Магнитные электронно-лучевые трубки
Магнитные электронно-лучевые трубки, т. е. ЭЛТ с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением луча, получили большое распространение, в частности, в качестве приемных телевизионных трубок (кинескопов) и индикаторных трубок радиолокаторов. Так как фокусирующая и отклоняющая системы в виде катушек находятся снаружи трубок, конструкция магнитных трубок проще, нежели электростатических (рис. 2.17). Электронный прожектор имеет катод, модулятор и анод. Иногда анодом является проводящий слой. В некоторых трубках между анодом и управляющим электродом есть еще экранирующий электрод, на который подается положительное постоянное напряжение в несколько сотен вольт. Питание прожектора осуществляется так же, как в электростатической трубке, но при этом не требуется регулировки анодного напряжения для целей фокусировки. Расходящийся поток электронов подается из прожектора в магнитное поле фокусирующей катушки ФК, которая питается постоянным током. На рисунке она показана в разрезе. Возможна магнитная фокусировка длинной или короткой катушкой. В первом случае поток электронов проходит однородное магнитное поле внутри длинной катушки (рис. 2.18) и электронные траектории являются винтовыми линиями. Если электроны выходят из точки Б на оси катушки, то после каждого оборота они снова пересекут ось, т. е. сфокусируются в точках Б1, Б2 и т. д. Это показывают проекции траекторий на плоскость, перпендикулярную оси катушки. Они являются окружностями, выходящими из точки Б и возвращающимися в эту же точку. (На рисунке показаны траектории только двух электронов.)
Фокусировка длинной катушкой встречается в некоторых специальных электронных приборах. В ЭЛТ применяют неоднородное магнитное поле короткой катушки — в качестве короткой магнитной линзы (рис. 2.19). Движение электронов в таком поле сложно, и мы рассмотрим его приближенно. Разделим поле на две половины (/ и II) плоскостью, проходящей через середину катушки перпендикулярно ее оси. По обе стороны от этой плоскости магнитная индукция убывает вдоль оси катушки. Когда из точки Б в первую половину поля входит расходящийся поток электронов, то их траектории искривляются. В однородном поле траектории были бы винтовыми линиями, но в данном случае вследствие неоднородности поля они более сложны.
В первой половине поля магнитная индукция возрастает. Поэтому искривление траекторий усиливается и становится наибольшим на границе областей / и //. Далее магнитная индукция убывает и искривление траекторий ослабевает. Когда электроны выходят за пределы поля, они продолжают свой путь по инерции — по прямым линиям, которые пересекают ось трубки в точке Б1. Как видно, электроны летят по сложным пространственным кривым, которые условно можно назвать винтовыми линиями с переменным радиусом. Чтобы лучше представить себе траекторию электрона, на рис. 2.19 даны проекции траектории на три взаимно перпендикулярные плоскости. Так как скорость электронов велика, то эти траектории являются лишь небольшой частью одного оборота винтовой линии.
Для магнитного отклонения электронного луча служат две пары отклоняющих катушек, расположенные под прямым углом друг к другу. На рис. 2.17 для упрощения показана только одна пара катушек Lx с вертикально направленным вектором поля. Это поле отклоняет луч по горизонтали. Другая пара катушек Ly создает поле с горизонтально направленным вектором магнитной индукции и отклоняет луч по вертикали.
Если считать приближенно, что поле каждой пары катушек внутри трубки однородно, то электроны в этом поле движутся по дуге окружности с центром в точке О, а выйдя из поля,— по прямой линии (рис. 2.20). Электронный луч получает угловое отклонение а, и светящееся пятно на экране смещается на расстояние у. Чувствительностью магнитной трубки можно назвать отношение отклонения светящегося пятна на экране к намагничивающей силе, вызвавшей это отклонение.
Чувствительность магнитных трубок меньше зависит от анодного напряжения, нежели у электростатических. Не следует сравнивать чувствительность электростатических и магнитных ЭЛТ, так как она выражается в различных единицах .
Для усиления магнитного поля применяют замкнутые сердечники из мягкой стали или других ферромагнитных материалов. На более высоких частотах сердечники обычно не применяют и делают катушки специальной формы. Они охватывают трубку и создают более однородное поле. Для уменьшения магнитного рассеяния катушки помещают в ферромагнитный экран.
В прошлом магнитная фокусировка давала лучшие результаты, нежели электростатическая. Но в современных трубках электростатическая фокусировка по качеству не уступает магнитной фокусировке. Сравним обе системы.
Электростатическая фокусировка экономична, так как не требуется мощности на создание тока в фокусирующей катушке. При магнитном же отклонении источники, питающие отклоняющие катушки, должны иметь довольно большую мощность. Но зато магнитное отклонение позволяет упростить конструкцию трубки (поскольку фокусирующая катушка или фокусирующий магнит устанавливается снаружи трубки, а не монтируется внутри в вакууме) и дает возможность отклонять луч на очень большие углы. Это приводит к значительному уменьшению длины трубок даже при больших размерах экрана. При магнитном отклонении отсутствуют также искажения изображений. Следует, однако, отметить, что индуктивность отклоняющих катушек увеличивает инерционность процесса отклонения, и поэтому магнитная отклоняющая система не может хорошо работать на очень высоких частотах. Кроме того, входное сопротивление отклоняющих катушек мало на низких частотах, а на высоких частотах оно снижается из-за влияния собственной емкости катушек. А входное сопротивление электростатической отклоняющей системы достаточно велико даже на высоких частотах.
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ЭКРАН
Для получения нужной яркости, цвета свечения и длительности послесвечения к люминофору добавляют активаторы. Ими обычно служит серебро, марганец или медь. Длительное послесвечение у радиолокационных трубок достигается применением меди в качестве активатора. Активация серебром обеспечивает в кинескопах среднее послесвечение.
Наиболее часто применяемые люминофоры имеют следующие свойства. Оксид цинка дает фиолетовое или зеленое свечение и обладает коротким послесвечением, что необходимо для осциллографии. Различные смеси сернистого цинка и сернистого кадмия дают яркое свечение любого цвета, в частности белого, с послесвечением от долей микросекунды до минут. Для визуального наблюдения служат люминофоры из искусственного или естественного (минерал виллемит) кремнекислого цинка с марганцем в качестве активатора. Они имеют цвет свечения от зеленого до желто-оранжевого и небольшое послесвечение. Сине-фиолетовое свечение с коротким послесвечением дают экраны из вольфрамово-кислого бария, кальция, магния, кадмия, цинка и стронция (вольфраматы).
Яркость свечения приблизительно пропорциональна квадрату разности потенциалов между экраном и катодом, т. е. возрастает при увеличении скорости электронов в луче. Существует некоторая минимальная энергия электронов, необходимая для возникновения свечения. Она составляет десятки – сотни электрон-вольт. При меньших энергиях электроны не проникают в кристаллическую решетку люминофора. При энергиях электронов в несколько кило-электрон-вольт глубина проникновения не превышает 1 мкм. Для малых токов луча яркость пропорциональна плотности тока, но с увеличением последней выше некоторого значения яркость не возрастает (эффект насыщения).
Коэффициент полезного действия люминофора, т. е. отношение энергии видимого излучения к общей энергии бомбардирующих электронов, не превышает нескольких процентов. Большая часть энергии луча расходуется на нагревание экрана, выбивание вторичных электронов и испускание ультрафиолетовых и рентгеновских лучей.
Люминесцентный экран характеризуется светоотдачей, т. е. силой света на I Вт мощности электронного луча. Светоотдача максимальна при температуре люминофора от 0 до 80 °С. С дальнейшим повышением температуры светоотдача падает; при 400°С свечение вообще прекращается.
Нарастание свечения, или разгорание экрана, после начала его бомбардировки электронами происходит не мгновенно. После прекращения бомбардировки наблюдается постепенное затухание люминесценции, т. е. послесвечение экрана. В начале затухания резко уменьшается яркость свечения, а затем спад ее замедляется. Временем послесвечения экрана считают интервал между моментом прекращения электронной бомбардировки и моментом, когда яркость свечения уменьшается до 1 % начального значения. Различают очень короткое послесвечение – меньше 10-5 с, короткое - от 10-5 до 0,01 с, среднее – от 0,01 до 0,10 с, длительное - от 0,1 до 16 с и очень длительное - свыше 16 с.
Важную роль играет вторичная электронная эмиссия люминесцентного экрана. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии первичных электронов, которая определяется потенциалом экрана относительно катода и достигает максимума при энергии электронов в сотни электрон-вольт, а затем уменьшается (рис. 2.21). Свечение экрана будет постоянным, если потенциал экрана не меняется, а это возможно при условии, что число электронов, поступающих на экран, равно числу вторичных электронов, уходящих с экрана. Такой режим является установившимся. Ясно, что люминофоры с < 1 непригодны для экранов. Люминофор должен иметь > 1. При начальном потенциале экрана ниже работа невозможна, так как при < 1 потенциал экрана при попадании на него электронов будет уменьшаться . Если потенциал экрана находится в пределах между и , то > 1 и экран имеет в установившемся режиме потенциал на несколько вольт больше потенциала второго анода и соединенного с ним проводящего слоя. Тогда для вторичных электронов создается тормозящее поле, которое возвращает часть их на экран. Остальные электроны благодаря более высоким начальным скоростям уходят на проводящий слой. Ток вторичных электронов равен току электронного луча. Поскольку потенциалы проводящего слоя и экрана относительно катода обычно высокие, то, пренебрегая разницей между ними в несколько вольт, можно считать, что они равны.
Если же начальный потенциал выше, чем , то при попадании на экран электронов его потенциал будет понижаться и установится близким к потенциалу второго анода , так как тогда число приходящих первичных электронов равно числу уходящих вторичных. Потенциал является наивысшим возможным для данного люминофора, и его называют критическим. Для разных люминофоров он неодинаков и находится в пределах 5 — 35 кВ. Роль критического потенциала весьма существенна для трубок. Чем он выше, тем больше может быть скорость электронов в луче, а значит, и яркость изображения на экране.
Очевидно, что нет никакого смысла устанавливать значение выше критического потенциала , так как скорость электронов при ударе об экран определяется значением , а не . Например, если = 10 кВ и = 6 кВ, то электроны вылетят из второго анода с энергией около 10 кэВ, но на пути в тормозящем поле от анода до экрана они потеряют 4 кэВ и будут ударять в экран с энергией 6 кэВ. Но то же было бы и при = 6 кэВ.
Под влиянием электронной бомбардировки наблюдается постепенное уменьшение светоотдачи экрана. Но после «отдыха» прежняя светоотдача восстанавливается. При длительной эксплуатации возникает необратимое снижение светоотдачи — выжигание экрана. Места экрана, которые сильнее бомбардировались электронами, темнеют и тем больше, чем больше мощность электронного луча. Увеличение плотности тока луча влияет на выжигание сильнее, нежели повышение скорости электронов. Поэтому лучше применять более высокое анодное напряжение при меньшем токе луча. Напомним, что повышение напряжения улучшает также фокусировку.
Желательно иметь изображение с достаточной, но наименьшей яркостью. Не следует получать на экране неподвижное пятно большой яркости, так как это приводит к выжиганию экрана. Электронный луч значительной мощности может также расплавить стекло.
Люминофор разрушается от бомбардировки его отрицательными ионами, которые вместе с электронами выделяются из оксидного катода. Ионы, имея большую массу, почти не искривляют свои траектории под действием магнитных полей. Поэтому в магнитных трубках ионы летят несфокусированным потоком и бомбардируют все время одну и ту же центральную часть экрана, на которой образуется темное ионное пятно. Для его устранения применяют специальные электронные прожекторы с ионными ловушками.
В ионном пятне выжженным является поверхностный слой люминофора. Если повысить анодное напряжение, то электроны проникают глубже в люминофор и вызывают интенсивную люминесценцию. Таким путем можно полностью или частично устранить на некоторое время ионное пятно. Конечно, при этом нельзя превышать допустимое анодное напряжение. В электростатических трубках ионы фокусируются и отклоняются так же, как электроны. У таких трубок ионное пятно не наблюдается. Но с течением времени уменьшается коэффициент вторичной эмиссии экрана, а, следовательно, критический потенциал и яркость свечения.
Для улучшения свойств экрана поверхность люминофора со стороны луча покрывают алюминиевой пленкой толщиной 0,1—2,0 мкм. Эта пленка соединена с проводящим слоем трубки. Металлизированные экраны имеют ряд преимуществ. Вторичная эмиссия люминофора уже не нужна. Проводимость алюминиевого слоя обеспечивает уход электронов с экрана в цепь второго анода. Поэтому критический потенциал экрана может быть много выше, чем без металлизации. Следовательно, возможны большие скорости электронов, что увеличивает яркость свечения. Увеличению яркости способствует отражение световых лучей от алюминиевой пленки. Ионы, имеющие сравнительно небольшую скорость, не пробивают алюминиевую пленку, и ионного пятна не возникает. А электроны, обладая большой скоростью, проникают сквозь металлическую пленку в люминофор, хотя и расходуют часть энергии на пробивание пленки.
Металлизированные экраны применяют в трубках, работающих с высокими анодными напряжениями. При низких анодных напряжениях применение таких экранов нецелесообразно, так как слишком большая часть энергии электронов будет теряться (расходоваться на пробивание металлической пленки).
Литература
1. Кушманов И. В., Васильев Н. Н., Леонтьев А. Г. Электронные приборы. Учебное пособие для вузов. М.:«Связь», 1973.(стр. 11 – 100, стр. 243 - 277).
2. Жеребцов И. П. Основы электроники.- 5-е изд. перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1990. (стр. 206 – 284).
3. Булычев А. Л., Лямин П. М., Тулинов Е. С. Электронные приборы. Учебник для вузов. Мн.: «Высшая школа», 1999. (стр. 224 – 306).