ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ

- электронные электровакуумные приборы, в к-рых для индикации, коммутации и др. целей используется поток электронов, сконцентрированный в форме луча или пучка лучей. Э.-л. п., имеющие форму трубки, вытянутой в направлении луча, наз. электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).

Э.-л. п. являются преобразователями информации (сигналов) и по виду преобразования разделяются на следующие группы: преобразующие электрич. сигнал в видимое изображение - приёмные ЭЛТ (осциллографы, телевиз. кинескопы) и индикаторные, используемые в радиолокац. системах и в устройствах вывода информации из ЭВМ; преобразующие видимое изображение в электрич. сигнал-передающие ЭЛТ, используемые для передачи телевиз. изображения (см. Телевидение); запоминающие ЭЛТ, предназначенные для записи сигналов и последующего воспроизведения записанной информации в виде электрич. сигналов, оптич. изображения или того и другого. К Э.-л. п. относят также электронно-оптические преобразователи, предназначенные для смещения изображения из одной спектральной области в другую с помощью электронного пучка.

Широкое распространение Э.-л. п. имеют благодаря ряду свойств, присущих электронному пучку. Наиб. важным является его практическая б е з ы н е р ц и о н н о с т ь, позволяющая использовать Э.-л. п. для исследования быстро-протекающих процессов: с помощью электронного осциллографа можно зарегистрировать раздельно два импульса с интервалом 0,1 мкс. Это свойство объясняется очень малой массой электрона, что позволяет небольшим изменением электрич. поля сообщать электронам очень большие ускорения. Воздействием поперечных электрич. и магн. полей можно практически мгновенно изменять направление движения электронов, отклонять или поворачивать электронный луч - управлять им.

Одним из осн. показателей качества Э.-л. п. является объём информации, преобразуемой без существ. искажений. Макс. объём информации, воспроизводимой на экране приёмной трубки или воспринимаемой мишенью передающей и запоминающей трубки, определяется разрешающей способностью прибора. Напр., разрешающая способность кинескопа оценивается кол-вом отдельно различимых светящихся строк, укладывающихся на рабочей поверхности экрана. Разрешающая способность, при прочих равных условиях, будет тем выше, чем меньше сечение электронного луча в плоскости приёмника.

В Э.-л. п. можно выделить три осн. конструктивных узла: электронный прожектор, формирующий электронный луч; отклоняющие системы, перемещающие электронный луч в пространстве; экран или мишень, являющиеся приёмником электронов луча.

Электронные прожекторы в зависимости от вида Э.-л. п. формируют электронные пучки с токами от единиц мкА (приёмные ЭЛТ высокого разрешения и передающие телевиз. трубки) до неск. мА (цветные кинескопы с большим экраном) и с энергиями электронов от неск. сотен эВ (миниатюрные осциллографич. трубки) до неск. десятков кэВ (проекционные кинескопы).

В большинстве Э.-л. п. используются пучки круглого сечения, для формирования к-рых применяют осесиммет-ричные электрич. и магн. поля электронных линз. Электронно-оптич. система совр. электронных прожекторов со-держит две (иногда три и более) электронные линзы. Бли- жайшая к катоду линза - электростатическая, её поле ускоряет электроны; последующие линзы могут быть электростатическими или магнитными. Целесообразность использования двух линз вытекает из требования получения электронного пучка возможно меньшего сечения.

Ток луча прожекторов невелик, а энергия электронов, определяемая ускоряющим напряжением, достаточно велика, поэтому первеанс (I/U^3/2) в области формирования луча в большинстве случаев не превышает 10^-8 А/В ^3/2, что позволяет использовать законы геом. электронной и ионной оптики; только в прикатодной области необходимо учитывать пространственный заряд.

Рис. 1. Электронно-оптические схемы однолинзового ( а) и двухлинзового ( б )электронных прожекторов: О-плоскость отображаемого объекта (катода); И - плоскость изображения (экрана); Л-линзы; r₁ и r₂- радиусы объекта и изображения; g₁ и g₂ - апертурные углы со стороны объекта и изображения; U₁ и U₂- потенциалы в пространствах объекта и изображения.

На рис. 1 приведены электронно-оптические схемы одно-линзового ( а )и двухлинзового ( б )прожекторов, где О - плоскость отображаемого объекта (катода), И-плос- кость изображения (экрана), Л-линзы, r₁ -радиус объекта, r₂ - радиус изображения, g₁ и g₂- апертурные углы со стороны объекта и изображения. Используя теорему Лагранжа - Гельмгольца r₁n₁ j_l=r₂n₂ j₂. и учитывая, что в электронной оптике роль показателей преломления n₁ и п₂ играют и , для величины изображения имеем

Для получения малого радиуса луча r₂ в плоскости экрана необходимо уменьшить числитель и увеличить знаменатель в (1). Уменьшение радиуса катода r₁. приводит к уменьшению тока луча, уменьшение U₁- потенциала в прикатодной области - к увеличению влияния нач. скоростей электронов, хроматической аберрации линзы и расталкивающего действия пространств. заряда, уменьшение g₁ -к ограничению тока. Увеличение U₂ ограничено элек-трич. прочностью прибора и условиями эксплуатации, увеличение g₂ возможно за счёт уменьшения расстояния от экрана до линзы, при этом ограничивается возможность размещения между линзой и экраном достаточно чувствительной отклоняющей системы; всё это приводит к невозможности получения удовлетворит. результатов при применении однолинзовой формирующей системы.

Применяя двухлинзовую систему, можно уменьшить изображение катода за счёт увеличения g₂. Кроме того, вторую линзу можно "настроить" так, что на экране изображается не катод, а скрещение (кроссовер) - наименьшее сечение пучка, образующееся между первой линзой и создаваемым ею изображением катода. Теоретич. радиус кроссовера может быть сколь угодно малым, практически же из-за разброса нач. скоростей электронов, кулоновского расталкивания и аберраций линзы кроссовер имеет конечный радиус, но в десятки и сотни раз меньший радиуса катода. Понятие "радиус скрещения" условно, т. к. плотность тока спадает постепенно из-за разброса нач. скоростей электронов. Принято считать радиусом кроссовера расстояние от оси, на к-ром плотность тока 0,1 от значения на оси. Экспериментально определённый радиус скрещения составляет 10-100 мкм.

Во мн. типах приёмных ЭЛТ, напр. в кинескопах, используют трёхлинзовые прожекторы, в к-рых между первой линзой, формирующей скрещение, и линзой, отображающей скрещение на экране, помещается третья, сравнительно слабая линза, уменьшающая угол расхождения пучка за кроссовером. Это приводит к уменьшению изображения кроссовера и уменьшению диаметра пучка в области отображающей линзы, что уменьшает её геом. аберрации. Совр. прожекторы при токах пучка в неск. мкА позволяют получать светящееся пятно на экране диам. 10 мкм.

Током пучка управляют, изменяя потенциал диафрагмы, наз. модулятором и расположенной между катодом и ускоряющим электродом (анодом). Три электрода - катод, модулятор и ускоряющий электрод-образуют первую линзу электронного прожектора. Для достаточно эффективного отбора электронов с катода поле, создаваемое ускоряющим электродом, должно доходить до поверхности катода. Изменение потенциала модулятора приводит к изменению тока луча. Управляющее действие модулятора аналогично действию управляющей сетки электронной лампы, но в отличие от последней потенциал модулятора влияет также на величину площади поверхности катода, у к-рой имеется ускоряющее поле. Это приводит к более сильной зависимости тока от напряжения модулятора. График зависимости тока катода (или тока луча) от напряжения модулятора, наз. модуляционной характеристикой прожектора, приближённо описывается па-раболич. законом с показателем степени 5/2.

Первая линза прожектора, ускоряющая электроны, может быть только электростатической, вторая и последующие могут быть электростатическими (иммерсионными или одиночными) или магнитными. Прожекторы, все линзы к-рых являются электростатическими, наз. прожекторами с электростатич. фокусировкой; прожекторы, имеющие хотя бы одну магн. линзу, наз. прожекторами с магн. фокусировкой (рис. 2).

Рис. 2. Схема приёмных ЭЛТ с электростатической ( а )и магнитной ( б )фокусировкой и отклонением луча: К - катод; M - модулятор; УЭ - ускоряющий электрод; ОС-отклоняющие системы; МЛ -магнитная линза; ПП-проводящее покрытие; Э-экран.

Отклоняющие системы (ОС). Э.-л. п. должны обеспечивать совмещение электронного луча с любой точкой поверхности экрана или мишени. Это достигается использованием двух отклоняющих элементов, смещающих луч во взаимно перпендикулярных направлениях. ОС должны быть линейными-величина смещения луча в плоскости экрана пропорциональна величине отклоняющего фактора. ОС должны обладать достаточно большой чувствительностью-отклонение луча на заданную величину должно происходить при возможно меньшей величине отклоняющего фактора. ОС не должны заметно нарушать фокусировку - сформированный луч должен отклоняться как одно целое.

Для отклонения луча используют электростатич. и магн. ОС, представляющие собой примерно однородное элек-трич. или магн. поле, ориентированное по нормали к лучу (поперечное поле). В поперечном электрич. поле электроны луча описывают параболич. траектории, в магнитном - дуги окружности. Угол, на к-рый отклонится луч по выходе из отклоняющего электрич. a _э или магн. a _м поля, определяется выражением

где l -протяжённость области отклоняющего поля, u_z- скорость электрона при входе в отклоняющее поле, E и В- напряжённость электрического и индукция магнитного полей.

Смещение следа электронного луча (светящегося пятна) на экране, при расстоянии от центра отклонения до экрана L, равно

где b^-1. и k - коэф. пропорциональности между E и В и отклоняющими факторами - отклоняющим напряжением (U _отк )электростатич. системы и "ампер-витками" (nI _отк) магн. системы, U_a -ускоряющее напряжение-разность потенциалов между катодом и выходным электродом прожектора, определяющая скорость электронов при входе в отклоняющую систему. Величины наз. чувствительностью по отклонению - отношение величины смещения пятна на экране к величине отклоняющего фактора.

Теоретически ОС могут быть линейными и не нарушать фокусировку, поскольку все электроны луча отклоняются одинаково. Практически из-за наличия полей рассеяния за границами отклоняющих полей, конечного диаметра луча в пространстве отклонения, отличия потенциала в области отклонения от потенциала выходного электрода прожектора, приводящего к изменению скоростей электронов луча при отклонении, реальные системы могут считаться линейными лишь при небольших углах отклонения (~10- 15° при электростатич. отклонении). При больших углах отклонения линейность нарушается, фокусировка ухудшается, что ведёт к уменьшению разрешающей способности у краёв экрана.

Электростатич. ОС просты по устройству, не требуют затраты энергии на отклонение, имеют очень малые ёмкость и индуктивность, что делает их практически безынерционными вплоть до сотен МГц. Недостаток их-нарушение фокусировки на краях экрана. Магн. ОС более линейны, меньше влияют на фокусировку, но сложны по устройству, требуют затраты энергии для отклонения луча и за счёт большой индуктивности отклоняющих катушек могут использоваться только на сравнительно низких частотах (15-20 кГц). Чувствительность по отклонению у электростатич. систем ~U_a^-1, а у магн. систем пропорц. U_a^-1/2, т. е. повышение ускоряющего напряжения прожектора приводит к существенно меньшему снижению чувствительности магн. отклонения по сравнению с электростатическим.

При очень высоких частотах отклоняющих сигналов даже при использовании электростатич. ОС снижается чувствительность и искажается форма наблюдаемого сигнала. Поэтому для осциллографирования СВЧ-процессов используют ОС с бегущей волной. В этих системах отклонение луча осуществляется полем СВЧ-волны, бегущей вдоль спирали с фазовой скоростью, во столько раз меньшей скорости света, во сколько шаг спирали меньше длины её витка. При ускоряющем напряжении прожектора в неск. кВ можно сформировать луч со скоростью электронов, равной фазовой скорости бегущей волны. При этом электроны луча, проходящего вблизи спирали, будут всё время находиться в одной фазе отклоняющего напряжения, т. е. будет обеспечиваться длит. взаимодействие отклоняющего поля с электронами луча, что позволяет получить удовлетворит. чувствительность при мин. искажениях на частотах до неск. ГГЦ.

Приёмником электронов в Э.-л. п., преобразующих элек-трич. сигнал в видимое изображение, является экран. Он состоит из подложки, к-рой в большинстве приёмных ЭЛТ является стеклянное дно вакуумной колбы прибора, и нанесённого на неё слоя люминофора, преобразующего кине-тич. энергию электронов в световую энергию в видимой части спектра. В ряде приборов поверх слоя люминофора наносится проводящее покрытие - тонкий металлич. слой. Экран должен достаточно эффективно преобразовывать энергию электронов в энергию светового излучения. Эта эффективность характеризуется энергетич. выходом h - отношением энергии излучения к энергии, приносимой на экран электронами луча. Техн. экраны имеют h = 8-10%, наиб. эффективные - до 15-20%.

Свойства экранов в осн. определяются типом люминофора, но зависят также от толщины слоя и размеров зерна люминофора, способа нанесения и термич. обработки экрана. Эффективность техн. экранов характеризуют световой отдачей - отношением силы света, излучаемого экраном, к мощности возбуждающего свечение электронного луча. Световая отдача экранов 15 кд/Вт. Распространённым параметром экрана является яркость свечения:

где А - размерный коэф. пропорциональности, j- плотность тока электронного луча, U_a - ускоряющее напряжение, U₀ - мин. ускоряющее напряжение, при к-ром возникает свечение, n= 1,5-2,5.

Яркость экранов небольших осциллографич. трубок составляет неск. кд/м ², у высоковольтных проекционных кинескопов доходит до 10 кд/м ². Параболич. зависимость яркости свечения от ускоряющего напряжения сохраняется до очень высоких U_a (>100 кВ); линейная зависимость от плотности тока луча - только при небольших значениях j (до 0,1-0,2 мА/см ²); при больших значениях плотности тока наблюдается насыщение - рост j не приводит к пропорциональному увеличению яркости.

Большинство люминофоров имеет спектр излучения в виде полос, положение и интенсивность к-рых определяют видимый цвет свечения экрана. Варьируя хим. состав люминофора и вводимые в него примеси, можно получить экран с любым цветом свечения.

При попадании электронов луча на экран свечение возбуждается практически мгновенно (10^-8 -10^-9 с), после прекращения электронной бомбардировки яркость спадает постепенно по экспоненц. или гиперболич. закону. Длительность послесвечения экрана ЭЛТ составляет 10^-5- 10^-2 с, индикаторные трубки с двухслойным люминофором имеют послесвечение до неск. секунд.

Кинетич. энергия электронов пучка идёт на возбуждение свечения, нагревание экрана и на возбуждение вторичной электронной эмиссии, к-рая является единств. механизмом отвода с диэлектрич. экрана заряда, приносимого электронами.

Эмиссионные свойства экрана описываются зависимостью коэф. вторичной эмиссии s от энергии электронов луча. График этой зависимости имеет пологий максимум, в к-ром s> 1; при малых и очень больших энергиях s< 1. Значения энергии, при к-рых s=1, определяют критич. потенциалы - первый при малых энергиях (сотни эВ), второй- при больших энергиях (тысячи эВ). Эфф. отвод заряда с экрана возможен лишь при s>=1. При s<1 на экране накапливается отрицат. заряд, при s> 1-положительный. В режиме s >= 1 ускоряющее напряжение прожектора лежит в интервале между первым и вторым критич. потенциалами.

Для получения очень больших яркостей свечения применяют высокие ускоряющие напряжения, часто выше второго критич. потенциала экрана. При этом потенциал экрана принудительно поддерживают равным потенциалу выходного электрода прожектора, для чего поверх слоя люминофора наносится тонкий слой алюминия, соединённый с выходным электродом прожектора. Алюминиевый слой к тому же надёжно защищает экран от разрушения ионной бомбардировкой. Поэтому большинство высоковольтных ЭЛТ имеют алюминированные экраны.

В запоминающих и передающих телевиз. трубках приёмником электронов является мишень - слой диэлектрика или полупроводника. В запоминающих трубках электронный луч создаёт на поверхности мишени "потенц. рельеф", характеризующий вводимую информацию. В передающих телевиз. трубках мишень обладает фоточувствительностью и потенц. рельеф создаётся при проецировании на неё оптич. изображения, а пробегающий по мишени электронный луч преобразует потенц. рельеф в последовательность электрич. сигналов.

В зависимости от назначения Э.-л. п. его осн. узлы могут существенно различаться по устройству при сохранении функциональных признаков. Так, напр., в осциллографич. трубках чаще используют электростатич. фокусировку и отклонение, экраны с зелёным цветом и коротким послесвечением; в кинескопах - электростатич. фокусировку и магн. отклонение, алюминированные экраны; в индикаторных трубках - магн. фокусировку и отклонение, длительно светящиеся экраны и т. д.

Конструктивно электронные прожекторы выполняются в виде набора электродов - круговых цилиндров и диафрагм с круглыми отверстиями, располагаемых последовательно вдоль оси прибора. Эти электроды с разл. потенциалами образуют электронно-оптич. систему, формирующую луч. Магн. фокусирующие линзы имеют вид круглых катушек, заключённых в оболочку из ферромагнетика. Электростатич. ОС образуются двумя парами металлич. пластин, во мн. приборах однократно изогнутых. Магн. ОС выполняются в виде двух пар катушек, создающих взаимно перпендикулярные поля.

Электронно-оптич. системы прожекторов и электростатич. ОС располагаются внутри герметичной колбы - оболочки прибора, в к-рой создаётся высокий вакуум (<=10^-6 мм рт. ст.). Магн. фокусирующие и отклоняющие системы размещаются снаружи на горловине трубки.

Лит.: Шерстнев Л. Г., Электронная оптика и электронно-лучевые приборы, M., 1971; Жигарев А. А., Шамаева Г. Г., Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы, M., 1982.

А. А. Жигарев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.