Кабардино-Балкарский Государственныйуниверситет им. Б.М Бербекова
Курсовая работа
по курсувакуумной и плазменной физики
На тему:
Формирование электронных пучков.
Магнитныефокусирующие линзы.
Выполнил: Мостный А.С.
Студент 3 курса ФМиКТ
ТТЭ 2 группа
Проверил: Аккизов Ю.А.
Нальчик
1.1
Классификация электроннолучевых приборов
Электроннолучевымиприборами называются электровакуумные приборы, действие которых основано наформировании и управлении по интенсивности и положению одним более электроннымипучками. Несмотря на большое разнообразие электронно-лучевых приборов, как поустройству, так и по назначению, между ними есть много общего. Так,электронно-лучевой прибор всегда содержит в баллоне три основных элемента: электронный прожектор, формирующийэлектронный пучок, или луч, отклоняющую приёмникэлектронов – экран или систему электродов электронного коммутатора.
Еслив основу классификации электронно-лучевых приборов положить наиболеесущественный преобразовательный признак, то все эти приборы можно разделить начетыре группы:
1. Приборы, преобразующие электрический сигнал визображение – приёмные электронно-лучевые трубки: индикаторные иосциллографические трубки, кинескопы и другие.
2. Приборы, преобразующие изображение в электрическийсигнал – передающие электронно-лучевые трубки
3. Приборы, преобразующие электрический сигнал вэлектрический сигнал – потенциалоскопы, электронно-лучевые коммутаторы.
4. Приборы, преобразующиеневидимое изображение в изображение видимое – электроннооптическийпреобразователь, электронный микроскоп.
1.2
Устройство и принцип действия трубки сэлектростатическим управлением
Осциллографическая электронно-лучевая трубкапредставляет собой стеклянный баллон специальной формы, в котором созданвысокий вакуум. В ней расположены электроды, осуществляющие формированиеэлектронного потока в виде тонкого электронного луча. И электроды, управляющиеэтим лучом. Совокупность электродов, формирующих электронный луч, называется электронным прожектором. Он обычносостоит из катода К, модулятора М,первого А1 и второго А2 анодов. Наиболее часто применяют оксидные или камерныеподогревные катоды, выполненные в виде стаканчика, у которого активная областьрасполагается на наружной поверхности дна (Рис1.).
Модулятор главным образом служит для измененияплотности тока электронного луча. К модулятору подводится небольшой отриц-льныйпотенциал, регулируемый в пределах от нуля до -30 вольт.
Электронныйпоток формируется только за счёт электронов, прошедших через диафрагмудиаметром около 1 мм. Таким образом, электроны, вектор начальной скоростикоторых значительно отклоняется от нормали к поверхности катода, не проходятчерез диафрагму и в формировании электронного луча не участвуют.Предварительной фокусировке электронного потока способствует небольшойотрицательный потенциал, проводимый к управляющему электроду. Изменение этогопотенциала приводит к изменению траектории электронов, и при болееотрицательном потенциале электроны, ранее проходившие по периферии диафрагмы,отражаются, а плотность электронного потока уменьшается. Далее по оси трубки располагаютсяещё два цилиндра – первый и второй аноды. Первый анод А1, находясьпод положительным потенциалом в несколько сотен вольт, ускоряет движущийся откатода поток электронов. Ко второму аноду А2 подводится напряжение, достигающеев некоторых электроннолучевых приборах десятков киловольт, и поток электроновпокидает второй анод с достаточно высокой скоростью. Кроме ускоренияэлектронов, назначение анодов заключается в формировании узкого электронногопучка – фокусировании электронногопотока. Вследствие различия потенциалов катода, модулятора, первого и второгоанодов в пространстве между ними создаются неоднородные электрические поля — электронные линзы. Конфигурация электродови их потенциалы подбираются таким образом, что вся система образует двеэлектростатические линзы: первую – между модулятором и ускоряющим электродом ивторую – между ускоряющим электром и вторым анодом. Проходя через эти линзы,электроны образуют узкий сходящийся у экранапучок – электронный луч. Вся система электродов крепится на траверсах иобразует единое устройство, называемое электроннойпушкой. Выйдя из электронной пушки, электронный луч попадает в систему отклоняющих пластин, служащую для управления положением луча впространстве: Х — пластины искривляют электронный луч в горизонтальнойплоскости, У — пластины — в вертикальной. На внутреннюю стенку выпуклого торцатрубки наносят люминофор- вещество,светящееся при бомбардировке электронами, которое совместно со стеклом куполаобразуют экран Э. С помощью отклоняющих пластин электронный лучможет быть направлен в любую точку экрана. При этом, если положение лучазафисиксировано, с внешней стороны экрана через стекло просматриваетсясветящееся пятно, которое имеет малые размеры и условно может считатьсясветящейся точкой. Чтобы под действием электронного луча экран не накапливалэлектростатических зарядов, коэффициент вторичной электронной эмиссиилюминофора делают близким к единице σ =1. Для удаления вторичныхэлектронов на внутреннюю боковую поверхность баллона наносят токопроводящее графитовое покрытие, которое внутрибаллона соединяют со вторым анодом.
Все электроды электронного прожектораобычно питаются от одного источника с помощью делителя напряжения. На второйанод, соединённый с внутренним графитовым покрытием, подают напряжениенесколько киловольт, на первый анод – несколько сотен, на модулятор – минуснесколько десятков вольт (все относительно катода). Так как второй анодсоединяется с внутренним графитовым покрытием, геометрические размеры котороговелики, то для того чтобы между графическим покрытием и оператором не возниклопаразитных электрических полей, влияющих на электронный луч, восциллографических трубках оказывается целесообразным заземлении не минуса, аплюса источника питания.
Если напряжение на отклоняющих пластинахизменяются, то электронный луч, а, следовательно, и светящееся пятно на экранеперемещаются, описывая траекторию всоответствии с изменением напряжения на отклоняющих пластинах может визуальнонаблюдаться на экране электроннолучевой трубки. Диаметр светящегося пятна итолщина линии движения луча тем меньше, чем лучше сфокусирован электронный луч.Яркость свечения экрана зависит от числа бомбардирующих его в единицу времени электронови от скорости их движения. Яркость свечения можно изменять, регулируянапряжение на модуляторе и, следовательно, изменяя плотность тока электронноголуча, а также за счёт скорость движения электронов, которая определяетсянапряжением на втором аноде.
1.3
Электростатическаяфокусировка электронного луча
При соответствующей форме электродов прожектора иразности потенциалов между ними создаётся такое неоднородное электрическоеполе, которое ускоряет электроны луча в сторону экрана и одновременнопроизводит его фокусировку. Фокусировкаэлектронного луча производится дважды: в точках F1 и F2. Это свидетельствуето наличии в электронном прожекторе двух электроннооптическихсистем: короткофокусной с фокусом в точке F1 (образуется катодом, модулятором и первым анодом) идлиннофокусной с фокусом в точке F2,расположенной в плоскости экрана (образуется первым и вторым анодами). Принципдействия обеих систем совершенно одинаков, поэтому достаточно рассмотретьдействие только одной, например длиннофокусной системы.
На рисунке 2а) показанонеоднородное электрическое поле, возникающее внутри прожектора между первым ивторым анодами при условии Ua>Ua1.
На рисунке 2б), выделена лишь одна электрическаясиловая линия и показана траектория электрона, отклоняющегося от оси поднебольшим углом и встречающегося с силовой линией в точке А. В этой точкевектор напряженности электрического поля Е можно разложить на горизонтальную Еги вертикальную Ев составляющие. Согласно соотношению Ег будет ускорять электронв сторону экрана, а Ев будет прижимать его к оси, то есть осуществлятьфокусировку.
0
.
При повторной встречеэлектрона с этой силовой линией в точке В Ег по-прежнему будет оказывать нанего ускоряющее действие, а Ев будет способствовать расфокусировке. Новертикальная составляющая в точке Вменьше, чем в точке А, так как электрон вылетает из неоднородного электронногоэлектрического поля, прижатым к оси. Кроме того, в районе точки В он имеетбольшую скорость, чем в районе точки А, поэтому отклоняющая сила воздействуетна электрон меньший промежуток времени.
Следовательно, фокусирующеедействие неоднородного электрического поля оказывается преобладающим.Аналогично действует на световой луч оптическая система, состоящая изсобирательной и рассеивающей линз при условии, что оптическая сила собирающей линзыбольше рассеивающей (рис.2в) ).
2.1
Магнитные фокусирующие линзы
Задача превращения потокаэлектронов в тонкий электронный луч, обладающий в плоскости экрана минимальнымпоперечным сечением и большой плотностью тока, решается с помощьюэлектростатических и магнитных линз, образуемых специальными электродами,составляющими фокусирующую систему электроннолучевой трубки.
Далее будет рассматриватьсямагнитные линзы.
2.2
Типымагнитных линз. Форма поля в магнитных линзах
Длинная магнитная линзапредставляет собой просто однородное магнитное поле, параллельно которомунаправлена ось фокусируемого расходящегося пучка электронов. Длинная линза даётпрямое изображение объекта, многократно повторяющееся на равных расстояниях,причём как объект, так и его изображение лежат внутри поля. Длинная магнитнаялинза мало похожа на оптические и электростатические электронные линзы: она непреломляет лучей, параллельных полю, и, значит, не имеет ни фокусов, ни главныхточек и не может давать ни увеличенного, ни уменьшенного изображения.
Обширное применение имеютмагнитные линзы, образованные неоднородным аксиальносимметричным полем. На рис.3 даны меридианные сечения некоторых магнитных линз этого класса и формасиловых линий в меридианной плоскости.
простейшая, но очень слабая магнитная линза – этокольцевой ток. Напряжённость поля на оси кольцевого тока радиуса R, как можно очень показать, исходя из законаБио-Савара, выражается формулой
где — напряженность поля в центре кольцевого тока,то есть там, где она имеет максимальное значение, и Z– расстояние от плоскости тока. Поле на оси короткойкатушки без железа, если её внутренний радиус много больше толщины оболочки,приближенно можно вычислить по той же формуле, полагая в ней где Rсредний её радиус. Для увеличения оптической силылинзы нужно увеличить и сжимать поле восевом направлении. Это достигается с помощью оболочки из ферромагнетика –магнитного экрана (рис.3, б и в) часто снабженного кольцевыми полюсныминаконечниками (рис.3, г).
2.3
Механизм фокусировки в магнитной линзе
Из картины силовых линий видно, что на значительнойчасти поля линзы радиальная составляющая поля и продольная zв точку А, имеет скорость (рис.4).
Силу, действующую на электрон, можно представить каксумму двух сил: Frz– силы, действующей со сторонырадиальной слагающей поля Hrна электрон, имеющий скорость Vr. Направление обеих сил одинаково, но вследствиепараксиальности электронных лучей Vz>>Vr и
Под действием силы электрон получаетскорость, перпендикулярную к меридианной плоскости. Действие продольнойсоставляющей поля на электрон, имеющий скорость не меняется и скорость растёт. Во второйполовине линзы и вместе с ней меняют направление.Скорость начинает убывать и кмоменту выхода из линзы обращается в нуль, нигде не меняя своего знака. Электронвыходит из линзы в другой меридиальной плоскости по измененному направлению идальше, двигаясь прямолинейно, пересекает ось в точке О.
Если поле линзы слабо, то, конечно, может оказаться,что лучи и после выхода из линзы останутся расходящимися – в этом случае осьпересекут продолжения лучей. С другой стороны, при сильном поле электрон внутрилинзы успеет несколько раз пересечь ось.
2.4
Магнитная отклоняющая система
Управление пространственным положением лучаосуществляется с помощью электрических (электростатическаяотклоняющая система) и магнитных (магнитнаяотклоняющая система) полей, а управление плотностью тока – с помощьюэлектрических полей. Электронно-лучевые приборы используются для получениявидимого изображения электрических сигналов, а также для
запоминания (хранения)сигналов.
Отклоняющая система служит дляуправления положением луча в пространстве. В трубках с магнитным управлениемотклоняющая система состоит из двух пар отклоняющих катушек.
Магнитная отклоняющая система обычносодержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки и образующихмагнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим отклонениеэлектрона магнитным полем одной пары катушек, считая, что поле ограничено диаметромкатушки и в этом пространстве однородно. На рис.1 силовые линии магнитного поляизображены уходящими от зрителя перпендикулярно плоскости чертежа. Электрон сначальной скоростью V0движется в магнитном поле, вектор индукции Bкоторого нормален к вектору скорости V0,по окружности с радиусом
По выходе из магнитного поля электронпродолжает движение по касательной к его криволинейной траектории в точкевыхода из поля. Он отклонится от оси трубки на некоторую величину z = L tga. При малых углах a»tg a; z »La.
Величина центрального угла a= s/r »l1/r,где s – кривая, по которойдвижется электрон в поле В.Подставляя сюда значение r, получаем:
Таким образом, отклонение электрона равно:
Выражая скорость V0электрона через напряжение на аноде, получаем:
Учитывая, что индукция магнитного поляпропорциональна числу ампер-витков wI, можно записать:
2.5
Конструкцияотклоняющих катушек.
Отклоняющие катушки с ферромагнитнымисердечниками позволяют увеличить плотность потока магнитных силовых линий внеобходимом пространстве. Катушки с ферромагнитными сердечниками применяютсятолько при низкочастотных отклоняющих сигналах, так как с увеличением частотыотклоняющего напряжения возрастают потери в сердечнике. В телевизионных ирадиолокационных электронно-лучевых трубках обычно применяются отклоняющиекатушки без сердечника. Стремясь получить более однородное магнитное поле, краякатушки отгибают, а саму катушку изгибают по форме горловины трубки. Витки вкатушке распределяют неравномерно: Число витков на краях обычно в 2 – 3 раза больше,чем в середине. Для уменьшения поля рассеяния катушки без сердечника обычнозаключаются в стальной экран.
2.6
Достоинства и недостаткиэлектростатической и магнитной систем отклонения.
Отклонение луча магнитным полем в меньшей степенизависит от скорости электрона, чем для электростатической системы отклонения.Поэтому магнитная отклоняющая система находит применение в трубках с высокиманодным потенциалом, необходимым для получения большой яркости свечения экрана.
К недостаткам магнитных отклоняющих систем следуетотнести невозможность их использования при отклоняющих напряжениях с частотойболее 10 – 20 кГц, в то время как обычные трубки с электростатическим отклонениемимеют верхний частотный предел порядка десятков мегагерц и больше. Кроме того, потреблениемагнитными отклоняющими катушками значительного тока требует применения мощныхисточников питания.
Достоинством магнитной отклоняющей системы являетсяее внешнее относительно электроннолучевой трубки расположение, что позволяет применятьвращающиеся вокруг оси трубки, отклоняющие системы.
3.1
Использованная литература:
1. В.И.Гапонов“Электроника”. «Физматгиз» 1960г.
2. В.Н.Дулин“Электронные приборы”. «Энергия» 1969г.
3. Л.Н.Бочаров“Электронные приборы”. «Энергия» 1979г.
Содержание:
1.1Классификацияэлектронно-лучевых приборов.
1.2Устройствои принцип действия трубки с электростатическим управлением.
1.3Электростатическаяфокусировка электронного луча.
2.1 Магнитные фокусирующие линзы.
2.2 Типы магнитных линз. Форма поля в магнитных линзах.
2.3 Механизм фокусировки в магнитной линзе.
2.4Магнитнаяотклоняющая система.
2.5 Конструкция отклоняющих катушек.
2.6Достоинства инедостатки электростатической и магнитной систем отклонения.
3.1 Использованная литература.