Електростатичні електронно-променеві трубки

Електронно-променеві трубки (ЕПТ) з електростатичним управлінням, т. е. з фокусуванням і відхиленням променя електричним полем, звані скорочено електростатичними трубками, особливо широко застосовують в осцилографах.

На мал. 20.1 показані принцип пристрою електростатичної трубки простого типу і її зображення на схемах. Балон трубки має циліндричну форму з розширенням у вигляді конуса або у вигляді циліндра більшого діаметру. На внутрішню поверхню основи розширеної частини нанесений люмінесцентний екран ЛЕ - шар речовин, здатних випромінювати світло під ударами електронів. Усередині трубки розташовані електроди, що мають виводи, як правило, на штирі цоколя (для спрощення на малюнку виводи проходять безпосередньо через скло балона).

Катод К зазвичай буває оксидний непрямого напруження у вигляді циліндра з підігрівачем. Виведення катода іноді поєднане з одним виведенням підігрівача. Оксидний шар нанесений на денце катода. Навколо катода розташовується електрод, що управляє, званий модулятором (М), циліндричної форми з отвором в денці. Цей електрод служить для управління щільністю електронного потоку і для попереднього фокусування його. На модулятор подається негативне - напруга (зазвичай десятки вольт). Із збільшенням цієї напруги все більше електронів повертається на катод. При деякому негативній напрузі модулятора трубка закривається.

Наступні електроди, також циліндричної форми, є анодами. У простому випадку їх два. На другому аноді А₂ напруга буває від 500 В до декількох кіловольт (іноді 10 - 20 кВ), а на першому аноді А₁ напруга у декілька разів менше. Усередині анодів- перегородки з отворами (діафрагми). Під дією прискорюючого поля анодів електрони придбавають значну швидкість. Остаточне фокусування електронного потоку здійснюється за допомогою неоднорідного електричного поля в просторі- між анодами, а також завдяки діафрагмам. Складніші фокусуючі системи містять більше число циліндрів.

Система, що складається з катода, модулятора і анодів, називається електронним прожектором (електронною гарматою) і служить для створення електронного променя, т. е. тонкого потоку електронів, що летять з великою швидкістю від другого анода до люмінесцентного екрану.

На шляху електронного променя поставлені під прямим кутом один до одного дві пари тих, що відхиляють пластин П_х і П_у. Напруга, підведена до них, створює електричне поле, що відхиляє електронний промінь убік позитивно зарядженої пластини. Поле пластинів є для електронів поперечним. У такому полі електрони рухаються по параболічних траєкторіях, а, вийшовши з нього, далі рухаються за інерцією прямолінійно, т. е. електронний промінь отримує кутове відхилення. Чим більше напруга на пластинах, тим сильніше відхиляється промінь і тим більше зміщується на люмінесцентному екрані електронна пляма, що світиться, так зване, виникає від ударів електронів.

Пластини П_у відхиляють промінь по вертикалі і називаються пластинами вертикального відхилення (пластинами "ігрек"), а пластини П_х - пластинами горизонтального відхилення (пластинами "ікс"). Одна пластина кожної пари іноді з'єднується з корпусом апаратури (шасі), т. е. має нульовий потенціал. Таке включення пластинів називається несиметричним. Для того, щоб між другим анодом і корпусом не створювалося електричне поле, що впливає на політ електронів, другий анод зазвичай також буває сполучений з корпусом. Тоді за відсутності напруги на пластинах, що відхиляють, між ними і другим анодом не буде ніякого поля, діючого на електронний промінь.

Оскільки другий анод сполучений з корпусом, то катод, що має високий негативний потенціал, рівний напрузі другого анода, має бути добре ізольований від корпусу. При включеному живленні дотик до дротів катода, модулятора і ланцюга напруження небезпечно. Оскільки на електронний промінь можуть впливати сторонні електричні і магнітні поля, то трубку часто поміщають в екрануючий чохол з м'якої сталі.

Світіння люмінесцентного екрану пояснюється збудженням атомів речовини екрану. Електрони, ударяючи в екран, передають свою енергію атомам екрану, в яких один з електронів переходить на віддаленішу від ядра орбіту. При поверненні електрона назад, на свою орбіту, виділяється квант променистої енергії (фотон) і спостерігається світіння. Це явище називається катодолюмінесценцією, а речовини, що світяться під ударами електронів, називаються катодолюминофорами або просто люмінофорами.

Електрони, що потрапляють на екран, можуть зарядити його негативно і створити гальмівне поле, що зменшує їх швидкість. Від цього зменшиться яскравість світіння екрану і може взагалі припинитися попадання електронів на екран. Тому необхідно знімати негативний заряд з екрану. Для цього на внутрішню поверхню балона наноситься шар, що проводить. Він зазвичай буває графітовим і називається аквадагом. Аквадаг з'єднується з другим анодом. Вторинні електрони, що вибиваються з екрану ударами первинних електронів, летять до шару, що проводить. Після відходу вторинних електронів потенціал екрану зазвичай близький до потенціалу шару, що проводить. У деяких трубках є вивід від шару (ПС на малюнку), що проводить, який можна використовувати як додаткового анода з вищою напругою. При цьому електрони додатково прискорюються після відхилення в системі пластин (так зване післяприскорення), що відхиляють.

Шар, що проводить, виключає також утворення на стінках балона негативних зарядів від електронів, що потрапляють туди. Ці заряди можуть створювати додаткові поля, що порушують нормальну роботу трубки. Якщо в трубці шару, що проводить, немає, то вторинні електрони йдуть з екрану на пластини, що відхиляють, і другий анод.

Усі електроди трубки зазвичай монтують за допомогою металевих утримувачів і ізоляторів на скляній ніжці трубки.

Ланцюги живлення. Ланцюги живлення електростатичної трубки показані на мал. 20.2. Постійна напруга подається на електроди від двох випрямлячів E₁ і Е₂. Перший повинен давати високу напругу (сотні і тисячі вольт) при струмі в одиниці міліампер, джерело Е₂ - напруга, у декілька разів менша. Від цього ж джерела живляться і інші каскади, працюючі спільно з трубкою. Тому він розрахований на струм в десятки міліампер.

Живлення електронного прожектора здійснюється через дільника, що складається з резисторів R₁ R₂, R₃ і R₄. Їх опір зазвичай великий (сотні кілоом), щоб дільник споживав невеликий струм. Сама трубка також споживає малий струм: в більшості випадків десятки або сотні мікроампер.

Змінний резистор R₁ є регулятором яскравості. Він регулює негативну напругу модулятора, яка знімається з правої ділянки R1. Збільшення цієї напруги по абсолютному значенню зменшує число електронів в промені і, отже, яскравість світіння.

Для регулювання фокусування променя служить змінний резистор R₃, за допомогою якого змінюють напругу першого анода. При цьому змінюється різниця потенціалів, а отже, і напруженість поля між анодами. Якщо, наприклад, знижувати потенціал першого анода, то різниця потенціалів між анодами зросте, поле стане сильніше і його фокусуюча дія збільшиться. Оскільки напругу першого анода U_а1 не слід зменшувати до нуля або збільшувати до напруги другого анода U_a2, в дільника введені резистори R₂ і R₄.

Напруга другого анода U_a2 лише трохи менше, ніж напруга E₁ (різниця - падіння напруги на резисторі R₁). Слід пам'ятати, що швидкість електронів, що вилітають з прожектора, залежить тільки від напруги другого анода, але не від напруги модулятора і першого анода. Деяке число електронів потрапляє на аноди, особливо якщо аноди з діафрагмами. Тому в ланцюгах анодів протікають струми в долі міліампера і замикаються через джерело Е₁. Наприклад, електрони струму першого анода рухаються в напрямі від катода до анода, потім через праву ділянку резистора R₃ і через резистор R₄. до плюса джерела E₁ далі усередині нього і через резистор R₁ до катода.

Для початкової установки плями, що світиться, на екрані служать змінні резистори R₅ і R₆, підключені до джерела Е₂. Движки цих резисторів через резистори R₇ і R₈ з великим опором підключені до пластин, що відхиляють. Крім того за допомогою резисторів R₉ і R₁₀, що мають однаковий опір, встановлюється точка нульового потенціалу, сполучена з корпусом. У резисторів R₅ і R₆ на кінцях виходять потенціали +0,5 Е₂ і - 0,5 E_2, а їх середні точки мають нульовий потенціал. Коли движки резисторів R₅, R₆ знаходяться в середньому положенні, то на пластинах, що відхиляють, напруга дорівнює нулю. Зміщуючи движки від середнього положення, можна подавати на пластини різну напругу, що відхиляє електронний промінь по вертикалі або горизонталі і встановлює пляму, що світиться, в будь-якій точці екрану.

На пластини, що відхиляють, через розділові конденсатори C₁ і С₂ подається також змінна напруга, наприклад досліджувана напруга при використанні трубки для осцилографії. Без конденсаторів пластини, що відхиляють, шунтувалися б по постійній напрузі внутрішнім опором джерела змінної напруги. При малому внутрішньому опорі постійна напруга на пластинах, що відхиляють, різко зменшилася б. З іншого боку, джерело змінної напруги іноді дає і постійну напругу, яку небажано подавати на пластини, що відхиляють. У багатьох випадках неприпустимо також, щоб в джерело змінної напруги потрапляла постійна напруга, наявна в ланцюгах пластин, що відхиляють.

Резистори R₇ і R₈ включають для того, щоб збільшити вхідний опір системи, що відхиляє, для джерел змінної напруги. Без таких резисторів ці джерела були б навантажені на значно менший опір, що створюється тільки резисторами R₅, R₆ і резисторами R₉, R₁₀. При цьому резистори R₇ і R₈ не знижують постійну напругу, що подається на пластини, що відхиляють, оскільки через них не протікають постійні струми.

Корисним струмом є струм електронного променя. Електрони цього струму рухаються від катода до люмінесцентного екрану і вибивають з останнього вторинні електрони, які летять на шар, що проводить, і далі рухаються у напрямі до плюса джерела E₁, потім через його внутрішній опір і резистор R₁ до катода.

Живлення електродів трубки може бути виконане і по інших варіантах, наприклад від одного джерела високої напруги.