книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

Пульверизация представляет собой наиболее эффективный ме­ тод нанесения экранов осциллографических трубок. Так как вы­ сокая однородность покрытия для осциллографических трубок не является строго обязательной, экраны, нанесенные методом пуль­ веризации, вполне удовлетворительны по своим световым и меха­ ническим свойствам. В осциллографических трубках с длительным послесвечением используются двухслойные (каскадные) экраны, такие же, как в радиолокационных трубках (см. § 8.2).

§7.7. РАЗНОВИДНОСТИ ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ТРУБОК

Внастоящее время получили широкое распространение осциллографические трубки с последующим (дополнительным) ускорением электронов, трубки для исследования процессов в полярной систе­ ме координат и двухлучевые трубки.

Осциллографические трубки с последующим ускорением элект­ ронов луча после отклонения были разработаны в связи с необхо­ димостью повышать разреша­

ющую способность						и яркость		третий аво9
свечения экрана для						обеспече­
ния большой			скорости				записи
без	значительного					снижения
чувствительности					по		откло­
нению.
Последующее ускорение от­
клоненного			луча		приводит к
значительному				возрастанию
яркости		свечения			экрана, так
как для		большинства					светосо­
ставов		она	растет			примерно		Рис. 7.6. Влияние поля третьего анода
пропорционально						квадрату
ускоряющего			напряжения. Та­					на электронный луч
кое	последующее					ускорение

проще всего получить, расположив перед экраном кольцевой элек­ трод с более высоким потенциалом, чем потенциал последнего элек­ трода прожектора.

Электрод последующего ускорения выполняется в виде прово­ дящего покрытия, отделенного от покрытия горловины трубки. До­ полнительный кольцевой слой имеет отдельный вывод, и к нему подводится напряжение в 2—2,5 раза более высокое, чем ко вто­ рому аноду. Обычно электрод последующего ускорения называют третьим анодом. Если бы электронный луч в зоне последующего ускорения пересекал эквипотенциальные поверхности под прямым углом, то, очевидно, чувствительность по отклонению сохранялась бы неизменной. Однако в реальных условиях поле между прово­ дящим покрытием, соединенным со вторым анодом, и третьим ано­ дом действует как иммерсионная линза, и вследствие этого элект­ ронный луч несколько смещается к оси трубки (рис. 7.6).

Таким образом, линза последующего ускорения снижает чувст­ вительность трубки. Чем сильнее искривлены эквипотенциальные

поверхности в области последующего ускорения, тем значительнее уменьшение чувствительности; кроме того, при пересечении лучом сильно искривленных эквипотенциальных поверхностей могут воз­ никнуть искажения фокусировки и нарушение линейности откло­ нения.

Указанные эффекты могут быть ослаблены при уменьшении оптической силы линзы и увеличении ее диаметра. Поэтому элект­

род последующего ускорения		(отдельная	часть	проводящего по­
крытия)	располагают вблизи	экрана — в	самой	широкой части
трубки.	Однако ширину слоя	(протяженность вдоль оси трубки)

последующего ускорения нельзя сделать небольшой; в противном случае потенциал вблизи центра экрана может не достигнуть зна­ чения потенциала третьего анода, т. е. последующее ускорение бу­ дет использовано не полностью; кроме того, при этом возникнут искажения фокусировки.

При использовании последующего ускорения в трубках с кол­ бами обычной формы удовлетворительные результаты — сравни­ тельно небольшое уменьшение чувствительности, а также отсутст­ вие заметных искажений и нарушения линейности отклонения — могут быть получены лишь тогда, когда потенциал третьего анода не более чем в 2—2,5 раза превышает потенциал второго анода прожектора. Следует отметить, что последующее ускорение позво­ ляет несколько улучшить фокусировку, т. е. получить пятно меньше­ го диаметра. Это объясняется тем, что при больших ускоряющих на­ пряжениях на качество фокусировки меньше влияет разброс на­ чальных скоростей электронов и сил кулоновского расталкивания. Поэтому, несмотря на некоторое снижение чувствительности, от­ носительная чувствительность (т. е. отношение чувствительности к диаметру пятна) практически не изменяется. В случае необходи­ мости изображение на экране может быть увеличено оптическим (или фотографическим) путем без снижения четкости.

Иногда для получения очень высокой яркости или очень боль­ шой скорости записи напряжение последующего ускорения долж­ но быть доведено до 20—25 кв. В таких случаях применение одно­ го электрода последующего ускорения привело бы к образованию в области последующего ускорения очень сильной линзы со зна­ чительным снижением чувствительности и искажениями фокуси­ ровки и линейности отклонения. Поэтому область последующего ускорения разбивают на несколько промежутков (3—5) с посте­ пенно увеличивающимся потенциалом. Вместо одной линзы обра­ зуется ряд сравнительно слабых линз, в меньшей степени влияю­ щих на чувствительность и фокусировку. Для того чтобы линзы последующего ускорения имели больший диаметр, колбе трубки с многократным последующим ускорением обычно придают цилинд­ рическую форму (рис. 7.7).

Трубки с многократным ускорением при напряжении послед­ него ускоряющего электрода 25 кв позволяют получить хорошо различимое изображение при скорости перемещения пятна по эк­ рану до 50 000 км/сек. При использовании высоких напряжений

.Рис. 7.7. Трубка с многократным последую­ щим ускорением электронов луча

последующего ускорения необходимо, чтобы предельный потенциал люминофора, покрывающего экран, был не ниже напряжения по­ следнего ускоряющего электрода.

Между отдельными кольцами проводящего покрытия, являющи­ мися электродами последующего ускорения, разность потенциалов может достигать нескольких киловольт, и вследствие большого градиента потенциала в промежутках между кольцами возможен электрический пробой. Для предотвращения пробоя промежутки между кольцами проводя­ щего покрытия заполня­ ют полупроводником с большим удельным со­ противлением. Такое полупроводящее покрытие выравнивает распреде­ ление потенциала вдоль стенки трубки. В качест­ ве материала для полупроводящего покрытия обычно используются окись хрома или окись железа, наносимые на стекло в промежутках ме­ жду кольцами графитово­ го покрытия.

Но даже при использовании нескольких ступеней последующе­ го ускорения, т. е. нескольких колец проводящего покрытия с по­ степенно повышающимся потенциалом, образующиеся в каждом промежутке между кольцами иммерсионные линзы заметно откло­ няют луч к оси. Следовательно, всегда имеет место некоторое снижение чувствительности по отклонению. Поскольку оптическая сила электронных линз определяется второй производной потен­ циала вдоль оси (см. § 1.8), последующее ускорение без дополни­ тельной фокусировки принципиально возможно лишь при U0"(z) = = 0. Это условие приводит к необходимости создать такое распре­ деление потенциала, чтобы в области последующего ускорения U0'(z) = const. Приближенно это требование может быть выполне­ но, если на внутреннюю поверхность колбы между отклоняющей системой и экраном нанести узкую полоску проводящего покрытия в виде спирали с шагом в несколько миллиметров. Один конец (ближайший к прожектору) спирали соединяется со вторым ано­ дом прожектора, второй конец (вблизи экрана) имеет вывод, и к нему подводится положительное напряжение, в несколько раз пре­ вышающее значение £/а2. При этом в области последующего уско­ рения потенциал нарастает практически линейно, следовательно, U0'(z) я*const, и оптическая сила иммерсионных линз близка к нулю.

Трубка со спиральной системой последующего ускорения пока­ зана на рис. 7.8.

Чтобы ток, протекающий по спирали последующего ускорения, был невелик, спиральную полоску изготовляют из полупроводника

с большим удельным	сопротивлением. При			этом исходят из того,
			чтобы общее сопротивле-
			ние спирали было не ме­
			ньше 100 Мом. Трубки со
			спиральной		системой		по­
			следующего			ускорения
			позволяют получить неис­
			каженную		осциллограм­
			му	при		отношении
			^ а п / ^ а 2 ^ 1 0 .			При	ЭТОМ
			выигрыш в яркости, а сле­
			довательно,		В	ДОСТИЖИ­
Рис. 7.8. Трубка со спиральной		системой	МОЙ скорости			записи, бу­
			дет весьма значительным,
последующего	ускорения		а	потеря чувствительно­
ком случае, заметно	меньше,	чем при	сти— небольшой, во				вся­
			использовании			отдельных
колец последующего ускорения (рис. 7.9).				ускорением относится
К недостаткам трубок с		последующим

возбуждение паразитного свечения экрана за счет вторичных

электронов, выбиваемых с откло­									£пАс
няющих		пластин		(при			больших
углах	отклонения).					Вторичные			9.0
электроны, ускоряясь						полем		ано­	0,9
дов последующего ускорения, до­
ходят до экрана с энергиями, до­									0.8	/
статочными			для		возбуждения				0,7
свечения. В результате в трубках										Г 4’
с последующим				ускорением				при	0.6
больших		амплитудах					исследуе­
мых сигналов иногда						наблюдает­			0.5
ся довольно			яркий		фон, затруд­				о.ч
няющий		наблюдение					осцилло­
грамм. Поэтому				при		использова­			2	J	?и°пК
нии трубок с последующим уско­
рением		не	следует				допускать		Рис. 7.9. Уменьшение чувствитель­
попадания луча на отклоняющие
пластины или на аноды последу­									ности при	наличии	последующего
ющего		ускорения, так					как	это		ускорения:
									1 — трубка со спиральной системой; 2 —
неминуемо приводит						к	паразит­		трубка с тремя кольцами аквадагового
ному	засвечиванию					экрана за				покрытия

счет вторичных электронов.

Стремление повысить чувствительность по отклонению привело к созданию осциллографических трубок с рассеивающими линза­ ми, помещенными между отклоняющими системами и экраном. В самом деле, рассеивающая электронная линза, расположенная за отклоняющей системой, вызовет дополнительное отклонение луча

от оси трубки, т. е. при той же величине отклоняющего напряжения смещение пятна на экране станет больше, что равносильно уве­ личению чувствительности. Проще всего эффект дополнительного отклонения луча от оси трубки вблизи экрана можно получить, срезав собирающую область иммерсионной линзы, образующейся между кольцами проводящего покрытия в зоне последующего ус­ корения луча. Любая иммерсионная линза имеет собирающую и рассеивающие области (см. § 1.8), причем собирающая область все­ гда расположена вблизи электрода с меньшим потенциалом.

В трубках с последующим ускорением собирающая область им­ мерсионной линзы образуется слева от средней плоскости линзы (см. рис. 7.6), т. е. вблизи края проводящего покрытия, соединен­ ного со вторым анодом прожектора; рассеивающая область лежит справа от средней плоскости — ближе к экрану. Если у края про­ водящего покрытия, соединенного со вторым анодом, поместить плоскую (или слегка выпуклую в сторону экрана) мелкоструктур­ ную сетку с потенциалом -второго анода, то, очевидно, собирающая область линзы исчезнет, так как пространство от второго анода прожектора до сетки будет эквипотенциальным. В то же время действие рассеивающей области сохранится в полной мере, так как эквипотенциали между сеткой и экраном будут искривлены в сто­ рону экрана. Таким образом, получается дополнительное отклоне­ ние луча от центра экрана, т. е. выигрыш в чувствительности. Если рассеивающая линза имеет малые аберрации, то линейность откло­ нения не нарушается.

Однако этот казалось бы очень простой и эффективный способ повышения чувствительности при детальном исследовании оказы­ вается практически бесполезным. Само по себе увеличение чувст­ вительности полезно лишь при условии сохранения неизменной раз­ решающей способности.

Рассеивающая линза, вызывая дополнительное отклонение лу­ ча, т. е. увеличивая чувствительность по отклонению, в то же вре­ мя изменяет наклон траекторий электронов луча, что приводит к увеличению диаметра пятна. При этом удельная чувствительность (см. § 5.1), определяющая объем информации, воспроизводимой на экране трубки, как показал В. А. Миллер, не только не возрас­ тает, но даже несколько уменьшается. Кроме того, наличие сетки уменьшает контрастность изображения из-за засвечивания экрана вторичными электронами, выбиваемыми с сетки, и яркость осцил­ лограммы за счет перехвата части электронов проволоками сетки.

В некоторых случаях требуется исследовать какое-либо явле­ ние в полярной системе координат. Для этого применяют круговую развертку луча. Чтобы пятно на экране описывало окружность, необходимы две пары отклоняющих пластин, питаемые синусо­ идальными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 90°. Отклонение луча в радиальном направлении может быть осуществлено одно­ временным изменением напряжения на обеих парах пластин. Од­ нако такой способ из-за сложности подведения отклоняющего напряжения и трудностей при расчете величины отклоняющего сиг-

нала по наблюдаемой осциллограмме не получил широкого рас» пространения. Гораздо чаще для исследований в полярной системе координат применяют трубки, в которых, кроме обычной отклони» ющей системы для перемещения луча в двух взаимно перпендику» лярных направлениях, имеется отклоняющее устройство для сме­ щения луча в радиальном направлении. Перемещение луча по окружности осуществляется двумя парами отклоняющих пластин, а исследуемый сигнал подводится к системе радиального отклоне­ ния независимо от синусоидальных развертывающих напряжений.

Рис. 7.10. Системы радиального отклонения луча:

а —в виде двух усеченных конусов; б — с центральным штырем

Практическое применение нашли два типа систем радиального отклонения луча: система из двух усеченных конусов и система с центральным штырем (рис. 7.10).

В первом случае на оси трубки за обычными отклоняющими системами (X, У) располагаются два усеченных конуса (R) с раз­ ными радиусами и разными наклонами образующих к оси трубки. Пластины X, У перемещают луч по конической поверхности между конусами радиального отклонения, а исследуемый сигнал подво­ дится к конусам, отклоняя луч в радиальном направлении. Во вто­ ром случае поле, отклоняющее луч в радиальном направлении, соз­ дается между проводящим покрытием широкой части колбы и штырем, расположенным по оси трубки. Штырь впаивается в цент­ ре экрана, и к нему подводится исследуемый сигнал. Развертка по окружности, как и в первом случае, осуществляется пласти­ нами X, У.

Недостатком обеих систем является неоднородность поля, от­ клоняющего луч в радиальном направлении, т. е. нелинейность. Кроме того, система с центральным штырем имеет очень малую чувствительность из-за большого расстояния между штырем и про­ водящим покрытием. Поэтому большее распространение получили трубки с конической системой радиального отклонения.

Для исследования двух одновременно протекающих процессов весьма удобен двухлучевой осциллограф, на экране которого мож­ но одновременно наблюдать две осциллограммы. Для таких осцил-

лографов используются специальные двухлучевые трубки. В этих трубках обычно имеются две независимые электронно-оптические системы, содержащие электронный прожектор и отклоняющие пластины. Оба прожектора смонтированы так, что их оси пересе­ каются в центре экрана. Для исключения взаимного влияния обе­ их оптических систем между ними устанавливается металлический экран. Путем подведения£к отклоняющим пластинам постоянного напряжения изображения на экране, создаваемые обоими лучами, могут быть совмещены или, наоборот, раздвинуты.

Двухлучевые трубки в настоящее время конструируются так, что электроды оптических систем имеют отдельные выводы и на­ пряжения на модуляторах и фокусирующих анодах обоих прожек­ торов могут регулироваться независимо. Точно так же все четыре пары отклоняющих пластин выводятся отдельно. Таким образом, двухлучевая трубка по существу представляет собой две самостоя­ тельные независимые системы, общим для которых являются толь­ ко колба и экран.

Применявшиеся ранее двухлучевые трубки с одним прожекто­ ром и последующим расщеплением луча специальной разделитель­ ной пластиной выходят из употребления главным образом из-за не­ возможности раздельно регулировать ток (яркость) каждого луча, а также ввиду заметной зависимости управления обоими лучами.

Для одновременного исследования нескольких процессов при­ меняются многолучевые трубки, в колбе которых помещаются четыре, пять или шесть независимых прожекторов и отклоняющих систем.

Как было указано, обычные осциллографические трубки позво­ ляют исследовать периодические процессы с частотами до несколь­ ких десятков мегагерц. Расширение частного диапазона достигает­ ся сокращением пролетного времени электронов в отклоняющих системах за счет повышения ускоряющего напряжения и уменьше­ ния длины отклоняющих пластин. Кроме того, для уменьшения емкостей и индуктивностей вводы отклоняющих пластин делают не в общий цоколь, а непосредственно в горловину трубки в виде ко­ ротких толстых прямых отрезков проволоки, впаянных в стекло горловины против каждой отклоняющей пластины.

Повышение ускоряющего напряжения и уменьшение длины пла­ стин приводит к уменьшению чувствительности по отклонению (см. (5.5)]. Однако если одновременно уменьшать диаметр пятна на экране (повышать разрешающую способность), то удельная чувствительность, определяющая количество полезной информации, останется неизменной. В этом случае на экране можно получить микроосциллограмму с большой четкостью изображения (вследст­ вие малого диаметра пятна), а затем увеличить ее при помощи оптических средств. При условии хорошей фокусировки и высокой разрешающей способности экрана возможно 100-кратное увеличе­ ние. Увеличение оптическими средствами равносильно увеличению чувствительности. Таким образом удается решить задачу сохране­ ния чувствительности, достаточной для заметного смещения пятна

(после увеличения) даже при небольшой амплитуде отклоняющего напряжения.

Недостатком микроосциллографа является малая яркость све­ чения экрана вследствие небольшого тока луча и большой скоро­ сти записи. Микроосциллографические трубки обычно имеют элект­ ростатическую фокусировку, так как хорошо сконструированный тетродный прожектор обеспечивает получение пятна необходимого диаметра, а трубка при этом более экономична. Отклоняющая си­ стема в принципе должна быть электростатической.

Отклоняющие пластины имеют небольшие размеры: длина их

Отнпонятиие	3— 5 мм, ширина				такая Же
	или	несколько		больше. От­
	клоняющая		система			заклю­
	чается в экран для					предот­
	вращения		взаимного				влия­
	ния	полей	обеих		пар		пла­
	стин.	Выводы		от		пластин
	осуществляются				короткими
	отрезками коаксиальных ли­
	ний непосредственно					на бо­
	ковые стенки горловины кол­
Рис. 7.11. Отклоняющая система с бе­	бы. Емкость пластин						может
	быть меньше одной					пикофа­
гущей волной	рады.
						микро-
	Диаметр экрана

осциллографической трубки небольшой (7— 10 см), так как откло­ нение луча обычно не превышает нескольких миллиметров и ис­ пользуется только средняя часть экрана. Для уменьшения искаже­ ний экран делается из плоского стекла и затем приваривается к конической части колбы. Вывод последнего ускоряющего электро­ да (высоковольтный) делают через внутреннее прозодящее покры­ тие на боковую стенку конической части трубки.

Поскольку необходима высокая разрешающая способность люминофор, наносимый на экран, должен быть мелкозернистым (размер зерна 2—3 мкм) и обладать большой световой отдачей для обеспечения необходимой яркости при больших скоростях записи.

Микроосциллографические трубки применяются для осциллографирования процессов с частотой до 5000—6000 Мгц. Если до­ пустимы уменьшение чувствительности и некоторые искажения формы кривой, то предел частоты может быть повышен до 8000—

10 000	Мгц.	Скорость записи при этом достигает 8000—
10 000	км/сек.	Яркость оказывается достаточной для визуального

наблюдения; в случае применения высокочувствительной фотоплен­ ки и светосильной оптики след электронного луча может быть сфо­ тографирован и увеличен.

Для осциллографирования СВЧ-процессов в настоящее время все шире начинают применяться трубки, имеющие отклоняющую систему с бегущей волной (см. § 5.5). Пример практического ис­ полнения такой отклоняющей системы показан на рис. 7.11.

Как видно из рисунка, отклоняющая система с бегущей волной имеет ряд коротких пластин, укрепленных на витках спиральной замедляющей системы, причем расстояние между пластинами по­ степенно увеличивается по мере отклонения луча. Чувствитель­ ность по отклонению системы с бегущей волной может достигать нескольких лш/е. Яркость свечения экрана увеличивается последу­ ющим ускорением электронов луча, например, при помощи спи­ ральной полоски на внутренней поверхности широкой части колбы. Трубки с бегущей волной позволяют исследовать процессы с час­ тотами в несколько тысяч мегагерц.

Осциллографические трубки с саморазвертывающей отклоняю­ щей системой пока не получили распространения.

Г Л А В А В О С Ь М А Я

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ТРУБКИ

$ 8.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Электроннолучевые трубки, используемые в индикаторных радио­ локационных установках, иногда называют радиолокационными индикаторами, однако обычно под индикатором радиолокационной станции понимают совокупность трубки, источников ее питания, ге­ нераторов разверток и других вспомогательных узлов.

Электроннолучевые трубки нашли широкое применение в радио­ локационных устройствах. Ни один другой измерительный прибор не может обеспечить необходимой быстроты реакции на приходя­ щий сигнал при достаточно высокой точности измерения. Особен­ но ценным свойством электроннолучевых трубок является возмож­ ность воспроизводить на экране не только величину, но и форму приходящего сигнала, что позволяет в ряде случаев судить о раз­ мере или типе обнаруженного объекта.

Современная радиолокационная станция (наземная, корабель­ ная или самолетная) в общем случае позволяет определить с тре­ буемой точностью три сферические координаты обнаруживаемого объекта — дальность, азимут и угол места цели. Однако на экране радиолокационного индикатора можно одновременно наблюдать (обычно в условном масштабе) только две координаты — даль­ ность и азимут или дальность и угол места цели. Поэтому в общем случае для определения всех трех координат необходимо не менее двух электроннолучевых трубок. Для определения одной из коор­ динат объекта можно использовать либо перемещение луча по эк­ рану (сигнал управляет положением пятна на экране), либо изме­ нение яркости пятна, перемещающегося по экрану с определенной скоростью в горизонтальном, вертикальном или радиальном на­ правлении (сигнал управляет яркостью пятна). В первом случае исследуемый сигнал подводится к отклоняющей системе, во вто­ ром — к модулятору трубки, т. е. в первом случае осуществляется модуляции положения, во втором — модуляция яркости.

Индикаторы с модуляцией положения пятна позволяют оценить только одну координату (обычно дальность). Поскольку времен­ ная развертка должна обеспечивать возможность обнаружения объекта для всего охватываемого данным радиолокатором диапа­ зона дальности, частота этой развертки должна быть порядка 104— 102 гц. При такой частоте развертки можно получить вполне удовлетворительные результаты, применяя в качестве индикатора обычную осциллографическую трубку с хорошей фокусировкой и коротким послесвечением экрана. Поэтому в качестве одномерных