 4.18). Если < 1, под лучом скапливаются электроны, экран заряжается отрицательно, достигает потенциала катода и отталкивает электроны луча.

s       б с 1 а d   ~300В ~35кВ Uа2   Рис. 4.18 – Изменение коэффициента вторичной эмиссии s от потенциала А2

При этих условиях экран не светится. Наблюдаются две области: а-б при U_a2<300 В и с-d при U_a2>35 кВ. U_a2 » 300 В называют мертвым потенциалом.

Если напряжение на втором аноде меняется от б к с и , то под лучом экран заряжается почти до потенциала и экран под действием луча светится.

Важно отвести вторичные электроны от поверхности экрана. Они могут возвращаться на экран, образуя отрицательный потенциал, что приводит к снижению скорости первичных электронов, а соответственно и яркости свечения.

Широкое распространение получили алюминированные экраны. В приборах этого типа на слой люминофора наносится тонкая пленка (примерно 1 мкм) алюминия, которая обычно соединяется со вторым анодом. В результате:

1) потенциал экрана всегда равен и не зависит от ;

2) повышается светоотдача из-за отражения светового потока от пленки;

3) возрастает контрастность изображения из-за уменьшения засветки экрана рассеянным светом изнутри;

4) люминофор более долговечен, поскольку на него не попадают отрицательные ионы (они не могут пройти сквозь алюминиевую пленку из-за большой массы).

В трубках с большой скоростью движения луча по экрану для сохранения достаточной яркости необходимо увеличивать энергию электронов или потенциал второго анода. Однако при этом пропорционально уменьшается чувствительность к отклонению. Поэтому в современных высокочастотных ЭЛТ электронам придается большая скорость лишь после того, как они пройдут отклоняющую систему. При этом сохраняется высокая чувствительность и достигается требуемая яркость при большой скорости развертки. Это трубки с послеускорением. На раструбе этих трубок из аквадага нанесен кольцевой проводящий слой, который имеет отдельный высоковольтный вывод. Это третий анод, на который подается напряжение в 2¸2,5 раза больше, чем на второй анод. Уже отклоненный луч проходит в поле и ускоряется, обеспечивая более высокую яркость луча на экране.

Роль :

1) повышается яркость экрана;

2) повышается разрешающая способность;

3) увеличивается скорость записи сигнала;

4) улучшается фокусировка;

5) чувствительность к отклонению не изменяется.

 

Осциллографические трубки

Осциллографическая трубка – одно-, двух- или многолучевой прибор, предназначенный для наблюдения или регистрации изменений во времени быстропротекающих процессов (частотой до 400 МГц, причем необходимо достаточно точно измерять амплитудные и фазовые характеристики сигналов).

Необходима высокая разрешающая способность (число отдельных разрешимых линий, укладывающихся на 1 см экрана или на весь экран): до 2¸2,5 тысяч строк на экране.

Поэтому требуется луч, диаметром не более 0,5 мм. Чем меньше ток луча и выше ускоряющее напряжение, тем выше разрешающая способность.

Чем крупнее зерна люминофора, тем меньше разрешающая способность.

ЭЛТ должна обеспечивать большую скорость записи. Скажем, надо развернуть один период на весь экран. При f=10 МГц и при длине развертки 10 см скорость записи составит:

м/с.

Повысить скорость записи можно, увеличивая яркость свечения () или используя более эффективный люминофор.

Необходимо анализировать сигналы с малыми амплитудами (надо получить большую чувствительность к отклонению).

Обычно в осциллографах по оси Х осуществляется развертка во времени. Электронный луч, пробегая с постоянной скоростью по экрану, быстро возвращается в исходную точку (на время обратного пробега луч запирают по модулятору).

Дно колбы трубки делают плоским (сохраняется линейность). Форма колбы трубки позволяет поглощать отраженный внутри трубки свет. Боковые стенки колбы покрывают внутри проводящим слоем графита (аквадаг):

1) для улавливания вторичных электронов с экрана;

2) для улавливания электронов луча, если он рассеян;

3) для предохранения луча от внешних электрических полей;

4) для поглощения света с экрана, идущего внутрь колбы.

В большинстве трубок используется электростатическая фокусировка, собранная по двухлинзовой системе.

Ток луча примерно равен 100¸500 мкА.

Применяют обычно электростатическое отклонение.

Цвет экрана – зеленый или желто-зеленый для фотографирования.

 

Радиолокационные трубки

Принципиально не отличаются от ЭЛТ. Обычно работают в режиме яркостной отметки. Луч разворачивается постоянно (обычно по круговой развертке), одновременно при круговой развертке отклоняется в радиальном направлении. При отсутствии сигнала луч заперт отрицательным напряжением модулятора. Приходящий (отраженный от цели) сигнал подводится к модулятору, отпирая луч. На экране появляется светящееся пятно. Положение его на экране определяет координаты лоцируемой цели.

Чем меньше размер пятна и чем точнее координаты пятна соответствуют координатам цели, тем точнее положение цели. Необходима:

1) высокая разрешающая способность;

2) высокая яркость;

3) экран с длительным послесвечением.

Поэтому трубки имеют:

1) высокие ускоряющие напряжения;

2) магнитную фокусировку;

3) магнитную отклоняющую систему.

Находят применение трубки с записью темной трассой – скиатроны. Эти трубки имеют экраны, покрытые солями калия, обладающие очень длительным временем сохранения темного следа электронного луча (несколько дней и даже месяцев). По мере надобности след необходимо стирать. Обесцвечивание экрана достигается кратковременным прогревом путем пропускания электрического тока через прозрачный проводящий слой, служащий подложкой для слоя хлористого калия.

 

Дисплей

Для изображения знаков на экране ЭЛТ применяется матричный метод генерации знаков. Дисплей снабжен матричным знакогенератором, который преобразует код символа (т.е. изображение буквы, цифры) на клавише в определенную последовательность электрических сигналов. Эти сигналы поступают в схемы управления работой ЭЛТ. Блок развертки обеспечивает движение луча по экрану. Символ на экране ЭЛТ состоит из набора светящихся точек.

Дисплеи могут быть текстовыми и графическими. Количество символов составляет 500¸4000.

Появились цветные дисплеи. У нас чаще для дисплеев применяют кинескопы (и цветные тоже).

Существуют ЭЛТ, в которых для генерации различных цветов используется один электронный луч. Экран при этом изготовлен в виде «бутерброда» из нескольких слоев люминофора. Луч в зависимости от энергии вызывает свечение одного из слоев.