книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Г Л А В А С Е Д Ь М А Я

ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ТРУБКИ

§ 7.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Осциллографической трубкой называется электроннолучевой при­ бор, служащий индикатором в электронных осциллографах — уст­ ройствах, предназначенных для исследования (качественного и ко­ личественного) и обнаруживания быстро протекающих явлений. Поскольку основным элементом электронного осциллографа явля­ ется электроннолучевая трубка, узлы осциллографа конструируют­ ся применительно к трубке. Параметры трубки должны быть со­ гласованы с параметрами электронной схемы осциллографа.

Требования, предъявляемые к осциллографу, в значительной мере определяются требованиями, предъявляемыми к осциллогра­ фической электроннолучевой трубке.

Современный электронный осциллограф должен обеспечивать исследование сигналов с частотой по крайней мере в несколько де­ сятков мегагерц без заметных искажений. При этом для всего диа­ пазона частот должна быть предусмотрена возможность проведе­ ния достаточно точных измерений амплитудных и фазовых значе­ ний исследуемых сигналов. Эти требования определяют устройство усилителей вертикального и горизонтального отклонения луча (широкополосность и линейность), но они существенны такж е и для осциллографической трубки. Требование отсутствия амплитудных и фазовых искажений при отклонении луча на весь экран опреде­ ляет такие требования к электроннолучевой трубке, как линейность обеих отклоняющих систем и большую величину их входного со­ противления (активного и реактивного). Последнее требование обусловливает достаточно малые входные емкости и индуктивнос­ ти отклоняющих систем. Кроме того, при исследовании высокочас­ тотных процессов должно быть малым время пролета электронов через отклоняющие системы.

Одним из существенных требований, предъявляемых к осциллографическим трубкам, является высокая разрешающая способ­ ность. Этот параметр определяет количество информации, воспро­ изводимой на экране трубки; чем выше разрешающая способность, тем более точные и подробные сведения могут быть получены об исследуемом при помощи осциллографа процессе. Разрешающую способность трубки можно оценить числом отдельно различимых светящихся пятен на единичной площади поверхности экрана. Практически разрешающую способность оценивают по числу от­ дельно различимых линий (строк), укладывающихся на 1 см вы­ соты экрана или на всей рабочей поверхности экрана. Наиболее просто разрешающая способность определяется методом сжатия

растра. Н а экране путем подведения к обеим отклоняющим систе­ мам пилообразного напряжения с кратными частотами формиру­ ется линейчатый (телевизионный) растр, имеющий известное чис­ ло горизонтальных строк. Затем путем уменьшения амплитуды вертикально отклоняющего напряжения растр постепенно сжима­ ется по высоте до тех пор, пока отдельные строки не перестанут быть различимыми. Если растр имеет л строк и эти строки пере­ стают быть различимыми при высоте растра h, то разрешающая способность оценивается числом строк N, укладывающихся на всей рабочей высоте экрана L:

(7.1)

Следует иметь в виду, что при определении разрешающей спо­ собности существенную роль играет распределение тока по сече­ нию луча (см. § 3.2), определяющее распределение яркости по пят­ ну. При сжатии растра, т. е. сближении соседних пятен (строк), различаемость каждой строки определяется коэффициентом моду­ ляции яркости (рис. 7.1):

							.(7.2)
где значения В тах и Вт1п зависят			от кривой	распределения			ярко­
сти (тока	луча) и	взаимного расположения		двух	соседних		пятен
В			(строк).
			Человеческий глаз может
			различить	две	светящиеся ли­
			нии при	коэффициенте			моду­
			ляции яркости		не	менее	10—
			15%. Считая,		что	уверенное
			разрешение		получается		при
			20% , можно для расчета
			разрешающей способности при­
			нять за условный диаметр пят­
		h	на ширину кривой B= B(h) на
			уровне 0,4 Вт ах.
Рис. 7.1. Распределение яркости при
сближении	соседних	пятен (строк)	Тогда суммарная яркость в
			местах наложения			периферий-

ных зон соседних пятен не будет превышать 0,8 Втах, т. е. значе­ ние М будет равно 20% и соседние пятна будут легко различимы.

Требование высокой разрешающей способности накладывает ограничение на величину сечения луча в плоскости экрана. Во вся­ ком случае, прожектор современной осциллографической трубки должен обеспечивать в плоскости экрана луч диаметром (на уров­ не 0,4) не более нескольких десятых миллиметра. Конечно, из-за аберрации линз, главным образом сферической аберрации проек­ ционной линзы, а такж е влияния начальных скоростей и сил куло­ новского расталкивания разрешающая способность может оказать-

ся существенно меньше рассчитанной по условному диаметру крос­ совера и увеличению проекционной линзы. Кроме того, за счет влия­ ния отклоняющих систем на фокусировку (см. § 5.4) разрешающая способность на краях экрана, особенно при больших углах откло­ нения, получается заметно меньше, чем в центре экрана.

Разрешающая способность зависит от тока луча и ускоряющего напряжения: чем меньше ток луча и выше ускоряющее напряже­ ние, тем больше разрешающая способность. На величину разре­ шающей способности влияют свойства экрана: при крупном зерне люминофора разрешающая способность ограничивается рассеяни­ ем света, излучаемого отдельными частицами люминофора на гра­ ницах зерен. Н а разрешающую способность может влиять также образование ореолов за счет полного внутреннего отражения в стекле дна колбы (см. § 9.1).

Осциллографическая трубка должна обеспечивать достаточно большую скорость записи. При исследовании быстро протекающих процессов скорость пробегания луча по экрану, необходимая для детального рассмотрения временного изменения подводимого к отклоняющей системе напряжения, может оказаться очень боль­ шой.

При осциллографировании высокочастотных процессов с часто­

той f скорость записи
v3 = If,	(7.3)
где I— длина линии развертки (диаметр	рабочей части экрана).

При этом считается, что для детального изучения процесса не­ обходимо «развернуть» один период на весь экран.

Например, при частоте f= 10 Мгц и длине линии развертки 10 см скорость записи составит 106 м/сек=Ю00 км/сек. При такой ско­ рости пермещения луча по поверхнсти экрана энергия, приносимая лучом на каждый элемент экрана (зерно люминофора), может ока­ заться недостаточной для возбуждения заметного свечения экрана. Повысить яркость свечения экрана при больших скоростях записи можно увеличением ускоряющего напряжения. Увеличение тока луча для этой цели нецелесообразно, так как с ростом тока ухуд­ шаются условия фокусировки, сильнее сказывается влияние сил ку­ лоновского расталкивания электронов и в конечном счете умень­ шается разрешающая способность. Повысить скорость записи можно за счет применения более эффективных люминофоров — с большой световой отдачей.

Электронный осциллограф должен давать возможность анали­ зировать сигналы с очень малыми амплитудами (несколько милли­ вольт), т. е. должен обладать высокой чувствительностью. Конечно, отклоняющая система с такой высокой чувствительностью не мо­ жет быть практически осуществлена, и обычно на входе осцилло­ графа ставится усилитель, имеющий достаточно большой коэффи­ циент усиления. Однако, чем выше чувствительность отклоняющей системы трубки, тем меньше для обеспечения той же чувствитель­ ности должен быть коэффициент усиления усилителя. Поэтому ос­

циллографическая трубка должна иметь возможно более высокую чувствительность по отклонению, чтобы обеспечить необходимую чувствительность осциллографа при не слишком большом коэффи­ циенте усиления усилителя.

Обычно в осциллографах вторая отклоняющая система (-Х) ис­ пользуется для развертки исследуемого сигнала во времени. При этом электронный луч, пробегая с постоянной скоростью вдоль горизонтальной оси слева направо по экрану, быстро возвраща­ ется в исходную точку. Хотя обратный ход луча совершается в очень короткое время, при достаточной мощности луча и высоко­ эффективном экране след возвращающегося луча может быть за­ метным и привести к ошибке при рассмотрении или фотографиро­ вании изображения на экране. В связи с этим в осциллографах используется запирание луча на время обратного хода путем под­ ведения к модулятору трубки отрицательного импульса напряже­ ния на время обратного хода. Этот гасящий импульс должен обес­ печивать полное запирание электронного прожектора, но ампли­ туда его не должна быть слишком большой, чтобы не усложнять схему генератора гасящих импульсов. Поэтому осциллографические трубки должны иметь сравнительно небольшое запирающее напряжение — не больше нескольких десятков вольт. Наконец, осциллограф должен быть достаточно простым по устройству, эко­ номичным в изготовлении и эксплуатации. Следовательно, и осциллографическая трубка должна быть несложной в изготовлении и экономичной в эксплуатации.

§ 7.2. УСТРОЙСТВО ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ТРУБКИ

Приведенные в § 7.1 общие требования, предъявляемые к осциллографическим трубкам, в основном определяют их конструктивные особенности. Современные осциллографические трубки © большин­ стве случаев имеют прожектор с электростатической фокусировкой и электростатические отклоняющие системы.

Прожектор с электростатической фокусировкой при сравни­ тельно небольшом токе луча и ускоряющем напряжении не мень­ ше 1 кв обеспечивает получение пятна на экране диаметром (на уровне 0,4) 0,2— 0,3 мм, что обычно достаточно для обеспечения необходимой разрешающей способности. В то ж е время электро­ статический прожектор очень экономичен в эксплуатации; кроме того, он сохраняет фокусировку луча на экране при колебаниях напряжения источника питания (при подключении всех электро­ дов прожектора через делитель к одному источнику).

Электростатическое отклонение такж е обладает рядом преиму­ ществ: оно практически безынерционно вплоть до весьма высоких частот; электростатические отклоняющие системы имеют малые величины емкостей и индуктивностей, что очень существенно при исследовании высокочастотных сигналов. Кроме того, электростати­ ческие отклоняющие устройства практически не потребляют мош-

ности, т. е. не нагружают исследуемую цепь, и могут подключаться к маломощным источникам сигналов без нарушения их нормаль­ ной работы.

Экраны осциллографических трубок обычно делают круглыми, со сравнительно небольшим диаметром (3, 5, 7, 8, 10, 13 см) \лишь в некоторых специальных трубках используются экраны с диамет­ ром 18, 23 и 31 см и прямоугольные или квадратные экраны.

Для сохранения хорошей фокусировки по всему экрану углы отклонения электронного луча выбирают небольшими (12— 18°). В связи с этим осциллографические трубки получаются сравни­ тельно длинными (до 30—40 см).

Для обеспечения высокой скорости записи (большой яркости свечения экрана) без значительного уменьшения чувствительности в ряде типов осциллографических трубок имеется электрод после­ дующего ускорения электронов после отклонения. Для получения достаточно высокой чувствительности по отклонению и удобства эксплуатации осциллографические трубки в большинстве случаев рассчитываются на сравнительно небольшие ускоряющие напряже­ ния (1,5—3 кв). Поэтому с целью более удобного включения пита­ ние всех электродов трубки осуществляется через общий цоколь, имеющий 12— 14 штырьков. При наличии электрода последующего ускорения его вывод помещается на боковой стенке колбы.

Приведенные общие соображения не являются обязательными для всех осциллографических трубок. В некоторых случаях осцил­ лографы могут иметь трубки с магнитной фокусировкой или откло­ нением, с ускоряющим напряжением до 25 кв, с выводами откло­ няющих пластин на боковые стенки колбы и т. д.

§ 7.3. БАЛЛОН (КОЛБА) 0СЦИЛЛ0ГРАФИЧЕСК0Й ТРУБКИ

Конструкция колбы осциллографической трубки определяется ее размерами. Колба должна обладать достаточной механической прочностью, т. е. противостоять внешнему атмосферному давлению. Кроме того, форма колбы должна быть такой, чтобы предотвра­ щать отражение света, излучаемого люминофором внутрь колбы, обратно на экран. «Обратное» засвечивание экрана отраженным светом создает общин светлый фон и затрудняет рассмотрение или фотографирование осциллограмм, особенно при больших скоро­ стях записи. Поэтому у современных осциллографических трубок широкая часть колбы обычно имеет форму, приближающуюся к параболоиду со срезанной вершиной (рис. 7.2).

При такой форме лучи света, попадающие на боковые стенки колбы, отражаются внутрь, в сторону горловины, и поглощаются черным внутренним покрытием. Кроме того, параболическая кол­ ба благодаря выпуклой внешней поверхности механически более прочна.

Широкая часть колбы имеет дно, являющееся подложкой для люминофора экрана. Для обеспечения линейности отклонения эк­ ран целесообразно делать плоским (см. § 5.4); в то же время для

13—3266

385

сохранения хорошей фокусировки при отклонении луча в любую точку экрана поверхности экрана желательно придать сфериче­ скую форму с центром кривизны, совпадающим с центром откло­ нения луча. При использовании сферического экрана (рис. 7.3) ве­ личина отклонения луча, измеренная по смещению пятна на экране, будет меньше, чем это должно быть для линейной отклоняющей системы. Погрешность М определяется как разность между линей­ ным отклонением и отклонением, измеренным на экране, отнесен­ ная к линейному отклонению:

M =	hn — Йизм	-	/п л.
	------ ---------=	1 — cos а,	(7.4)
	bn

где а — угол отклонения луча.

При а=15° величина Дh составляет 3,5%, т. е. линейность за­ метно нарушается. Поэтому в серийных осциллографических труб­

		ках экран				делают				слегка
		выпуклым,					с	радиусом
		кривизны, в 1,5— 2 раза
		большим				расстояния					от
		экрана		до		центра				откло­
		нения		луча. При						таком
		компромиссном							решении
		погрешность						линейности
		сравнительно мала, и фо­
	Рис. 7.2. Колба осциллографической трубки	кусировка при отклонении
		луча	к краю					экрана			из­
		меняется				незначительно.
		Для обеспечения высокой
		линейности					в	некоторых
		типах			осциллографиче­
		ских трубок					используется
		плоский				экран,			изготов­
		ляемый			отдельно					от	кол­
		бы	и	привариваемый к
		широкой части колбы, из­
	Рис. 7.3. Влияние формы экрана на вели­	готовленной						выдуванием
		в форме. Выпуклые экра­
	чину отклонения луча:
	1 — центр отклонения; 2 — сферический экран;	ны обычно составляют од­
	3 — плоский экран	но целое с широкой частью
		колбы.			Толщина					стенок
	колбы и выпуклых экранов составляет 2— 2,5 мм> приварное										пло­

ское дно имеет несколько большую толщину для обеспечения боль­ шей механической прочности, поскольку атмосферное давление на экран может составлять несколько сот килограммов.

Широкая часть колбы переходит в более узкую цилиндричес­ кую часть — горловину. Диаметр и длина горловины определяются внешними размерами прожектора и отклоняющей системы. У тру­ бок с электростатической фокусировкой и отклонением для свобод-

ного размещения прожектора и отклоняющей системы диаметр горловины выбирают в пределах 50—55 мм> а длину 120— 150 мм.

Боковые стенки колбы изнутри покрываются проводящим по­ крытием — слоем мелкодисперсного графита для улавливания вто­ ричных электронов с экрана, электронов луча (при слишком боль­ ших углах отклонения) и рассеянных электронов, которые в не­ большом количестве могут испускаться прожектором. Таким образом, проводящее покрытие препятствует накоплению на стек­ ле электрического заряда, который может значительно исказить электростатическое поле в трубке, что приведет к нарушению фокусировки и вызовет погрешность при отклонении. Проводящее покрытие также предохраняет электронный луч от внешних электро­ статических полей, которые могут навести заряды на стенках труб­ ки. И, наконец, черное графитное покрытие поглощает свет, излу­ чаемый экраном внутрь колбы.

§7.4. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЖЕКТОР

Вбольшинстве осциллографических трубок используется элект­ ронный прожектор с электростатической фокусировкой, собранный по двухлинзовой схеме. Первая линза (иммерсионный объектив) образуется катодом, модулятором и нижним (ближайшим к като­ ду) краем ускоряющего электрода. Первая линза формирует скре­ щение, отображаемое на экране при помощи второй линзы про­ жектора. Вторая (одиночная) линза образуется верхним краем ус­ коряющего электрода, первым (фокусирующим) и вторым

анодами.

Для получения достаточно яркого свечения экрана при не очень высоких ускоряющих напряжениях прожектор осциллографических трубок рассчитывают на ток луча до 100 мка. При этом учитывают, что в случае электростатической фокусировки часть электронного пучка (до 80%) срезается диафрагмами ускоряющего электрода и (в меньшей степени) второго анода. Катод прожектора должен обеспечивать эмиссионный ток не менее нескольких миллиампер, с тем чтобы необходимый ток луча получался без использования всей рабочей поверхности катода. Эмиссия лишь с центральной части катода приводит к уменьшению диаметра пучка в иммерси­ онном объективе и вследствие снижения аберраций позволяет по­ лучить скрещение, а следовательно, и его изображение — пятно на экране меньшего радиуса, что необходимо для обеспечения высо­ кой разрешающей способности.

Радиус пятна уменьшается также за счет снижения величины оптического увеличения проекционной линзы, что достигается уда­ лением средней плоскости одиночной линзы от объекта— скреще­ ния. Поэтому ускоряющий электрод обычно делают достаточно длинным. Для уменьшения сферической аберрации проекционной линзы радиус пучка в области этой линзы ограничивают диафраг­ мой, устанавливаемой вблизи выходной стороны ускоряющего электрода. Второй анод также имеет выходную диафрагму, не­

Поскольку ускоряющий электрод имеет высокий положитель­ ный потенциал (равный потенциалу второго анода) относительно катода прожектора, для получения небольшой величины запираю­ щего напряжения приходится уменьшать диаметр отверстия моду­

лятора		и приближать		модуля­				/
тор	к катоду. Расстояние					ка­
тод — модулятор у многих ти­
пов	осциллографических					тру­
бок	составляет		всего		0,12—
0,16 мм. Так как от этого						рас­
стояния существенно				зависит
запирающее напряжение труб­
ки, оно должно быть установ­
лено достаточно			точно.		Уста­
новка		расстояния		осуществ­
ляется		при помощи		специаль­
ной		профилированной				про­
кладки— спейсера,				упираю­
щегося нижним краем в кера­
мическую шайбу, в которой за­							Рис. 7.5. Катодный узел прожектора:
прессован катод,			а верхним —
в диафрагму модулятора. Воз­							1 — цилиндр	модулятора; 2 — диафрагма
							модулятора;	3 — катод;	4 — спейсер; 5 —
можны и другие способы уста­							керамическая	шайба;	6 — подогреватель
новки		расстояния катод — мо­

дулятор, например при помощи освещения отверстия модулятора двумя косопадающими пучками света и наблюдения краев свето­ вых пятен на поверхности катода.

§7.5. ОТКЛОНЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Восциллографических трубках, как указывалось, чаще всего при­ меняется электростатическое отклонение. Для отклонения луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях используются две пары пластин, обычно однократно изогнутых. Геометрические раз­ меры отклоняющих пластин выбираются из расчета получения до­ статочной для данного типа трубки чувствительности по отклоне­ нию. Чтобы входная емкость и индуктивность были невелики, размеры пластин не должны быть слишком большими. При практи­ чески применяемых размерах отклоняющей системы чувствитель­ ность нижней (ближайшей к прожектору) пары пластин получа­ ется порядка 0,2— 0,6 мм/в, чувстивительность верхней (ближай­ шей к экрану) пары пластин — на 10— 15% ниже.

Входные емкости отклоняющих пластин (измеренные на выво­ дах в общий цоколь) составляют несколько пикофарад, что обес­

печивает возможность использования трубок на частотах до 10 Мгц без заметных фазовых погрешностей.

Для уменьшения взаимного влияния полей обеих пар отклоня­ ющих пластин между ними устанавливаются экраны, соединенные со вторым анодом. Такие же экраны целесообразно устанавливать

■между вторым анодом и первой парой пластин, а также после второй (верхней) пары пластин.

Так как при точных количественных исследованиях с помощью осциллографа очень важно исключить погрешности отклонения, главным образом трапецеидальное искажение, в осциллографических трубках должна быть предусмотрена возможность симмет­ ричного включения отклоняющих пластин и регулирования сред­ него потенциала между пластинами относительно второго анода. Для этого все четыре пластины отклоняющей системы должны иметь независимый вывод в цоколь (или на боковую стенку колбы).

§ 7.6. ЭКРАНЫ ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ТРУБОК

Изображение на экране осциллографической трубки наблюдается непосредственно либо фотографируется. Поэтому цвет свечения экрана выбирается зеленым (или желто-зеленым) — для непосред­ ственного наблюдения, либо синим (или голубым) — для фотогра­ фирования. Световая отдача (яркость свечения экрана) должна быть достаточно большой, чтобы обеспечивать хорошо видимый след электронного луча при больших скоростях записи. При исследовании периодических процессов длительность послесвечения не играет существенной роли и может составлять 0,01—0,1 сек. При исследовании однократных процессов могут потребоваться эк­ раны с большой длительностью свечения — до нескольких десят­ ков секунд.

Экраны осциллографических трубок должны быть достаточно мелкозернистыми, чтобы обеспечивать необходимую разрешающую способность. При фотографировании осциллограмм с экрана тру­ бок небольшого диаметра (5— 8 см) для более точного измерения может понадобиться фотографическое увеличение осциллограммы в несколько раз. При этом зернистая структура экрана не должна быть заметна.

Перечисленным требованиям до недавнего времени лучше всего удовлетворяли силикаты (виллемит) и вольфраматы (силикат — для непосредственного наблюдения, вольфрамат — для фотографи­ рования), обладающие необходимым спектральным составом. Эти материалы можно сильно размельчать для получения высокой разрешающей способности экрана и нанесения его методом пуль­ веризации.

Однако световая отдача силикатов и вольфраматов недостаточ­ на для обеспечения высокой яркости овечения экрана при больших скоростях перемещения луча по экрану. В последние годы были разработаны высокоэффективные сульфиды, которые размельча­ ются без заметного снижения световой отдачи. Такие сульфиды с зеленым и синим свечением постепенно вытесняют силикаты и вольфраматы. Но и в настоящее время благодаря высокой физи­ ко-химической стойкости силикаты широко используются в произ­ водстве осциллографических трубок.