Б.Н. Сипливый, В.К. Михайлов, В.В. Подгорный, П.И. Поленичкин. Практикум по электричеству Лабораторная работа №2 Электронно-лучевая трубка Цель работы — изучение устройства, принципа работы и некоторых характеристик осциллографической электроннолучевой трубки. 2.2.1. Устройство и принцип работы электронно-лучевой трубки Электроннолучевая трубка (ЭЛТ) является основным элементом осциллографа. Она обеспечивает визуальное наблюдение различных электрических процессов в цепях и позволяет измерять параметры этих процессов: напряжения, длительности и формы сигналов. Электроннолучевая трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу с длинной цилиндрической горловиной и коническим уширением для экрана. Функционально ЭЛТ можно разделить на три части: 1) электронная пушка (электронный прожектор) — узел, т.е. группа электродов, предназначенных для формирования электронного луча вдоль оси трубки, сфокусированного на поверхности экрана; 2) отклоняющая система — группа электродов (отклоняющих пластин), предназначенных для управления лучом, т.е. для вертикального и горизонтального отклонения его на пути к экрану; 3) экран — слой люминофора, нанесенный изнутри на дно конической части трубки и способный светиться желтым, синим или зеленым цветом в том месте, где на него попадают электроны луча. Фокусировка и управление лучом в трубке, вообще говоря, могут быть как электростатическими (с помощью электрического поля), так и магнитными (с помощью магнитного поля). В осциллографах обычно используются трубки с электростатическими фокусировкой и отклонением. Устройство осциллографической ЭЛТ показано на рис.2.2.1. Электронный прожектор трубки состоит из катода (К), подогреваемого нитью накала (Н), модулятора (М) и Рис.2.2.1. Устройство электроннодвух анодов — ускоряющего (А2) и фокусирующего лучевой трубки (А1). Испущенные горячим катодом электроны ускоряются в поле анода А2, имеющего относительно катода высокий положительный потенциал UA2 ~ 12 кВ, и достигают скорости: v 2e UA . m 2 (1) Ток луча, а, следовательно, и яркость его следа на экране, регулируется модулятором — стаканообразным электродом с небольшим (около 1 мм) отверстием в основании (см. рис.2.2.1). Модулятор имеет отрицательный относительно катода потенциал Um, варьируемый примерно от 0 до 50 В. При достаточно большом отрицательном потенциале Um, называемом потенциалом запирания трубки, ток луча близок к нулю, и свечения на экране не видно. Система двух анодов А1 и А2 создает на пути луча электрическое поле, называемое электронной линзой и фокусирующее луч на поверхности экрана. Профиль электронного луча в ЭЛТ показан на рис.2.2.1. У реальной трубки система анодов хорошо видна через стекло. Сформированный прожектором луч попадает в отклоняющую систему, представляющую собой пару вертикально отклоняющих пластин (Y) и пару горизонтально отклоняющих пластин (Х). Если между пластинами Y создать электрическое поле, то луч в нем будет отклоняться по вертикали, а под влиянием поля пластин Х - по горизонтали. Таким образом, варьируя напряжения UY и UX, приложенные к пластинам Y и X, мы можем управлять положением следа луча на экране. Попадая на экран, электроны вызывают свечение люминофора, которое в зависимости от его типа может длиться от 10-5 с до 10 с после ухода луча с данного места. Яркость свечения зависит от тока луча, от скорости электронов в нем и от времени действия луча на данную точку экрана. При остановке интенсивного луча в одной точке экрана может произойти прожег люминофора. В зависимости от требуемого времени послесвечения экрана и от желаемого цвета, в качестве люминофоров используются обычно соли цинка или кадмия (ZnS, CdS, ZnSiO3) с примесями марганца, серебра и др. Для того, чтобы после выхода из прожектора электроны не тормозились вторым анодом, трубка изнутри покрывается тонким угольным слоем — аквадагом (А), соединенным с анодом А2 (рис.2.2.1). Таким образом, после выхода из прожектора электроны летят в эквипотенциальном пространстве и сохраняют набранную в прожекторе скорость до самого экрана. Аквадаг также защищает луч от внешних электрических полей, служит для стекания вторичных электронов, выбитых лучом из люминофора, и уменьшает паразитную засветку экрана изнутри трубки. Рассмотрим подробнее принцип действия двух функциональных элементов ЭЛТ — электронной линзы и отклоняющей системы. Электронная линза, т.е. специальная конфигурация электрического поля, фокусирующая электронный пучок, может быть сформирована парой соосных цилиндрических электродов, или парой соосных диафрагм. Пусть между парой таких диафрагм приложено постоянное напряжение. Тогда структура электрического поля между ними будет иметь вид, показанный на рис.2.2.2. Пусть электроны параллельным пучком входят в осесимметричную неоднородность такого поля. В левой части неоднородности (точка 1) на них действует сила F1, которую можно разложить на продольную Fz (ускоряющую) и радиальную Fф (фокусирующую) части. При этом каждый электрон пучка ускоряется и получает “фокусирующий” импульс Pф Fф1, где 1 — время пролета электронами левой половины неоднородного поля. В правой половине пути между диафрагмами (точка 2) радиальная компонента силы F2 является для электронов рассеивающей, и они получают отклоняющий от оси импульс: Pp Fp2 где 2 — время пролета правой части неоднородного поля. Но, если FpFф, то из-за нарастания скорости электронов под действием продольной компоненты Fz время 21, следовательно, Pф>Pp, и результирующее действие поля между диафрагмами на электроны пучка будет фокусирующим, т.е. траектории электронов будут сходиться к оси. Поэтому говорят, что неоднородное осесимметричное электрическое поле образует электронную линзу. Варьируя потенциал одного из электродов, можно менять напряженность поля между диафрагмами, а, следовательно, и фокусное расстояние такой линзы. Используемую в реальной ЭЛТ систему электродов А1-А2 (рис.2.2.1) можно рассматривать как две последовательно установленные линзы типа изображенной на рис.2.2.2. Фокусное расстояние таРис.2.2.2. Механизм фокусировки луча в неоднород- кой системы регулируется потенциалом фокусирующего анода А1, изменяемого примерно от +300 до +500 В относительно каном поле E тода. Работу отклоняющей системы рассмотрим на примере вертикально отклоняющих пластин. Пусть электрон, имеющий скорость v вдоль оси z, проходит область однородного поперечного электрического поля Е за время . Тогда он получит поперечный импульс: P=F=Ee=(U/d)e, где U — приложенное к пластинам напряжение; d — расстояние Рис.2.2.3. Отклонение луча между ними (рис.2.2.3). Следовательно, поперечная компонента его в поперечном электрическорости станет равной: ском поле v=P/m=eU/(md)=eUl/(mdv), где l — длина пластин вдоль оси z. Между пластин электрон движется по параболе, а после выхода — по прямой. Предположим для простоты, что L>>l. Тогда можно считать, что след луча на экране отклонится от оси z на расстояние: h tg L v e U lL , v m d v2 или, с учетом (1): h lL U . 2d U A2 (2) Таким образом, смещение луча на экране в первом приближении пропорционально напряжению между пластинами, т.е. данная отклоняющая система является линейной. Определение. Отношение смещения луча на экране (в мм) к вызвавшему его отклоняющему напряжению (в вольтах) называется чувствительностью ЭЛТ: = h/U [мм/B]. Для рассмотренной отклоняющей системы по Y с учетом (2) получаем выражение для чувствительности через геометрию отклоняющей системы “Y”: lL . (3) Y 2 dU A2 Отсюда видно, что для повышения чувствительности отклоняющей системы ее надо помещать подальше от экрана (увеличивать L), а также уменьшать ускоряющий потенциал UA2. Однако уменьшение UA2 нежелательно из-за потери яркости. У осциллографических трубок чувствительность Y составляет около 1 мм/В. Чтобы получить на экране трубки график исследуемого сигнала u(t), изменяющегося во времени, надо этот сигнал или пропорциональное ему напряжение подать на вертикально отклоняющие пластины Y: uY = u(t), а на пластины Х при этом подать линейно растущее напряжение: uX = kt. Тогда светящаяся на экране точка, равномерно перемещаясь по горизонтали слева направо, будет по вертикали отклоняться в соответствии с сигналом u(t), вычерчивая график у(х), который и соответствует поведению u(t). В связи с этим, вертикально отклоняющие пластины Y называются сигнальными, их чувствительность должна быть выше, и поэтому, в соответствии с (3), в ЭЛТ они помещаются дальше от экрана, впереди пластин X. 2.2.2. Оборудование В данной работе изучается осциллографическая трубка 16ЛОЗИ. Элементы ее кода означают следующее: 16 — размер экрана по диагонали в см; ЛО — тип отклоняющей системы — электростатическая; 3 — номер заводской разработки; И — условный тип люминофора. Трубка установлена в пластмассовой коробке с клеммными выводами от всех ее электродов, кроме А2, к которому подводится высокое напряжение ~1500 B. Потенциалы на первый анод А1 и на отклоняющие пластины подаются с делителей высокого напряжения от второго анода. Напряжение на модулятор и питание накала берутся от отдельного источника. Упрощенная схема питания трубки показана на рис.2.2.4. Измерителем напряжений UM, UA1, UX, UY служит высокоомный вольтметр, например, цифровой В7-27 или электростатический С502, имеющий зайчиковую шкалу и очень высокое внутреннее сопротивление — более 10 ГОм. Ток луча (катодный ток) измеряется амперметром, имеющим достаточно высокую чувствительность по току. Блок питания трубки (см. рис.2.2.4) находится в отдельном корпусе и генерирует напряжения накала, модулятора и высокое напряжение второго анода Рис.2.2.4. Упрощенная схема питания ЭЛТ (А2). На передней панели блока питания находятся тумблеры включения сетевого питания и высокого напряжения, ручки регулировки напряжения модулятора и второго анода, а также стрелочный двухпредельный вольтметр, который работает либо в режиме измерения напряжения модулятора, либо измерения высокого напряжения анода (А2). Питающие напряжения UM, UA2 и накала UH подводятся к задней стенке коробки, в которой установлена ЭЛТ, а измеряемые величины UA1, UM, UX, UY и IK выведены на клеммы боковой стенки. На боковую стенку выведены также регулировки “яркость”, “фокус”, “смещение Х” и “смещение Y”, управляющие потенциалами различных электродов трубки (см. рис.2.2.4). 2.2.3. Программа работы Внимание!!! 1. Включать источник питания только в присутствии преподавателя. Источник и ЭЛТ постоянно соединены кабелем и разъединению не подлежат. 2. От источника на ЭЛТ подается высокое напряжение 1500 В, поэтому работать с этими приборами следует с исключительной осторожностью. 2.2.3.1. Подготовка к измерениям 1. Исходные положения регулировок ЭЛТ: “яркость” — выведена влево, остальные — в среднем положении. Исходное положение регулировок блока питания: тумблеры “сеть” и “высокое” — выключены; ручка регулировки напряжения модулятора — в крайнем правом положении, ручка регулировки высокого напряжения — в крайнем левом положении. 2. Включить тумблер “сеть” блока питания, обеспечив накал катода ЭЛТ. 3. Переключить тумблер вольтметра блока питания в положение измерения напряжения модулятора и записать показания вольтметра. Переключить тумблер вольтметра в положение измерения высокого напряжения. Включить тумблер “высокое” блока питания; плавно вращая ручку регулировки высокого напряжения, выставить по встроенному вольтметру напряжение 1500 В. 4. Меняя напряжение модулятора ЭЛТ регулировкой “яркость”, установить среднюю яркость пятна на экране. Регулировкой “фокус” уменьшить пятно до минимального размера. Регулировками “смещение Х” и “смещение Y” установить пятно в любом месте экрана, но желательно не точно в центре, так как постоянная бомбардировка электронами одной и той же точки экрана разрушает в этом месте люминофор. 5. Включить вольтметр и, соблюдая полярность, присоединить его к измерительным клеммам модулятора ЭЛТ (на боковой стенке). 6. Выставив переключатель ампервольтметра в режим измерения постоянного тока до 1 мА, включить его и соединить его токовые гнезда с измерительными клеммами тока катода ЭЛТ (на боковой стенке). 2.2.3.2. Измерения 1. Измерить потенциал модулятора UM и ток катода IK1 при достаточно большой, средней и исчезающе малой яркостях пятна на экране. Результаты записать в таблицу: Яркость UM, B IK , мкА Большая Средняя Нулевая 2. Отключить амперметр от трубки. 3. Переключить вольтметр к клеммам отклоняющей системы “Y” и определить её чувствительность Y (мм/В), смещая луч от центра экрана на 3-4 деления к краю (1 дел=10 мм) и измеряя соответствующую этому смещению разность напряжений UY. Аналогично определить UX. Записать результат в журнал. 4. Переключить вольтметр к измерительным клеммам первого анода и определить его напряжение UA1фок, которое соответствует сфокусированному лучу на экране. При этом следует учесть, что на измерительные клеммы напряжение подается с первого анода через делитель 1:10, т.е. истинное значение UA1=Uизм10. 5. Рассфокусировать луч до размеров около 5 мм и измерить соответствующее UA1расфок. 6. Отключить вольтметр от ЭЛТ. Выключить тумблером “сеть” источник питания и измерительные приборы. 1. 2. 3. 4. 5. 2.2.4.Контрольные вопросы Объяснить устройство и общий принцип работы ЭЛТ. Объяснить принцип работы отклоняющей системы. Объяснить механизм электростатической фокусировки электронного луча. Какова роль аквадага в ЭЛТ? Перечислить основные характеристики ЭЛТ. 2.2.5. Литература С. Г. Калашников. Электричество. М.: Наука, 1985. §§ 178, 187, 188. 1 Измеряемый ток катода IK может быть в несколько раз больше тока луча, достигающего экрана, так как значительная часть электронов задерживается анодными диафрагмами, вырезавшими узкий конус луча для улучшения его фокусировки.
