книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Г Л А В А П Я Т А Я

ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

§ 5.1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ОТКЛОНЯЮЩИХ СИСТЕМ

Отклоняющие системы предназначаются для отклонения (прост­ ранственного перемещения) электронного луча, сформированного прожектором. В большинстве электроннолучевых приборов откло­ няющие системы должны обеспечивать совмещение электронного луча с любой точкой поверхности приемника электронов. Вследст­ вие этого, как правило, в приборе используются два отклоняющих элемента, смещающих луч в двух взаимно перпендикулярных на­ правлениях. В некоторых случаях используется так называемая круговая развертка, причем один отклоняющий элемент заставля­ ет луч прочерчивать на экране окружность (или спиральную ли­ нию), а второй смещает луч в радиальном направлении, т. е. пер­ пендикулярно к линии развертки.

Независимо от типа и конструктивных особенностей к откло­ няющим системам обычно предъявляются следующие требования:

1) система должна обладать достаточно большой чувствитель­ ностью по отклонению, т. е. отклонение луча на заданную величи­ ну (угла или линейного смещения в плоскости приемника) долж­ но происходить при возможно малой величине отклоняющего фак­ тора — напряжения или тока;

2) система должна быть линейной, т. е. отклонение луча (сме­ щение в плоскости приемника) должно быть пропорционально ве­ личине отклоняющего фактора при любых допустимых для данно­ го прибора величинах угла отклонения или в любой части поверх­ ности экрана;

3) система не должна существенно нарушать фокусировку пуч­ ка, т. е. сфокусированный пучок должен перемещаться отклоняю­ щей системой как одно целое, форма и величина пятна должны оставаться приблизительно неизменными в любой части поверхно­ сти экрана.

Кроме того, в конкретных типах электроннолучевых приборов к отклоняющим системам могут предъявляться специфические тре­ бования. Например, отклоняющие системы кинескопов должны обеспечивать большие (до 60°) углы отклонения при сохранении линейности и фокусировки, отклоняющие системы высокочастотных осциллографических трубок должны обладать возможно меньшей инерционностью, что в свою очередь приводит к необходимости иметь малые величины емкости, индуктивности, пролетного време­ ни электронов и т. д.

Как будет показано ниже, ни одно из приведенных требований практически не может быть выполнено полностью, так как при от­ клонении на не очень малые углы (больше 10— 15°) становится заметным аберрации отклонения — ухудшается фокусировка пят­ на на экране. Отклоняющие системы не являются строго линейны­ ми элементами, поэтому при больших углах отклонения наруша­ ется пропорциональность между величинами отклонения и сигна­ ла, подводимого к системе. Чувствительность по отклонению также не может быть практически достаточно большой, что в ряде случа­ ев делает невозможным подведение исследуемого сигнала непосредствнно к отклоняющей системе, без предварительного уси­ ления.

Отклоняющие системы с оптической точки зрения являются электронными призмами. Как было показано в § 1.2, эффект, ана­ логичный преломлению светового луча при прохождении сквозь призму, имеет место при прохождении электронного луча в попе­ речном электрическом или магнитном поле. Угол отклонения эле­ ктронного луча определяется по формулам:

при прохождении через однородное поперечное электрическое поле [см. (1.9)]

еЕ1

tg«9 =

при прохождении через однородное поперечное магнитное поле [см. (1.15)]

еВ1 tg«M= mv,

В приведенных выражениях Е — напряженность электрическо­ го поля, В — магнитная индукция, I — протяженность областей по­ перечного поля, v2— скорость электрона, влетающего в попереч­ ное поле.

Выразим скорость электрона через разность потенциалов ил между катодом и выходным электродом прожектора и подставим полученное значение в приведенные уравнения. Тогда

t g ““ = V s r ’ T f ;

При расстоянии от центра отклонения до приемника электронов (экрана), равном L, величина линейного перемещения пятна на плоском экране равна h=L tga . Для отклонения луча, как прави­ ло, используются электростатические и магнитные поля, достаточ­

но близкие к однородным. Тогда £ и В в уравнениях (5.1) и (5.2) можно представить в виде

£ = **Л>тк.

B = yjilотк,

ме; tilотк — намагничивающая сила ( / 0Тк — отклоняющий ток, про­ текающий по катушке магнитной отклоняющей системы, имеющей п витков).

Из уравнений (5.3) и (5.4) просто получить выражение для чувствительности по отклонению делением абсолютной величины отклонения h на величину отклоняющего фактора U0тк или п/отк. Тогда чувствительность по отклонению будет равна:

при электростатическом отклонении

V 2U,

Иногда вместо чувствительности по отклонению используют величину, обратную е, так называемый коэффициент отклонения, имеющий смысл величины единичного отклоняющего фактора (в вольтах или ампервитках), необходимого для смещения пятна на экране на 1 мм.

Параметрами электроннолучевого прибора в некоторых случа­ ях являются так называемая удельная чувствительность, опреде­ ляемая как отношение чувствительности по отклонению к диамет­ ру пятна, или удельный коэффициент отклонения, имеющий смысл величины отклоняющего фактора, необходимого для смещения лу­ ча на экране на отрезок, равный диаметру пятна. Поскольку поня-

зоз

тие диаметра пятна условно, удельные параметры являются также условными и характеризуют не только отклоняющую систему, но и качество прожектора, формирующего электронный луч. Качество отклоняющей системы можно оценить еще величиной приведенной чувствительности е', определяемой как отношение чувствительно­ сти по отклонению к анодному (ускоряющему) напряжению:

Конечно, выражения (5.3) — (5.6) следует рассматривать лишь как первое приближение, так как при выводе исходных уравне­ ний (1.9) и (1.15) углы отклонения предполагались малыми и от­ клоняющие поля считались строго однородными в области I и резко спадающими до нуля вне этой области. Тем не менее ана­ лиз уравнений (5.3) — (5.6) дает возможность правильно оценить основные параметры отклоняющих систем. Из этих уравнений следует, что в первом приближении в случае как электростати­ ческих, так и магнитных отклоняющих систем отклонение луча носит линейный характер. Таким образом, существует прямая про­ порциональность между величинами смещения пятна и отклоня­ ющего сигнала, т. е. чувствительность по отклонению является по­ стоянной для данных конфигураций отклоняющих систем и ускоря­ ющего напряжения и не зависит от угла отклонения (величины отклоняющего фактора).

Из уравнений (5.5) и (5.6) видно, что при магнитном отклоне­ нии изменение ускоряющего напряжения (0 а) в меньшей степени

влияет на величину чувствительности, так как ем~1/]/£Л п а ёэ~ ~ 1 /Ua. Иными словами, приведенная чувствительность с повы­ шением напряжения прожектора при магнитном отклонении уменьшается медленнее, чем при электростатическом отклонении (ем, ~ l/i/*/e, еэ'~ 1/^а)- Этим объясняется преимущественное ис­ пользование магнитного отклонения в высоковольтных приборах. Кроме того, в случае использования электростатического отклоне­ ния при высоких ускоряющих напряжениях необходимая амплиту­ да отклоняющего напряжения может оказаться настолько боль­ шой, что возникнут затруднения в обеспечении достаточной элект­ рической прочности самой отклоняющей системы и особенно электронных устройств, вырабатывающих отклоняющие напря­ жения.

Существенным достоинством магнитного отклонения являются значительно меньшие по сравнению с электростатическим отклоне­ нием аберрации (см. § 5.4). В случае электростатического откло­ нения заметная дефокусировка пятна начинает проявляться при

отклонение, может возникнуть необходимость создания специаль­ ной осциллографической трубки с магнитным отклонением или экономичного кинескопа с электростатической отклоняющей си­ стемой. Наконец, могут встречаться приборы с отклонением луча по одному направлению при помощи электростатических отклоня­ ющих пластин, а по другому (обычно перпендикулярному к пер­ вому) — при помощи магнитных катушек.

В зависимости от используемых отклоняющих систем различа­ ют электроннолучевые приборы с электростатическим, магнитным и комбинированным отклонениями луча. Следует иметь в виду, что высокое качество фокусировки луча прожектором с магнитной фо­ кусировкой может быть заметно ухудшено при электростатическом отклонении. Поэтому в трубках с магнитной фокусировкой, как правило, применяют и магнитное отклонение. В трубках же с эле­ ктростатической фокусировкой наряду с электростатическим ши­ роко используется и магнитное отклонение.

Электростатические системы, отклоняющие луч в двух взаим­ но перпендикулярных направлениях, располагаются по ходу луча последовательно одна за другой и, как правило, тщательно экра­ нируются друг от друга. Совмещение двух электростатических си­ стем в пространстве невыгодно по следующим причинам: 1) уве­ личение расстояния между пластинами приводит к снижению чув­ ствительности по отклонению; 2) взаимное проникновение полей обеих систем создает большие искажения при отклонении луча; 3) при совмещении двух систем значительно возрастают паразит­ ные емкостные связи, ограничивающие использование трубки на высоких частотах.

Магнитные отклоняющие системы обычно совмещаются в про­ странстве, так как при строго симметричном расположении кату­ шек суммарный магнитный поток одной пары катушек, пронизы­ вающий вторую пару, равен нулю и изменение магнитного поля, отклоняющего луч в одном направлении, никак не влияет на маг­ нитное поле другой пары катушек, отклоняющее луч в перпенди­ кулярном направлении. Таким образом, взаимосвязь отклоняю­ щих полей в правильно сконструированных магнитных отклоняю­ щих системах отсутствует и пространственное совмещение магнитных систем, отклоняющих луч в двух взаимно перпендику­ лярных направлениях, вполне допустимо и целесообразно.

§ 5.2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Простейшей электростатической отклоняющей системой является плоский конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин (рис. 5.1).

Величину отклонения (смещения пятна на экране) h при под­ ведении к пластинам конденсатора отклоняющего напряжения Uотк можно определить по уравнению (5.3). Обозначим длину пла­ стин /, расстояние между пластинами b и расстояние от выходного края пластин до плоскости приемника — экрана L'. Считая поле

мы и ее расположения по отношению к другим электродам и про­ водящему покрытию на горловине трубки. Расчет k затруднителен, на основании экспериментальной оценки k= 1,104-1,15.

Однако даже с учетом действия полей рассеяния чувствитель­ ность плоскопараллельной отклоняющей системы при практиче­ ски приемлемых размерах и не слишком малом анодном напряже­ нии оказывается небольшой. Поэтому электростатические отклоня­ ющие системы, образуемые плоскопараллельными пластинами, в настоящее время почти не применяются.

Как видно из формулы (5.11), чувствительность можно повы­ сить за счет уменьшения расстояния между пластинами Ь. Однако следует учитывать, что сближение параллельных пластин ведет к уменьшению угла отклонения из-за возможного срезания элект­ ронного луча краем пластины. Тем не менее некоторое сближение пластин с входной стороны системы вполне возможно. При этом получается система из непараллельных («косо расставленных») пластин (рис. 5.2).

Отклонение электронного луча полем таких пластин можно приближенно рассчитать, если пренебречь полями рассеяния за краями пластин и осевой составляющей напряженности поля меж­ ду пластинами. При указанных допущениях напряженность поля

Угол наклона луча к оси на выходе из системы можно опреде­ лить по отношению поперечной (приобретенной в отклоняющей си­ стеме) составляющей скорости к продольной составляющей скоро­ сти электронов:

Выражая vz через ускоряющее напряжение прожектора Ua, по­ лучим формулу для отклонения луча на экране при расстоянии от отклоняющей системы до экрана L

где Г — расстояние от центра отклонения до выходного края пла­ стин.

Это расстояние можно оценить по величине максимально воз­ можного для данной системы угла отклонения аШах:

В случае непараллельных пластин V > — е. центр отклоне-

2

ния луча не совпадает с центром системы. Обозначая расстояние от центра отклонения до экрана (/' + / / ) =L , определим чувстви­ тельность по отклонению системы, образованной непараллельными пластинами:

Сравнение выражений (5.16a) и (5.11) показывает, что при оди­ наковых габаритных размерах, т. е. при одинаковых значениях / и bi в (5.16), равном b в (5.11), чувствительность системы, образо­

ростатическая система (рис. 5.3) образуется двумя изогнутыми пластинами, причем на входе луча расстояние между пластинами Ь\ может быть равным диаметру электронного луча.

При максимальном угле отклонения луч как бы скользит по по­ верхности пластины, не задевая ее. Так как проводящая пластина являются эквипотенциальной поверхностью, ортогональные к ней силовые линии поля всюду направлены перпендикулярно к элект­ ронному лучу, т. е. обеспечивается указанное выше максимально возможное отклоняющее действие.

Аналитический расчет показывает, что кривая, по которой должны быть изогнуты такие оптимальные отклоняющие пластины,

описывается экспоненциальной функцией. Центр отклонения луча в этом случае не совпадает с серединой системы, а несколько сме­ щен в сторону входного края пластины. Чувствительность по от­ клонению рассматриваемой системы при одинаковых габаритах примерно в два раза выше, чем у системы, образованной плоско­ параллельными пластинами.

Несмотря на высокую чувствительность, системы, образованные оптимальными изогнутыми пластинами, не получили распростра­ нения главным образом из-за трудности точного изготовления и сборки. Идеальная отклоняющая система нетехнологична особен­ но при серийном производстве. Однако, если заменить плавную

У

кривую, описывающую контур оптимальной пластины, ломаной, состоящей из нескольких отрезков прямых, так, чтобы углы излома лежали на оптимальной кривой, можно создать достаточно удоб­ ную в изготовлении и сборке отклоняющую систему, почти не усту­ пающую по чувствительности идеальной системе. Конечно, чем ближе ломаная к оптимальной кривой, т. е. чем больше углов из­ лома имеют пластины, тем ближе чувствительность к оптимальной. С другой стороны, чем меньше изломов имеют пластины, тем тех­ нологичнее система. Расчет и экспериментальная проверка пока­ зывают, что уже при одном изломе чувствительность системы до­ вольно близка к идеальной. Поэтому широкое распространение получили отклоняющие системы, образованные однократно-изло­ манными пластинами (рис. 5.4, пунктиром показана форма опти­ мальных пластин).

Конечно, чувствительность такой системы зависит от соотноше­ ния длин обоих плоских участков пластин (от положения угла из­ лома). Аналитический расчет показывает, что график чувствитель­ ности имеет пологий максимум, причем в зависимости от величи­ ны выбранного максимального угла отклонения положение этого максимума несколько меняется. Во всяком случае максимальная