книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

чувствительность получается при h < l2- Чувствительность по от­ клонению рассматриваемой системы

где L= l'+L' — расстояние от экрана до центра отклонения, при­ чем центр отклонения луча не совпадает с центром системы, / '> > (l\ + h)l2.

Широко применяются, особенно в серийных осциллографических трубках, очень удобные в производстве отклоняющие системы, об­ разованные однократно-изломанными пластинами, состоящими из параллельно и косо расставленной частей (рис. 5.5).

Угол наклонения луча, прошедшего через такую систему, мож­ но приближенно рассчитать, если как и в случае косо расставлен­ ных пластин, пренебречь осевой составляющей напряженности по­ ля и полями рассеяния. Тогда поперечная составляющая скорости vy, приобретенная электронами луча при прохождении системы, будет равна

где vvi — поперечная составляющая скорости, приобретенная при прохождении участка /[ между параллельными пластинами; vV2 — поперечная составляющая скорости, приобретенная при про­ хождении участка 12 между косо расставленными пластинами.

Величину vy2 определяется уравнением (5.13), а величину vyl можно найти из формулы (5.1):

где L= L'+li — та же величина, что и в (5.15).

Центр отклонения луча, как и в случае непараллельных плас­

Максимальная чувствительность достигается при значении tu несколько меньшем 1%. По сравнению с 'плоскопараллельной систе­ мой при равных габаритах W 1 + I2 ) =1=, Ь2=Ь=] чувствительность рассматриваемой системы больше, чем плоскопаралллельной си­ стемы примерно в 1,8 раза.

Все же следует отметить, что чувствительность по отклонению электростатических отклоняющих систем при практически прием­ лемых геометрических размерах системы и всего прибора (L') и величине ускоряющего напряжения редко превышает 1 мм/в.

Поскольку электростатические системы, отклоняющие луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, принципиально не могут быть совмещены в пространстве, чувствительность по откло­ нению вертикального и горизонтального отклонения в данном при­ боре оказывается неодинаковой из-за разной величины U — рас­ стояния от пластин до экрана. Очевидно, большую чувствитель­ ность будут иметь пластины, расположенные ближе к электронно­ му прожектору (нижние).

Электростатическое отклонение часто применяется в осциллографических трубках. В этом случае требование высокой чувстви­ тельности предъявляется только к одной паре пластин, к которой подводится исследуемый сигнал. В качестве «сигнальных» пластин следует выбрать нижние пластины как обладающие большей чув­ ствительностью. Кроме того, иногда целесообразно, не изменяя общих размеров прибора, несколько повысить чувствительность нижних пластин за счет увеличения их длины. При этом необхо­ димо уменьшить длину верхних, расположенных ближе к экрану пластин. Таким образом, повышение чувствительности нижних, «сигнальных» пластин достигается за счет уменьшения чувстви­ тельности верхних пластин, к которым в осциллографах обычно подводится пилообразное напряжение, развертывающее луч по эк­ рану. Но поскольку амплитудное значение развертывающего на­ пряжения может быть достаточно большим, а повышение чувст­ вительности сигнальных пластин часто является одним из опреде­ ляющих требований, указанный прием можно считать вполне оправданным.

§ 5.3. МАГНИТНЫЕ ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Для отклонения электронного луча магнитним полем используют­ ся отклоняющие системы, состоящие из катушек, обтекаемых то­ ком, расположенных снаружи электроннолучевого прибора — на горловине трубки. Линейность и минимальное нарушение фокуси­ ровки возможно лишь при условии, что во всей области отклоне­ ния луча магнитное поле в любой момент времени достаточно близко к однородному. Поэтому для отклонения луча в одном на­ правлении необходимо иметь две катушки, симметрично располо­ женные на горловине трубки. Так как обычно требуется отклонение луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях, магнитная отклоняющая система, как правило, имеет четыре катушки, созда­

ющие примерно однородные взаимно перпендикулярные магнитные поля. В случае однородного поля смещение луча на экране, отсто­ ящем на расстоянии L' от края области действия магнитного поля с величиной индукции В, может быть определено согласно (5.2) как

(5.23)

где I — протяженность вдоль оси прибора отклоняющего магнит­ ного поля; L= l'+ L' — расстояние от центра отклонения до экрана.

При резко ограниченном магнитном поле центр отклонения приблизительно совпадает с центром отклоняющей системы, т. е. /'« //2 .

Чувствительность по отклонению можно определить из уравне­ ния (5.23) как отношение h/B. Однако определение чувствительно­ сти в миллиметрах на гаусс неудобно для практических расчетов, так как отклоняющий сигнал вводится в систему как ток, проте­ кающий по катушкам, имеющим определенное число витков. Учи­ тывая, что магнитная индукция пропорциональна намагничиваю­ щей силе (ампервиткам), целесообразно рассчитать чувствитель­ ность в миллиметрах на ампервиток.

Полагая В=%п10Тк, где п — число витков, / отк— отклоняющий ток и х — постоянный коэффициент, зависящий от геометрических размеров катушек, их взаимного расположения и наличия ферро­ магнитных сердечников, получим следующее выражение для чувст­

где Ua измеряется в вольтах, L — в миллиметрах. Величина £ яв­ ляется постоянной для данной отклоняющей системы и может быть определена экспериментально. Например, для круглых катушек без ферромагнитного сердечника с диаметром /, отстоящих одна от другой на расстоянии/,коэффициент!равен (0,4ч-0,5) e !t а*вит.

Постоянство чувствительности (линейность отклонения) имеет место лишь тогда, когда при любых возможных углах отклонения электронный луч не выходит за пределы однородного поля. По­ этому при разработке магнитных отклоняющих систем катушки конструктивно выполняются так, чтобы в возможно большей обла­ сти поле было близко к однородному. В настоящее время применя­ ются два типа магнитных отклоняющих систем — с последователь­

но складывающимися и с параллельно складывающимися магнит­ ными потоками (рис. 5.6).

Системы с последовательно складывающимися потоками боле& экономичны, так как в этом случае для отклонения луча использу­ ется сравнительно большая часть запасаемой в катушках магнит­ ной энергии. В системах с параллельно складывающимися пото­ ками область отклонения пронизывается только полем рассеяния,.

а большая часть энергии, запасаемая внутри катушек, не исполь­ зуется для отклонения луча. Однако при параллельном сложении потоков сравнительно проще получить примерно однородное поле в большей области.

Повышение экономичности отклонения, а следовательно, и вы­ игрыш в чувствительности при прочих равных условиях можно по­ лучить, применяя магнитопроводы из ферромагнитных материалов, концентрирующих магнитную энергию. Поэтому в тех случаях, когда отклоняющие системы работают на сравнительно низких ча­ стотах, катушки обычно имеют ферромагнитные сердечники и эк­ раны. Катушки систем с параллельно складывающимися потоками надеваются на сердечник, изготовленный из высококачественного магнитномягкого материала. Пример такой отклоняющей системы, магнитопровод которой собран из Г-образных пластин, приведен на рис. 5.7.

Обмотки катушек делают секционированными, так как путем подбора различных чисел витков в каждой секции удается полу­ чить достаточно однородное поле в большой области. Кроме того, секционирование способствует уменьшению распределенной ем­ кости.

В целях уменьшения внешних размеров системы магнитопроводу придают цилиндрическую форму (рис. 5.8). Поскольку в систе­ мах с параллельно складывающимися потоками магнитопровод

помещается внутри катушек, такие системы часто называют си ­ с т е м а м и с в н у т р е н н и м м а г н и т о п р о в о д о м .

Системы с последовательно складывающимися потоками обыч­ но не имеют внутренних ферромагнитных сердечников и образу­ ются катушками, непосредственно прилегающими к горловине трубки. Катушкам придают седлообразную форму, так что витки намотки облегают горловину трубки. Края катушек отгибаются наружу для уменьшения полей рассеяния за пределами отклоня­ ющей системы. Катушки иногда собирают из отдельных секций для уменьшения распределенной емкости. Примерный вид катушек го­ ризонтального отклонения луча показан на рис. 5.9.

клонения; 4 — пластмассовые гильзы

Системы с последовательно складывающими потоками обычно заключаются в цилиндрический экран из ферромагнетика, через который замыкаются магнитные силовые линии, выходящие с на­ ружных сторон катушек. Отогнутые края катушек располагаются вне экрана. Магнитопровод в такой системе находится снаружи катушек, поэтому системы с последовательно складывающимися

кой системы показан на рис. 5.10.

Системы с внешним магнитопроводом достаточно экономичны, компактны и при правильно выбранных геометрических соотно­ шениях позволяют получать достаточно большие углы отклонения при сохранении линейности и сравнительно небольшом нарушении фокусировки луча. Системы с внешним магнитопроводом полу­ чили широкое распространение как отклоняющие системы кине­

скопов.

Магнитные отклоняющие системы часто классифицируют по конструктивным признакам — рассматривают системы без магни­

где множитель 2 введен для учета охвата силовой линией витков обеих катушек. Учитывая (5.27), определим

ро

в том случае, когда плотность намотки витков максимальна у кра­ ев и спадет к центру по косинусоидальному закону. Практически затруднительно изготовить катушки с постоянно меняющимся числом витков, однако отклоняющие катушки из отдельных сек­ ций с различным числом витков достаточно хорошо удовлетворяют требованию, накладываемому уравнением (5.30). Выравниванию поля способствует также применение внешнего магнитопровода.

При рассмотрении электростатического отклонения было пока­ зано, что повышение чувствительности может быть достигнуто за счет сближения отклоняющих пластин. Минимальное расстояние между пластинами со стороны входа луча ограничено только сече­ нием луча в пространстве отклоняющей системы. Магнитные от­ клоняющие катушки располагаются вне вакуумной оболочки при­ бора— на горловине трубки. Поэтому величина зазора, в котором, сосредоточено отклоняющее магнитное поле, ограничена не пара­ метрами электронного луча, а диаметром горловины трубки. Оче­

видно, чем меньше расстояние между катушками (чем меньше за­ зор), тем относительно большая магнитная энергия может быть сосредоточена в пространстве отклонения при неизменной намаг­ ничивающей силе (постоянных ампервитках). Расчет показывает, что пропорциональное уменьшение всех геометрических размеров магнитной отклоняющей системы при постоянных ампервитках приводит к такому же увеличению магнитной индукции в прост­ ранстве отклонения. Так как отклоняющие катушки обычно распо­ лагаются непосредственно на горловине трубки, для увеличения чувствительности целесообразно уменьшать диаметр горловины. Этим объясняется сравнительно небольшой диаметр горловин электроннолучевых трубок с магнитным отклонением луча.

Современные магнитные отклоняющие системы позволяют по­ лучать чувствительность по отклонению до 1 лш/а* вит. При элект­ ростатическом отклонении отклоняющие пластины, помещаемые внутри трубки, обычно собирают вместе с электронным прожекто­ ром, и качество электростатической системы во многом зависит от точности сборки внутренних элементов прибора. Магнитная откло­ няющая система, устанавливаемая снаружи горл.овины трубки, ме­ ханически не связана с элементами электронного прожектора, по­ этому установка отклоняющей системы является самостоятельной операцией; от выбора местоположения системы на горловине труб­ ки и точности установки зависят параметры отклонения. В частно­ сти, смещение отклоняющей системы вдоль оси трубки может при­ вести к ограничению угла отклонения за счет срезания луча переходной частью (от горловины к конусу) колбы, а перекос от­ клоняющей системы может вызвать появление дополнительных аберраций при отклонении и, как следствие, уменьшение разреша­ ющей способности и искажение формы растра при развертке луча на экране.

§ 5.4. ИСКАЖЕНИЯ ПРИ ОТКЛОНЕНИИ .ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

При рассмотрении отклоняющих систем мы исходили из того, что уравнения (5.1) и (5.2), выведенные в предположении малости уг­ лов отклонения, справедливы и для сравнительно больших углов отклонения. Строгое выполнение указанных уравнений означает, что системы являются идеальными, т. е. отклонение линейно зави­ сит от величины отклоняющего напряжения (или тока) и сформи­ рованный прожектором электронный луч отклоняется системой как одно целое без нарушения фокусировки.

Однако экспериментальное исследование отклоняющих систем показывает, что даже при сравнительно небольших углах отклоне­ ния (5ч-8°) начинают становиться заметными нарушение линейно­ сти и искажение формы пятна на экране, т. е. нарушение фокуси­ ровки. Эти искажения, называемые аберрациями отклоняющих си­ стем, можно разделить на две группы:

1) нарушение линейности, наблюдаемое как искажение формы

.растра при развертке луча на экране;

2) нарушение фокусировки, наблюдаемое как искажение фор­ мы пятна на экране.

Рассмотрим искажение формы растра при электростатическом отклонении. Очевидно, потенциал в области отклонения должен быть близок к потенциалу выходного электрода прожектора, так как в противном случае при прохождении отклоняющей системы энергия электронов луча будет изменяться, в результате чего нарушится фокусировка. Однако нетрудно видеть, что равенство указанных потенциалов принципиально невозможно во всей области отклоне­ ния, так как в эквипотенциальном пространстве не может быть

Рис. 5.13. Несимметричное включение отклоняющих пластин:

а — поле в продольной плоскости; б — поле в поперечной плоскости

отклоняющей силы. Таким образом, при прохождении электроста­ тической отклоняющей системы электроны луча неизбежно попа­ дают в область с потенциалом, отличным от потенциала выходного электрода прожектора, т. е., кроме отклонения луча, электростати­ ческие системы всегда вызывают изменение энергии (скорости) электронов.

При так называемом несимметричном включении одна пласти­ на отклоняющей системы непосредственно соединяется с выходным, электродом прожектора. Поле в этом случае получается несиммет­ ричным относительно средней плоскости (рис. 5.13).

Потенциал в средней плоскости отличается от анодного напря­ жения прожектора на величину ± U orK/2. Таким образом, в случае несимметричного включения чувствительность е' при малых углах отклонения можно рассчитать по формуле

Из выражения (5.31) следует, что чувствительность по откло­ нению зависит от величины отклоняющего напряжения, т. е. линей­ ность отклонения нарушается. Уравнение (5.31) показывает также, что нарушение линейности тем больше, чем больше величина Vo™, т. е. нелинейные искажения растут с увеличением угла откло­ нения.

При несимметричном включении обеих пар отклоняющих плас­ тин отклонение луча второй (верхней) парой пластин зависит от величины отклонения луча первой (нижней) парой пластин. Как нидно из рис. 5.13, б, при несимметричном включении поле у краев пластины, не соединенной с анодом прожектора, резко искажа­ ется; при этом некоторая часть силовых линий (пунктирные кри­ вые на рисунке) замыкается не на соседнюю пластину, а на про­ водящее покрытие внутренней поверхности горловины трубки, имеющее потенциал анода прожектора. В этом случае электростати­ ческое поле у краев пластин имеет составляющую, параллельную плоскости пластины. За счет этой составляющей возникает сила, •отклоняющая луч вблизи края пластины, не соединенной с ано­ дом прожектора, в направлении, перпендикулярном к основному направлению отклонения данной парой пластин. Иными словами, пластины горизонтального отклонения луча при несимметричном включении вызывают дополнительное отклонение луча в вертикаль­ ном направлении. Дополнительное отклонение имеет место лишь при прохождении луча у краев пластины, так как в средней плос­ кости силовые линии поля перпендикулярны к поверхности откло­ няющих пластин и пластины горизонтального отклонения отклоня­ ют луч только в горизонтальном направлении. Таким образом, до­ полнительное отклонение луча наблюдается в том случае, если луч перед входом в пространство между верхней парой пластин был предварительно отклонен нижней парой пластин. Так как силовые линии сильно искривлены лишь вблизи пластины, не соединенной с анодом прожектора, дополнительное отклонение в вертикальном направлении будет тем сильнее, чем ближе проходит луч к плос­ кости этой пластины.

Формально возникновение дополнительного отклонения можно представить как изменение чувствительности по отклонению ниж­ ней пары пластин в зависимости от угла отклонения луча верх­ ней парой пластин. Поскольку вертикальная отклоняющая сила направлена вниз у верхнего края пластины и вверх у нижнего

к поверхности верхней пластины, не соединенной с анодом про­ жектора.

В результате при развертке луча по поверхности экрана пило­ образными напряжениями с неизменной амплитудой получающий­ ся на экране растр вместо прямоугольной примет форму трапеции с меньшим основанием со стороны пластины, не соединенной с ано­ дом. По форме растра рассмотренное искажение обычно называ­ ют трапецеидальным.