книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы
..pdfчувствительность получается при h < l2- Чувствительность по от клонению рассматриваемой системы
где L= l'+L' — расстояние от экрана до центра отклонения, при чем центр отклонения луча не совпадает с центром системы, / '> > (l\ + h)l2.
Широко применяются, особенно в серийных осциллографических трубках, очень удобные в производстве отклоняющие системы, об разованные однократно-изломанными пластинами, состоящими из параллельно и косо расставленной частей (рис. 5.5).
Угол наклонения луча, прошедшего через такую систему, мож но приближенно рассчитать, если как и в случае косо расставлен ных пластин, пренебречь осевой составляющей напряженности по ля и полями рассеяния. Тогда поперечная составляющая скорости vy, приобретенная электронами луча при прохождении системы, будет равна
vv = vyi + vy2, |
(5.18) |
где vvi — поперечная составляющая скорости, приобретенная при прохождении участка /[ между параллельными пластинами; vV2 — поперечная составляющая скорости, приобретенная при про хождении участка 12 между косо расставленными пластинами.
Величину vy2 определяется уравнением (5.13), а величину vyl можно найти из формулы (5.1):
|
|
|
е |
Uотк |
li |
|
... |
Vyi — vztg аэ ----------- -----------. |
(5.19) |
||||||
|
|
|
m |
bi |
vz |
4 |
’ |
Поперечная составляющая скорости на выходе из отклоняющей |
|||||||
системы согласно (5.13), (5.18) и (5.19) |
|
|
|
||||
в |
Uотк |
( U |
, |
lz |
, bz \ |
|
|
vv = т |
Vz |
\t>i |
bz |
|
r ln i r ) |
<5'20>' |
|
|
|
U - + - 5 m |
|||||
а величина отклонения луча на экране |
|
|
|
|
|||
Jy |
'- 'О Т К |
/ h |
|
|
<5-21> |
||
|
|
|
( i + s r ^ r ' V К |
где L= L'+li — та же величина, что и в (5.15).
Центр отклонения луча, как и в случае непараллельных плас
тин, не совпадает с центром |
системы, l ' < ( h + l2) /2. |
Чувствитель |
|
ность |
h |
|
|
е |
(5.22) |
||
L. |
|||
|
bz — bi |
|
Максимальная чувствительность достигается при значении tu несколько меньшем 1%. По сравнению с 'плоскопараллельной систе мой при равных габаритах W 1 + I2 ) =1=, Ь2=Ь=] чувствительность рассматриваемой системы больше, чем плоскопаралллельной си стемы примерно в 1,8 раза.
Все же следует отметить, что чувствительность по отклонению электростатических отклоняющих систем при практически прием лемых геометрических размерах системы и всего прибора (L') и величине ускоряющего напряжения редко превышает 1 мм/в.
Поскольку электростатические системы, отклоняющие луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, принципиально не могут быть совмещены в пространстве, чувствительность по откло нению вертикального и горизонтального отклонения в данном при боре оказывается неодинаковой из-за разной величины U — рас стояния от пластин до экрана. Очевидно, большую чувствитель ность будут иметь пластины, расположенные ближе к электронно му прожектору (нижние).
Электростатическое отклонение часто применяется в осциллографических трубках. В этом случае требование высокой чувстви тельности предъявляется только к одной паре пластин, к которой подводится исследуемый сигнал. В качестве «сигнальных» пластин следует выбрать нижние пластины как обладающие большей чув ствительностью. Кроме того, иногда целесообразно, не изменяя общих размеров прибора, несколько повысить чувствительность нижних пластин за счет увеличения их длины. При этом необхо димо уменьшить длину верхних, расположенных ближе к экрану пластин. Таким образом, повышение чувствительности нижних, «сигнальных» пластин достигается за счет уменьшения чувстви тельности верхних пластин, к которым в осциллографах обычно подводится пилообразное напряжение, развертывающее луч по эк рану. Но поскольку амплитудное значение развертывающего на пряжения может быть достаточно большим, а повышение чувст вительности сигнальных пластин часто является одним из опреде ляющих требований, указанный прием можно считать вполне оправданным.
§ 5.3. МАГНИТНЫЕ ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
Для отклонения электронного луча магнитним полем используют ся отклоняющие системы, состоящие из катушек, обтекаемых то ком, расположенных снаружи электроннолучевого прибора — на горловине трубки. Линейность и минимальное нарушение фокуси ровки возможно лишь при условии, что во всей области отклоне ния луча магнитное поле в любой момент времени достаточно близко к однородному. Поэтому для отклонения луча в одном на правлении необходимо иметь две катушки, симметрично располо женные на горловине трубки. Так как обычно требуется отклонение луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях, магнитная отклоняющая система, как правило, имеет четыре катушки, созда
ющие примерно однородные взаимно перпендикулярные магнитные поля. В случае однородного поля смещение луча на экране, отсто ящем на расстоянии L' от края области действия магнитного поля с величиной индукции В, может быть определено согласно (5.2) как
(5.23)
где I — протяженность вдоль оси прибора отклоняющего магнит ного поля; L= l'+ L' — расстояние от центра отклонения до экрана.
При резко ограниченном магнитном поле центр отклонения приблизительно совпадает с центром отклоняющей системы, т. е. /'« //2 .
Чувствительность по отклонению можно определить из уравне ния (5.23) как отношение h/B. Однако определение чувствительно сти в миллиметрах на гаусс неудобно для практических расчетов, так как отклоняющий сигнал вводится в систему как ток, проте кающий по катушкам, имеющим определенное число витков. Учи тывая, что магнитная индукция пропорциональна намагничиваю щей силе (ампервиткам), целесообразно рассчитать чувствитель ность в миллиметрах на ампервиток.
Полагая В=%п10Тк, где п — число витков, / отк— отклоняющий ток и х — постоянный коэффициент, зависящий от геометрических размеров катушек, их взаимного расположения и наличия ферро магнитных сердечников, получим следующее выражение для чувст
вительности по отклонению: |
|
|
(5.24) |
Подставляя числовые значения е и т и обозначая |
yl = %, по |
лучим |
|
е = 0,3£ - -I - [лш/а-вит.], |
(5.25^ |
i Ua |
|
где Ua измеряется в вольтах, L — в миллиметрах. Величина £ яв ляется постоянной для данной отклоняющей системы и может быть определена экспериментально. Например, для круглых катушек без ферромагнитного сердечника с диаметром /, отстоящих одна от другой на расстоянии/,коэффициент!равен (0,4ч-0,5) e !t а*вит.
Постоянство чувствительности (линейность отклонения) имеет место лишь тогда, когда при любых возможных углах отклонения электронный луч не выходит за пределы однородного поля. По этому при разработке магнитных отклоняющих систем катушки конструктивно выполняются так, чтобы в возможно большей обла сти поле было близко к однородному. В настоящее время применя ются два типа магнитных отклоняющих систем — с последователь
но складывающимися и с параллельно складывающимися магнит ными потоками (рис. 5.6).
Системы с последовательно складывающимися потоками боле& экономичны, так как в этом случае для отклонения луча использу ется сравнительно большая часть запасаемой в катушках магнит ной энергии. В системах с параллельно складывающимися пото ками область отклонения пронизывается только полем рассеяния,.
Рис. 5.6. Магнитные отклоняющие си- |
Рис. 5.7. Магнитная отклоняющая си |
система с внешним магнитопроводом: |
стема с ферромагнитным сердечников |
раллельно (б) складывающимися маг |
|
нитными потоками |
|
а большая часть энергии, запасаемая внутри катушек, не исполь зуется для отклонения луча. Однако при параллельном сложении потоков сравнительно проще получить примерно однородное поле в большей области.
Повышение экономичности отклонения, а следовательно, и вы игрыш в чувствительности при прочих равных условиях можно по лучить, применяя магнитопроводы из ферромагнитных материалов, концентрирующих магнитную энергию. Поэтому в тех случаях, когда отклоняющие системы работают на сравнительно низких ча стотах, катушки обычно имеют ферромагнитные сердечники и эк раны. Катушки систем с параллельно складывающимися потоками надеваются на сердечник, изготовленный из высококачественного магнитномягкого материала. Пример такой отклоняющей системы, магнитопровод которой собран из Г-образных пластин, приведен на рис. 5.7.
Обмотки катушек делают секционированными, так как путем подбора различных чисел витков в каждой секции удается полу чить достаточно однородное поле в большой области. Кроме того, секционирование способствует уменьшению распределенной ем кости.
В целях уменьшения внешних размеров системы магнитопроводу придают цилиндрическую форму (рис. 5.8). Поскольку в систе мах с параллельно складывающимися потоками магнитопровод
помещается внутри катушек, такие системы часто называют си с т е м а м и с в н у т р е н н и м м а г н и т о п р о в о д о м .
Системы с последовательно складывающимися потоками обыч но не имеют внутренних ферромагнитных сердечников и образу ются катушками, непосредственно прилегающими к горловине трубки. Катушкам придают седлообразную форму, так что витки намотки облегают горловину трубки. Края катушек отгибаются наружу для уменьшения полей рассеяния за пределами отклоня ющей системы. Катушки иногда собирают из отдельных секций для уменьшения распределенной емкости. Примерный вид катушек го ризонтального отклонения луча показан на рис. 5.9.
Рис. 5.8. Магнитная отклоняющая |
си- |
Рис. Ъ.9. Секционированные |
стема с внутренним магнитопроводом* |
отклоняющие катушки |
|
а — внешний вид; б — разрез; / — магнито- |
|
|
ировод; 2 — катушки горизонтального |
от |
|
клонения; 3 — катушки вертикального |
от |
|
клонения; 4 — пластмассовые гильзы
Системы с последовательно складывающими потоками обычно заключаются в цилиндрический экран из ферромагнетика, через который замыкаются магнитные силовые линии, выходящие с на ружных сторон катушек. Отогнутые края катушек располагаются вне экрана. Магнитопровод в такой системе находится снаружи катушек, поэтому системы с последовательно складывающимися
потоками, |
имеющие |
ферромагнитный экран, часто называют |
си |
с т е м а м и |
с в н е |
ш н и м м а г н и т о п р о в о д о м . Разрез |
та |
кой системы показан на рис. 5.10.
Системы с внешним магнитопроводом достаточно экономичны, компактны и при правильно выбранных геометрических соотно шениях позволяют получать достаточно большие углы отклонения при сохранении линейности и сравнительно небольшом нарушении фокусировки луча. Системы с внешним магнитопроводом полу чили широкое распространение как отклоняющие системы кине
скопов.
Магнитные отклоняющие системы часто классифицируют по конструктивным признакам — рассматривают системы без магни
Из требования однородности поля (Б — const) |
можно найти |
функцию распределения витков F(а): |
|
а |
|
2 jVjct) da =£nl) a, |
(5.28^ |
о |
|
где множитель 2 введен для учета охвата силовой линией витков обеих катушек. Учитывая (5.27), определим
2 f Г Ш а = ^ 1 та- |
.(5.29) |
|
откуда |
|
|
J?/ ч |
Вг |
(5.30> |
г (о) = |
-----cos a. |
ро
Рис. |
5.11. Бочкообраз |
Рис. |
5.12. |
К расчету |
||
ное |
поле |
при равно |
функции |
распределе |
||
мерном распределении |
ния |
витков |
катушек |
|||
витков |
катушки |
|
|
|
|
|
Уравнение |
(5.30) показывает, |
что однородное |
поле создается |
в том случае, когда плотность намотки витков максимальна у кра ев и спадет к центру по косинусоидальному закону. Практически затруднительно изготовить катушки с постоянно меняющимся числом витков, однако отклоняющие катушки из отдельных сек ций с различным числом витков достаточно хорошо удовлетворяют требованию, накладываемому уравнением (5.30). Выравниванию поля способствует также применение внешнего магнитопровода.
При рассмотрении электростатического отклонения было пока зано, что повышение чувствительности может быть достигнуто за счет сближения отклоняющих пластин. Минимальное расстояние между пластинами со стороны входа луча ограничено только сече нием луча в пространстве отклоняющей системы. Магнитные от клоняющие катушки располагаются вне вакуумной оболочки при бора— на горловине трубки. Поэтому величина зазора, в котором, сосредоточено отклоняющее магнитное поле, ограничена не пара метрами электронного луча, а диаметром горловины трубки. Оче
видно, чем меньше расстояние между катушками (чем меньше за зор), тем относительно большая магнитная энергия может быть сосредоточена в пространстве отклонения при неизменной намаг ничивающей силе (постоянных ампервитках). Расчет показывает, что пропорциональное уменьшение всех геометрических размеров магнитной отклоняющей системы при постоянных ампервитках приводит к такому же увеличению магнитной индукции в прост ранстве отклонения. Так как отклоняющие катушки обычно распо лагаются непосредственно на горловине трубки, для увеличения чувствительности целесообразно уменьшать диаметр горловины. Этим объясняется сравнительно небольшой диаметр горловин электроннолучевых трубок с магнитным отклонением луча.
Современные магнитные отклоняющие системы позволяют по лучать чувствительность по отклонению до 1 лш/а* вит. При элект ростатическом отклонении отклоняющие пластины, помещаемые внутри трубки, обычно собирают вместе с электронным прожекто ром, и качество электростатической системы во многом зависит от точности сборки внутренних элементов прибора. Магнитная откло няющая система, устанавливаемая снаружи горл.овины трубки, ме ханически не связана с элементами электронного прожектора, по этому установка отклоняющей системы является самостоятельной операцией; от выбора местоположения системы на горловине труб ки и точности установки зависят параметры отклонения. В частно сти, смещение отклоняющей системы вдоль оси трубки может при вести к ограничению угла отклонения за счет срезания луча переходной частью (от горловины к конусу) колбы, а перекос от клоняющей системы может вызвать появление дополнительных аберраций при отклонении и, как следствие, уменьшение разреша ющей способности и искажение формы растра при развертке луча на экране.
§ 5.4. ИСКАЖЕНИЯ ПРИ ОТКЛОНЕНИИ .ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
При рассмотрении отклоняющих систем мы исходили из того, что уравнения (5.1) и (5.2), выведенные в предположении малости уг лов отклонения, справедливы и для сравнительно больших углов отклонения. Строгое выполнение указанных уравнений означает, что системы являются идеальными, т. е. отклонение линейно зави сит от величины отклоняющего напряжения (или тока) и сформи рованный прожектором электронный луч отклоняется системой как одно целое без нарушения фокусировки.
Однако экспериментальное исследование отклоняющих систем показывает, что даже при сравнительно небольших углах отклоне ния (5ч-8°) начинают становиться заметными нарушение линейно сти и искажение формы пятна на экране, т. е. нарушение фокуси ровки. Эти искажения, называемые аберрациями отклоняющих си стем, можно разделить на две группы:
1) нарушение линейности, наблюдаемое как искажение формы
.растра при развертке луча на экране;
2) нарушение фокусировки, наблюдаемое как искажение фор мы пятна на экране.
Рассмотрим искажение формы растра при электростатическом отклонении. Очевидно, потенциал в области отклонения должен быть близок к потенциалу выходного электрода прожектора, так как в противном случае при прохождении отклоняющей системы энергия электронов луча будет изменяться, в результате чего нарушится фокусировка. Однако нетрудно видеть, что равенство указанных потенциалов принципиально невозможно во всей области отклоне ния, так как в эквипотенциальном пространстве не может быть
Рис. 5.13. Несимметричное включение отклоняющих пластин:
а — поле в продольной плоскости; б — поле в поперечной плоскости
отклоняющей силы. Таким образом, при прохождении электроста тической отклоняющей системы электроны луча неизбежно попа дают в область с потенциалом, отличным от потенциала выходного электрода прожектора, т. е., кроме отклонения луча, электростати ческие системы всегда вызывают изменение энергии (скорости) электронов.
При так называемом несимметричном включении одна пласти на отклоняющей системы непосредственно соединяется с выходным, электродом прожектора. Поле в этом случае получается несиммет ричным относительно средней плоскости (рис. 5.13).
Потенциал в средней плоскости отличается от анодного напря жения прожектора на величину ± U orK/2. Таким образом, в случае несимметричного включения чувствительность е' при малых углах отклонения можно рассчитать по формуле
IL |
6 |
е |
(5.31) |
Из выражения (5.31) следует, что чувствительность по откло нению зависит от величины отклоняющего напряжения, т. е. линей ность отклонения нарушается. Уравнение (5.31) показывает также, что нарушение линейности тем больше, чем больше величина Vo™, т. е. нелинейные искажения растут с увеличением угла откло нения.
При несимметричном включении обеих пар отклоняющих плас тин отклонение луча второй (верхней) парой пластин зависит от величины отклонения луча первой (нижней) парой пластин. Как нидно из рис. 5.13, б, при несимметричном включении поле у краев пластины, не соединенной с анодом прожектора, резко искажа ется; при этом некоторая часть силовых линий (пунктирные кри вые на рисунке) замыкается не на соседнюю пластину, а на про водящее покрытие внутренней поверхности горловины трубки, имеющее потенциал анода прожектора. В этом случае электростати ческое поле у краев пластин имеет составляющую, параллельную плоскости пластины. За счет этой составляющей возникает сила, •отклоняющая луч вблизи края пластины, не соединенной с ано дом прожектора, в направлении, перпендикулярном к основному направлению отклонения данной парой пластин. Иными словами, пластины горизонтального отклонения луча при несимметричном включении вызывают дополнительное отклонение луча в вертикаль ном направлении. Дополнительное отклонение имеет место лишь при прохождении луча у краев пластины, так как в средней плос кости силовые линии поля перпендикулярны к поверхности откло няющих пластин и пластины горизонтального отклонения отклоня ют луч только в горизонтальном направлении. Таким образом, до полнительное отклонение луча наблюдается в том случае, если луч перед входом в пространство между верхней парой пластин был предварительно отклонен нижней парой пластин. Так как силовые линии сильно искривлены лишь вблизи пластины, не соединенной с анодом прожектора, дополнительное отклонение в вертикальном направлении будет тем сильнее, чем ближе проходит луч к плос кости этой пластины.
Формально возникновение дополнительного отклонения можно представить как изменение чувствительности по отклонению ниж ней пары пластин в зависимости от угла отклонения луча верх ней парой пластин. Поскольку вертикальная отклоняющая сила направлена вниз у верхнего края пластины и вверх у нижнего
края пластины (рис. 5.14), кажущаяся |
чувствительность |
ниж |
ней пары пластин будет уменьшаться |
при приближении |
луча |
к поверхности верхней пластины, не соединенной с анодом про жектора.
В результате при развертке луча по поверхности экрана пило образными напряжениями с неизменной амплитудой получающий ся на экране растр вместо прямоугольной примет форму трапеции с меньшим основанием со стороны пластины, не соединенной с ано дом. По форме растра рассмотренное искажение обычно называ ют трапецеидальным.