После отклоняющей системы электроны попадают на экран ЭЛТ. Экран представляет тонкий слой люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхность торцевой части баллона и способного интенсивно светиться при бомбардировке электронами.
В ряде случаев поверх слоя люминофора наносится проводящий тонкий слой алюминия. Свойства экрана определяются его
характеристиками и параметрами. К основным параметрам экранов относятся: первый и второй критические потенциалы экрана , яркость свечения , световая отдача , длительность послесвечения.
Потенциал экрана. При бомбардировке экрана потоком электронов с его поверхности возникает вторичная электронная эмиссия. Для отвода вторичных электронов стенки баллона трубки вблизи экрана покрываются проводящим графитовым слоем, который соединяется со вторым анодом. Если этого не делать, то вторичные электроны, возвращаясь на экран, вместе с первичными будут понижать его потенциал. В этом случае в пространстве между экраном и вторым анодом создается тормозящее электрическое поле, которое будет отражать электроны луча. Таким образом, для устранения тормозящего поля от поверхности непроводящего экрана необходимо отводить электрический заряд, переносимый электронным лучом. Практически единственным путем компенсации заряда является использование вторичной эмиссии. При падении электронов на экран их кинетическая энергия преобразуется в энергию свечения экрана, идет на его нагрев и вызывает вторичную эмиссию. Величина коэффициента вторичной эмиссии о определяет потенциал экрана. Коэффициент вторичной эмиссии электронов а = / в // л (/„ - ток вторичных электронов, / л - ток луча, или ток первичных электронов) с поверхности экрана в широком диапазоне изменения энергии первичных электронов превышает единицу (рис. 12.8, о < 1 на участке О А кривой при V < С/ кр1 и при 15 > С/ кр2).
При и < (У кр1 число уходящих-от экрана вторичных электронов меньше числа первичных, что приводит к накоплению отрицательного заряда на экране, формированию тормозящего поля для электронов луча в пространстве между вторым анодом и экраном и их отражению; свечение экрана отсутствует. Потенциал и л2 = Г/ крР соответствующий точке А на рис. 12.8, называется первым критическим потенциалом.
При С/ а2 = £/ кр1 потенциал экрана близок к нулю.
Если энергия пучка становится больше е£/ кр1 , то о > 1 и экран начинает заряжаться поло-
Рис. 12.8
жительно относительно последнего анода прожектора. Процесс продолжается до тех пор, пока потенциал экрана не станет приблизительно равным потенциалу второго анода. Это означает, что число уходящих с экрана электронов равно числу падающих. В диапазоне изменения энергии пучка от е£/ кр1 до С/ кр2 с > 1 и потенциал экрана достаточно близок к потенциалу анода прожектора. При и &2 > Н кр2 коэффициент вторичной эмиссии а < 1. Потенциал экрана вновь снижается, и у экрана начинает формироваться тормозящее для электронов луча поле. Потенциал и кр2 (соответствует точке В на рис. 12.8) называют вторым критическим потенциалом или предельным потенциалом.
При энергиях электронного луча выше е11 кр2 яркость свечения экрана не увеличивается. Для различных экранов Г/ кр1 = = 300...500 В, и кр2 = 5...40 кВ.
При необходимости получения больших яркостей потенциал экрана с помощью проводящего покрытия принудительно поддерживают равным потенциалу последнего электрода прожектора. Проводящее покрытие электрически соединено с этим электродом.
Светоотдача. Это параметр, который определяет отношение силы света J cв, излучаемого люминофором нормально поверхности экрана, к мощности электронного луча Р эл, падающего на экран:
Светоотдача ц определяет КПД люминофора. Не вся кинетическая энергия первичных электронов превращается в энергию видимого излучения, часть идет на нагревание экрана, вторичную эмиссию электронов и на излучение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Светоотдачу измеряют в канделах на ватт: для различных экранов она изменяется в пределах 0,1... 15 кд/Вт. При малых скоростях электронов свечение возникает в поверхностном слое и часть света поглощается люминофором. С увеличением энергии электронов светоотдача возрастает. Однако при очень больших скоростях многие электроны пробивают слой люминофора, не производя возбуждения, и происходит снижение светоотдачи.
Яркость свечения. Это параметр, который определяется силой света, излучаемого в направлении наблюдателя одним квадратным метром равномерно светящейся поверхности. Яркость измеряют в кд/м 2 . Она зависит от свойств люминофора (характеризуется коэффициентом А), плотности тока электронного луча у, разности потенциалов между катодом и экраном II и минимального потенциала экрана 11 0 , при котором еще наблюдается люминесценция экрана. Яркость свечения подчиняется закону
Значения показателя степени п у потенциала £/ 0 для разных люминофоров изменяются в пределах соответственно 1...2,5 и
30...300 В. На практике линейный характер зависимости яркости от плотности тока у сохраняется примерно до 100 мкА/см 2 . При больших плотностях тока люминофор начинает нагреваться и выгорать. Основной способ повышения яркости - увеличение и.
Разрешающая способность. Этот важный параметр определяется как свойство ЭЛТ воспроизводить детали изображения. Разрешающая способность оценивается числом отдельно различимых светящихся точек или линий (строк), приходящихся соответственно на 1 см 2 поверхности или на 1 см высоты экрана, либо на всю высоту рабочей поверхности экрана. Следовательно, для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать диаметр луча, т. е. требуется хорошо сфокусированный тонкий луч диаметром в десятые доли мм. Разрешающая способность тем выше, чем меньше ток луча и больше ускоряющее напряжение. В этом случае реализуется наилучшая фокусировка. Разрешающая способность также зависит от качества люминофора (крупные зерна люминофора рассеивают свет) и наличия ореолов, возникающих из-за полного внутреннего отражения в стеклянной части экрана.
Длительность послесвечения. Время, в течение которого яркость свечения уменьшается до 1% от максимального значения, называется временем послесвечения экрана. Все экраны разделяются на экраны с очень коротким (менее 10 5 с), коротким (10“ 5 ...10“ 2 с), средним (10 2 ...10 1 с), длительным (10 Ч.Лб с) и очень длительным (более 16 с) послесвечением. Трубки с коротким и очень коротким послесвечением широко применяются при осциллографировании, а со средним послесвечением - в телевидении. В радиолокационных индикаторах обычно используются трубки с длительным послесвечением.
В радиолокационных трубках часто применяют длительно светящиеся экраны, имеющие двухслойное покрытие. Первый слой люминофора - с коротким послесвечением синего цвета - возбуждается электронным лучом, а второй - с желтым цветом свечения и длительным послесвечением - возбуждается светом первого слоя. В таких экранах удается получить послесвечение до нескольких минут.
Типы экранов. Очень большое значение имеет цвет свечения люминофора. В осциллографической технике при визуальном наблюдении экрана используются ЭЛТ с зеленым свечением, наименее утомительным для глаза. Таким цветом свечения обладает ортосиликат цинка, активированный марганцем (вилле- мит). Для фотографирования предпочтительны экраны с синим цветом свечения, свойственным вольфрамату кальция. В приемных телевизионных трубках с черно-белым изображением стараются получить белый цвет, для чего применяются люминофоры из двух компонентов: синего и желтого.
Для изготовления покрытий экранов широко применяют также следующие люминофоры: сульфиды цинка и кадмия, силикаты цинка и магния, окислы и оксисульфиды редкоземельных элементов. Люминофоры на основе редкоземельных элементов обладают целым рядом достоинств: они более стойки к различным воздействиям, чем сульфидные, достаточно эффективны, имеют более узкую спектральную полосу излучения, что особенно важно в производстве цветных кинескопов, где необходима высокая чистота цвета и т. д. В качестве примера можно привести сравнительно широко используемый люминофор на основе окисла иттрия, активированного европием У 2 0 3: Ей. Этот люминофор имеет узкую полосу излучения в красной области спектра. Хорошими характеристиками обладает также люминофор, состоящий из оксисульфида иттрия с примесью европия У 2 0 3 8: Ей, который имеет максимум интенсивности излучения в красно-оранжевой области видимого участка спектра и лучшую химическую стойкость, чем У 2 0 3: Еи-люминофор.
Алюминий химически инертен при взаимодействии с люминофорами экранов, легко наносится на поверхность испарением в вакууме и хорошо отражает свет. К недостаткам алюминированных экранов можно отнести то, что алюминиевая пленка поглощает и рассеивает электроны с энергией меньше 6 кэВ, поэтому в этих случаях светоотдача резко падает. Например, светоотдача алюминированного экрана при энергии электронов в 10 кэВ примерно на 60% больше, чем при 5 кэВ. Экраны трубок имеют прямоугольную или круглую форму.
Студент должен знать : структурную схему осциллографа; назначение основных блоков осциллографа; устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки; принцип действия генератора развертки (пилообразного напряжения), сложение взаимно перпендикулярных колебаний.
Студент должен уметь : определять опытным путем цену деления по горизонтали и по вертикали, измерять величину постоянного напряжения, период, частоту и амплитуду переменного напряжения.
Электронный осциллограф является универсальным прибором, позволяющим следить за быстропротекающими электрическими процессами (длительностью до 10 -12 с). С помощью осциллографа можно измерить напряжение, силу тока, промежутки времени, определять фазу и частоту переменного тока.
Т.к. в функционирующих нервах и мышцах живых организмов возникают разности потенциалов, то электронный осциллограф, или его модификации широко применяют в биологических и медицинских исследованиях работы различных органов, сердца, нервной системы, глаз, желудка и т.д.
Прибор можно использовать для наблюдения и измерения неэлектрических величин, если применять специальные первичные преобразователи.
В осциллографе нет движущихся механических частей (см. рис. 1), а происходит отклонение электронного пучка в электрическом или магнитном полях. Узкий пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом, вызывает его свечение в этой точке. При перемещении пучка электронов можно следить за ним по движению светящейся точки на экране.
Электронный луч «следит» за изменением изучаемого электрического поля не отставая от него, т.к. электронный луч является практически безинерционным.
Рис. 1. Рис. 2.
Структура электронно-лучевой трубки Катод и модулятор
В этом большое достоинство электронного осциллографа по сравнению с другими регистрирующими приборами.
Современный электронный осциллограф имеет следующие основные узлы: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, усилители, блок питания.
Рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим управлением электронным лучом.
ЭЛТ, схематически изображенная на рис. 1, представляет собой стеклянную колбу специальной формы, в которой создан высокий вакуум (порядка 10 -7 мм рт.ст.). Внутри колбы расположены электроды, выполняющие функцию электронной пушки для получения узкого пучка электронов; отклоняющие луч пластины и экран, покрытый слоем люминофора.
Электронная пушка состоит из катода 1, управляющего (модулирующего) электрода 2, дополнительного, экранирующего электрода 3 и первого и второго анодов 4, 5.
Подогревной катод 1 выполнен в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится нить накала, имеет слой оксида на передней торцевой части с малой работой выхода электронов для получения электронов (рис. 2).
Катод находится внутри управляющего электрода или модулятора, представляющего собой металлический стакан с отверстием в торце, через которое могут проходить электроны. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода и, изменяя величину этого потенциала, можно регулировать интенсивность потока электронов, проходящих через его отверстие и тем самым изменять яркость свечения экрана. Одновременно электрическое поле между катодом и модулятором фокусирует пучок электронов (рис. 2).
Экранирующий электрод 3 имеет потенциал немного выше потенциала катода и служит для облегчения выхода электронов, исключения взаимодействия электрических полей управляющего электрода 2 и первого анода 4.
Дополнительная фокусировка и ускорение электронов происходит электрическим полем между первым и вторым анодами, образующими электронную линзу. Аноды эти выполнены в виде цилиндров с диафрагмами внутри. На первый анод 4 подается положительный потенциал по отношению к катоду порядка сотен вольт, на второй 5 порядка тысячи вольт. Линии напряженности электрического поля между этими анодами представлены на рис.3.
Электростатическим управлением
Рассмотрим устройство ЭЛТ с электростатическим управлением (рис.2.12.):
Рис 2.12. Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением.
В состав простейшей электронной пушки входят: катод, управляющий электрод, первый и второй аноды.
Катод предназначен для создания потока электронов. Обычно в ЭЛТ применяется оксидный подогревный катод, изготовленный в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится подогреватель. Активный слой наносится на дно цилиндра. Таким образом, катод имеет плоскую излучающую поверхность и электроны излучаются узким лучом в направлении экрана. Вывод катода обычно присоединяется внутри баллона к одному из концов нити накала.
Управляющий электрод , или модулятор, предназначен для регулировки яркости светящегося пятна на экране. Выполнен управляющий электрод в виде никелевого цилиндра, окружающего катод. В цилиндре выполнено отверстие (диафрагма), сквозь которое проходят электроны, излучаемые катодом.
На управляющий электрод подается небольшое отрицательное напряжение относительно катода. Изменяя это напряжение, можно регулировать величину тока луча и, следовательно, изменять яркость светящегося пятна на экране трубки.
Первый анод представляет собой цилиндр с двумя или тремя диафрагмами.
Влияние управляющего электрода и первого анода на ток луча аналогично влиянию управляющей сетки и анода на анодный ток в электронных лампах.
Второй анод выполнен также в виде цилиндра, но несколько большего диаметра, чем первый. Этот анод обычно имеет одну диафрагму.
К первому аноду подводится напряжение порядка 300-1000В (относительно катода). На второй анод подается более высокое напряжение (1000-16000 В ).
Рассмотрим принцип работы трубки. Накаленный катод излучает электроны. Под действием электрического поля, имеющегося между первым анодом и катодом, электроны получают ускорение и пролетают через диафрагмы в первом аноде. Из первого анода электроны выходят в виде узкого расходящегося луча.
Электрическое поле между первым и вторым анодами называется фокусирующим. Оно изменяет траекторию электронов так, что при выходе из второго анода электроны двигаются, приближаясь к оси трубки. В пространстве между вторым анодом и экраном электроны движутся по инерции за счет энергии, приобретенной в ускоряющих полях электронной пушки.
Изменением потенциала первого анода можно регулировать напряженность фокусирующего поля таким образом, чтобы траектории всех электронов пересекались на экране. При падении электронов на экраних кинетическая энергия частично превращается в световую, за счет чего на экране получается светящаяся точка (пятно).
Падающие на экран электроны выбивают из материала экрана вторичные электроны, которые улавливаются проводящим графитовым слоем (аквадагом ), нанесенным на внутреннюю поверхность баллона. Кроме того, аквадаг играет роль электростатического экрана и предохраняет электронный поток трубки от воздействия внешних электрических полей, так как он соединен со вторым анодом трубки и вместе с ним заземлен.
Диафрагмы внутри анодов способствуют сужению луча электронов, так как они перехватывают электроны, сильно отклонившиеся от оси трубки.
Две пары отклоняющих пластин при подаче на них управляющих (модулирующих) напряжений обеспечивают возникновение между соответствующими пластинами Х-Х и У-У разности потенциалов, управляющих перемещением сфокусированного электронного луча в нужную точку экрана для получения требуемого изображения. При воздействии на этот поток двух модулирующих напряжений одновременно можно добиться отклонения электронного луча в любую точку рабочей поверхности экрана.
Вывод: достоинством ЭЛТ с электростатическим управлением является то, что в них затраты мощности на управление лучом невелики, схема управления отклонением электронного луча значительно проще, чем в ЭЛТ с магнитным управлением. Величина отклонения луча в трубках данного типа практически не зависит от частоты отклоняющего напряжения.
Пожалуй, нет такого человека, который бы в своей жизни не сталкивался с приборами, в конструкцию которых входит электронно-лучевая трубка (или ЭЛТ). Сейчас подобные решения активно вытесняются своими более современными аналогами на основе жидкокристаллических экранов (ЖК). Однако существует ряд областей, в которых электронно-лучевая трубка по-прежнему является незаменимой. Например, в высокоточных осциллографах ЖК использовать нельзя. Тем не менее, очевидно одно - прогресс устройств отображения информации в конечном итоге приведет к полному отказу от ЭЛТ. Это вопрос времени.
История появления
Первооткрывателем можно считать Ю. Плюккера, который в 1859 году, изучая поведение металлов при различных внешних воздействиях, обнаружил явление излучения (эмиссии) элементарных частиц - электронов. Формируемые пучки частиц получили название катодных лучей. Также он обратил внимание на возникновение видимого свечения некоторых веществ (люминофор) при попадании на них электронных лучей. Современная электронно-лучевая трубка способна создавать изображение именно благодаря этим двум открытиям.
Через 20 лет опытным путем было установлено, что направлением движения излучаемых электронов можно управлять воздействием внешнего магнитного поля. Это легко объяснить, если вспомнить, что перемещающиеся носители отрицательного заряда характеризуются магнитным и электрическим полями.
В 1895 году К. Ф. Браун доработал систему управления в трубке и тем самым сумел менять вектор направленности потока частиц не только полем, но и особым зеркалом, способным вращаться, что открыло совершенно новые перспективы использования изобретения. В 1903 году Венельт разместил внутри трубки катод-электрод в виде цилиндра, что дало возможность управлять интенсивностью излучаемого потока.
В 1905 году Эйнштейн сформулировал уравнения расчета фотоэффекта и через 6 лет было продемонстрировано работающее устройство передачи изображений на расстояния. Управление лучом осуществлялось а за величину яркости отвечал конденсатор.
Во время начала производства первых моделей ЭЛТ промышленность была не готова создавать экраны с большим размером диагонали, поэтому в качестве компромисса применялись увеличительные линзы.
Устройство электронно-лучевой трубки
С тех пор устройство было доработано, однако изменения носят эволюционный характер, так как ничего принципиально нового в ход работы добавлено не было.
Стеклянный корпус начинается трубкой с конусообразным расширением, образующим экран. В устройствах цветного изображения внутренняя поверхность с определенным шагом покрыта тремя видами люминофора дающими свой цвет свечения при попадании пучка электронов. Соответственно, есть три катода (пушки). Для того чтобы отсеять расфокусировавшиеся электроны и обеспечить точное попадание нужного луча в нужную точку экрана, между катодной системой и слоем люминофора размещают стальную решетку - маску. Ее можно сравнить с трафаретом, отсекающим все лишнее.
С поверхности подогреваемых катодов начинается эмиссия электронов. Они устремляются в сторону анода (электрод, с положительным зарядом), подключенного к конусной части трубки. Далее пучки фокусируются специальной катушкой и попадают в поле отклоняющей системы. Проходя через решетку, падают на нужные точки экрана, вызывая преобразование своей в свечение.
Вычислительная техника
Мониторы с электронно-лучевой трубкой нашли широкое применение в составе компьютерных систем. Простота конструкции, высокая надежность, точная цветопередача и отсутствие задержек (тех самых миллисекунд реакции матрицы в ЖК) - вот их основные преимущества. Однако в последнее время, как уже указывалось, ЭЛТ вытесняется более экономными и эргономичными ЖК-мониторами.
