Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

________________________________________________________

Л.И. Лисицына

Расчет и конструирование приборов отображения информации

Часть 1

Утверждено редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Новосибирск

2011

УДК 621.385.832.7.001.24(075.8)

Л 632

Рецензенты: В.Г. Данилов, канд. техн. наук, доц.

А.Ф. Еремина, канд. техн. наук, доц.

Работа подготовлена на кафедре электронных приборов

для студентов специальности 200300 –

электронные приборы и устройства

Лисицына Л.И.

Л 632 Расчет и конструирование приборов отображения информации. Часть 1.:

Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – с.

В учебном пособии рассмотрены вопросы проектирования и основы расчета целостной эмиссионно-оптической системы классических приборов отображения информации - кинескопов для черно-белого и цветного телевидения.

Рассмотрены основы расчета и конструирования эмиссионного (катодоподогревательного) узла и узлов, формирующих пространство дрейфа заряженных частиц, включающего управляющую систему, фокусирующую и отклоняющую.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Электронные приборы и устройства", а также может быть полезным для инженеров и научных работников, занимающихся разработкой новых типов кинескопов и усовершенствованием существующих.

Данное учебное пособие является вторым изданием, дополненным и переработанным [1,2].

УДК 621.385.832.7.001.24(075.8)

 Новосибирский государственный технический университет, 2011

Введение

Одним из важнейших достояний человечества является информация, которую необходимо разумно и грамотно использовать: получать, воспринимать, обрабатывать, систематизировать, сохранять, передавать на расстояние, отображать. В последних процессах участвуют приборы отображения информации: кинескопы, мониторы, дисплеи. Поэтому усовершенствование классических приемных телевизионных приборов - кинескопов и создание совершенно новых электронно-лучевых приборов отображения информации является актуальной задачей современной техники.

Кинескоп – приемная телевизионная электронно-лучевая трубка, является выходным устройством телевизионной системы, осуществляющей передачу изображения на расстояние. Кинескоп используется также в дисплеях для вычислительных систем, для автоматизированных систем управления, для автоматизированных систем проектирования и т.д.

Телевизионная система может быть представлена в виде передающего прибора, преобразующего освещенность элементов передаваемой картины (объекта) в электрические сигналы (видеосигналы), линии связи и приемного устройства (выполненного на базе кинескопа), осуществляющего преобразование электрического сигнала вновь в видимое изображение [1-7].

Альтернативой кинескопов являются жидкокристаллические (ЖК) и плазменные панели, которые обеспечивают возможность создания "плоских" телевизоров и дисплеев. По данным исследовательской компании iSuppli еще в 2004 году доля жидкокристаллических ЖК – телевизоров – примерно 5% в общем объеме продаж (по числу устройств), плазменных дисплеев – около 2% [8]. На современном рынке кинескопы классической конструкции практически вытесняются новейшими разработками.

Однако крупные фирмы продолжают работы по усовершенствованию кинескопов. Так, компания LG Philips Displays, производящая кинескопы для телевизоров и мониторов, разработала технологию производства коротких кинескопов, которые почти на треть короче стандартных. Производитель утверждает, что стоимость этих кинескопов остается той же, что и обычных, т.е. примерно на порядок ниже стоимости плазменных панелей того же формата. Инженеры фирмы Samsung создали кинескоп с диагональю 81см (32 дюйма) и глубиной всего 35см, причем их яркость и контрастность лучше, чем у большинства экранов на жидких кристаллах, не говоря уже об инерционности и цветопередачи. Фирма Samsung обещает продолжить «сжатие» кинескопов и довести их толщину до 20см с тем же размером экрана [8].

Особый интерес представляет разработка Canon и Phillips SED-дисплея (Surface conduction Electron – emitter Display – поверхностно-проводящие электронно-излучающие дисплеи) [8]. Это практически плоский кинескоп. Его основа – стеклянный экран, покрытый люминофором, облучаемый тысячами микроскопических эмиттеров, расположенных почти вплотную к экрану, т.е. у каждого пикселя на экране – своя собственная электронная пушка. Разработчики утверждают, что SED-дисплей дешевле, чем плазменные панели такого же размера. При этом SED-дисплеи оказываются не менее плоские, чем ЖК, но свободны от недостатков последних, столь же контрастны и насыщенны, как хороший кинескоп, а энергии потребляют в полтора раза меньше. С 1 августа 2005г. фирмы Canon и Toshiba планировали выпускать по три тысячи в месяц 50 дюймовых SED-дисплеев. К 2007 году Toshiba планировала вообще прекратить выпуск плазменных дисплеев и все свои телевизоры больше 32 дюймов перевести на SED. Однако в 2007году компания Canon прекратила разработку SED дисплеев в связи с обвинением в нарушении лицензионного соглашения с компанией Nano-Proprietary (название было изменено на Applied Nanotech Holdings) в ходе организации совместного предприятия с компанией Toshiba и приобретения акций Toshiba, SED Inc. Однако по решению суда, все обвинения с компании были сняты, поскольку Canon была признана единственным владельцем Toshiba, SED Inc. Суд также возобновил лицензию Canon на разработку технологий SED, однако поскольку с тех пор, как компания прекратила все разработки, прошло немало времени, появление новых SED моделей на рынке задерживается [9].

SED технология представляет собой принципиально новую технологию передачи изображения, которая позволяет получить телевизор или монитор большого формата, с качеством "картинки", не уступающим классическому ЭЛТ монитору, а то и превышающем. При этом монитор по технологии SED будет тоньше обычного ЖК (LCD (Liquid crystal display)) монитора, иметь очень низкое энергопотребление и будет лишен характерных для ЖК телевизоров недостатков. SED мониторы будут иметь очень высокую контрастность, прекрасную цветопередачу, угол обзора - 180 градусов, практически без каких либо потерь качества изображения и минимальное время отклика, при котором не будет "смаза" изображения при резкой смене сцены, как на большинстве LCD экранов[10]

Проанализировав новейшие материалы по рынку дисплеев и телевизоров, становится ясно, насколько актуально данное учебное пособие. Ведь научившись конструировать и рассчитывать эмиссионно-оптическую систему, конструктор (на взгляд автора данного пособия) сможет конструировать «короткую» электронно-оптическую систему или микроскопическую электронную пушку, облучающую только «свой» пиксель.

Усовершенствование кинескопов невозможно без глубокого понимания электронной оптики, физических процессов, протекающих при работе прибора, и принципов его конструирования. Первые два аспекта хорошо освещены в специальной литературе [1-7]. Существует литература, посвященная автоматизированному проектированию электронно-лучевых приборов [11], в том числе и кинескопов, в которой подробно рассматриваются отдельные узлы и элементы прибора. Однако, для решения одного из насущных вопросов усовершенствования кинескопов – уменьшения их длины – необходимо рассмотреть основы построения и расчета всей эмиссионно-оптической системы прибора.

Задача настоящего пособия – представить один из возможных вариантов проектирования целостной эмиссионно-оптической системы кинескопа, рассмотреть основы ее расчета и построения.

Расчету и конструированию кинескопов для черно-белого и цветного телевидения с учетом современного состояния эмиссионной электроники и электронной оптики посвящено данное пособие.

Следует отметить, что данное учебное пособие не предусматривает определение размеров узлов прибора с технологическими допусками. Здесь планируется провести приближенный расчет размеров узлов, причем расчет электронно-оптической системы предполагается проводить без учета аберраций.

1. Устройство кинескопа

Кинескоп – это группа электронно-лучевых приборов (ЭЛП), определяющихся как класс электровакуумных приборов (ЭВП), отличительной особенностью которых является использование потока электронов, сфокусированных в узкий пучок (электронный луч), управляемый по интенсивности и по положению в пространстве и взаимодействующий с мишенью (экраном) прибора [5].

Кинескоп оснащен отклоняющей системой и имеет в своем баллоне электронную пушку, проводящее покрытие и люминесцентный экран (рис. 1).

Рис. 1. Схема устройства кинескопа:

ЭП – электронная пушка; ОК – отклоняющие катушки;

ПП – проводящее покрытие; Э – экран

Видимое изображение на экране кинескопа появляется благодаря бомбардировке люминесцентного покрытия электронным лучом. Электронный луч чертит на экране систему строк, создавая равномерно освещенное прямоугольное поле (растр). Изображение объекта на экране появляется, когда яркость свечения точек экрана начинает изменяться. Яркость каждой точки растра определяется плотностью тока луча в момент коммутации этой точки в процессе сканирования (обегания экрана электронным лучом в ходе развертки) луча по экрану. Плотность тока луча зависит от видеосигнала, поступающего на управляющий электрод. Видеосигнал модулирует ток луча, а, следовательно, яркость экрана, поэтому кинескопы относятся к трубкам с яркостной модуляцией.

Сканирование электронного луча по экрану обеспечивается с помощью отклоняющей системы, выполненной в виде двух пар отклоняющих элементов, обычно катушек. Для получения прямоугольного растра на одной паре катушек создается пилообразное изменение тока с достаточно высокой (строчной) частотой, а на другой паре – такое же изменение тока, но с гораздо меньшей (кадровой) частотой.

Развертывающий элемент кинескопа – электронный луч малого диаметра создается электронной пушкой (рис. 2), в современных кинескопах выполненной обычно по трехлинзовой схеме. Электронный луч формируется из электронного потока с помощью фокусирующей системы (системы линз Л₁, Л₂, Л₃).

Источником электронного потока служит катод, который вместе с встроенным в него подогревателем образует катодоподогревательный узел.

Рис. 2. Схема электронной пушки современного кинескопа:

КПУ – катодоподогревательный узел, Л₁ – иммерсионный объектив (катод К, модулятор М и подфокусирующий электрод (ПФ), Л₂ – подфокусирующая иммерсионная линза (ПФ, ускоряющий электрод УЭ), Л₃ – главная фокусирующая линза (для кинескопов черно-белого изображения – одиночная: УЭ, анод первый А₁ и анод второй А₂; для кинескопов цветного изображения – иммерсионная: анод первый А₁ и анод второй А₂), ЭЛ – электронный луч, Э – экран

2. Последовательность расчета

и проектирования

эмиссионно-оптической системы

кинескопа

Расчет и проектирование эмиссионно-оптической системы заданного типа кинескопа базируется на справочных параметрах:

, – общая длина прибора,

– размер изображения на экране,

– разрешающая способность прибора,

– максимальный угол отклонения,

– ток накала,

– максимальный ток катода

и режиме работы прибора:

– напряжение второго анода,

– напряжение подфокусирующего (ускоряющего) электрода,

– запирающее напряжение модулятора,

– напряжение накала.

При конструировании эмиссионно-оптической системы кинескопа необходимо учитывать требования к прибору:

– конструкция кинескопа должна отвечать современным мировым стандартам по внешнему виду и габаритам,

– разработанный прибор должен иметь заданный размер растра и длину, равную (или меньше) заданной,

– разработанный прибор в заданном режиме работы должен обеспечивать заданные параметры: разрешающую способность, угол отклонения электронного луча, ток накала и максимальный ток катода,

– конструкция любого узла прибора и вид материала электродов должны быть обоснованы научно-технически.

Разделы пояснительной записки к проекту по расчету и проектированию любого узла кинескопа должны сопровождаться эскизами и используемыми из справочной литературы графическими материалами.

С учетом перечисленных требований можно сформулировать последовательность одного из возможных вариантов расчета и конструирования кинескопов.

1. Расчет и конструирование катодоподогревательного узла.

2. Выбор технологических размеров некоторых узлов кинескопа (исходя из анализа существующих технологичных конструкций кинескопов):

– толщины люминесцентного экрана,

– размеров узла экран–маска и системы корректирующих магнитов (для кинескопа цветного телевидения),

– длины выводов,

– толщины ножки,

– размера монтажного промежутка между ножкой и тыльным торцом катода,

– длины отклоняющей системы.

3. Конструкторская проработка протяженности узлов электронно-оптической системы и их расположения в кинескопе.

4. Изображение распределения потенциала и ожидаемой траектории периферийного электрона от кроссовера до экрана.

5. Расчет иммерсионного объектива.

6. Расчет необходимых оптических сил подфокусирующей и главной фокусирующей линз.

7. Расчет или выбор из справочной литературы электронных линз, обеспечивающих необходимую оптическую силу.

8. Разработка эскиза эмиссионно-оптической системы кинескопа.

9. Расчет и конструирование отклоняющей системы.

10.Выбор марки люминофора и описание вспомогательных деталей.

3. Расчет и конструирование

катодоподогревательного

узла кинескопа

В современных кинескопах применяются подогревные оксидные катоды (благодаря их хорошим параметрам) с покрытием из оксидов бария, стронция и кальция, нанесенным на металлическое основание (керн). Оксидный слой можно считать полупроводниковым материалом с донорной примесью. При активировании оксидного слоя появляется избыток бария, который восстанавливается из оксида и представляет собой донорную примесь, обеспечивая электронную проводимость. Однако экспериментальные исследования показывают, что при рабочих температурах катода более 800 К для описания электропроводности слоя необходимо учитывать его пористую структуру и полагать, что эти поры заполнены электронным газом, источником которого является термоэлектронная эмиссия по всей толще слоя [12]. Таким образом, электропроводность оксидного слоя обеспечивается двумя процессами: электропроводностью кристаллов оксида, описываемой теорией полупроводников, и электропроводностью электронного газа.

Оксидные катоды являются долговечными (до 20000 ч), низкотемпературными (диапазон рабочих температур – (900÷1200) К [12]) и обладают самой низкой работой выхода из всех термоэлектронных катодов - ( ) эВ [13], высокой эффективностью (при работе катода в непрерывном режиме отбор тока с катода достигает до ( ) А/Вт [13]), обеспечивая при этом удельную эмиссию – (0,04÷7,9) А/см²[12].

3.1. Расчет и конструирование катода

Катод в кинескопах обычно выполняется в виде никелевого колпачка (керн катода с толщиной стенок мм), торец которого покрывается оксидным слоем толщиной мкм (нанесенным пульверизацией) или толщиной в несколько мкм при нанесении покрытия методом катафореза [13]. В полости керна катода размещается подогреватель. Катодоподогревательный узел (КПУ) чаще всего закрепляется на керамической шайбе, которая одновременно выполняет функции электро- и теплоизолятора. КПУ и цилиндр модулятора кинескопа (в который встраивается КПУ) образуют катодно-модуляторный узел (рис. 3) [12].

Рис. 3. Конструкция катодно-модуляторного узл

Расчет катода заключается в определении размеров оксидного покрытия (толщины и диаметра таблетки) и керна катода (никелевого колпачка). Расчет проводится по заданным параметрам определенного типа кинескопа: максимальному току катода , напряжению накала , току накала [14-16], долговечности прибора, виду режима использования катода (непрерывному) и табличным данным, приведенным в [12]. Исходя из долговечности прибора и режима работы катода, по табличным данным определяются рабочая температура катода , удельная мощность излучения оксидного покрытия и постоянная составляющая плотности тока (табл. 1) при нормальном для данного типа катода режиме эксплуатации.

С целью обеспечения надежной работы катода в течение всего периода заданной долговечности выбирается величина , в несколько раз (k) ниже .

, (1)

где k = 2÷8 (в зависимости от долговечности: чем выше долговечность, тем выше значение коэффициента k).

Таблица 1

Диапазон рабочих температур катода , К	Удельная мощность излучения , Вт/см^2	Вид режима использования катода	Плотность тока , А/см^2	Долговеч- ность , ч
		Непрерывный	0,05	20000
		Непрерывный	0,15	5000
		Непрерывный	0,2; 0,3	3000; 2000

Рабочая площадь оксидного покрытия определяется как:

. (2)

По величине определяется диаметр таблетки оксидного покрытия. Толщина оксидного покрытия при нанесении методом пульверизации обычно лежит в диапазоне 20÷150 мкм. Задаться толщиной покрытия можно, исходя из величины и долговечности. Максимальный ток катода большинства кинескопов лежит в пределах 50÷300 мкА, поэтому толщину оксидного покрытия можно выбирать в пределах 20÷70 мкм, причем при высоких значениях долговечности толщина покрытия должна быть больше, чем при низких.

Расчет размеров керна катода проводится с учетом сохранения теплового равновесия (условия, при котором температура катода постоянна во времени) в процессе работы катода: вся подводимая мощность должна полностью расходоваться во избежание перегрева и разрушения катода. При этом необходимо учесть, что подводимая мощность ( ) затрачивается в основном на лучеиспускание (излучение) и электронную эмиссию . Но практика показывает, что >> , и для инженерных расчетов величиной можно пренебречь.

Тогда

. (3)

Подводимая мощность рассеивается оксидным покрытием ( ) и непокрытой частью никелевого колпачка ( ):

, (4)

где – удельная мощность излучения оксидного покрытия, – удельная мощность излучения никелевых поверхностей, принятая в 2 раза меньшей, чем [12].

. (5)

Из (5) определяется площадь никелевого керна, непокрытая оксидом. Далее, исходя из реальных конструкций кинескопов, задается диаметр керна катода (~ мм) и определяется его длина . При получении большой длины керна катода его следует укоротить до реальных размеров (~ мм), а оставшуюся площадь учесть в размере металлического спейсера, имеющего электрический контакт с никелевым керном (рис. 3) и предназначенного для фиксации расстояния между катодом и модулятором

3.2. Расчет и конструирование подогревателя

Расчет подогревателя заключается в определении длины и диаметра нити накала и базируется на заданных величинах , и на табличных данных, приведенных в [12] для различных материалов и рабочих температур подогревателя. Обычно температура подогревателя превышает температуру катода на градусов в виду перепада температуры в изолирующем слое подогревателя и лучеиспускания поверхностью этого слоя. Задавшись величиной и выбрав материал подогревателя, определяют удельное сопротивление материала подогревателя и его удельную мощность излучения (табл. 2).

Таблица 2

Мате- риал	Удельное сопротивление материала ρּ10^6 (Омּсм) при температуре Т, К						Удельная мощность излучения материала подогревателя , (Вт/см^2) при температуре Т, К
	300	1000	1300	1400	1500	1700	1300	1400	1500	1700
W	5,65	24,9	34,1	37,2	40,3	46,8	2,57	3,83	5,5	10,6
Сплав BM-50 (W – 50 %, Mo – 50 %)	8,9	27,1	35,7	38,7	41,0	–	3,8	5,2	6,8	–
Сплав BM-80 (W – 20 %, Mo – 80 %)	7,0	25,25	33,7	36,7	39,6	–	–	–	–	–
Сплав BP-20 (W – 79 %, Re – 21 %)	–	47,0	56,3	59,1	61,8	68,6	–	3,56^*	–	11,2

^* Черненый подогреватель

Учитывая, что электрическое сопротивление подогревателя определяется как:

, (6)

и считая, что подводимая мощность накала полностью расходуется на излучение, можно получить аналитические выражения для определения размеров нити накала [12].

, (7)

. (8)

Для проверки правильности полученных результатов расчета можно воспользоваться зависимостью [13] (рис. 4).

Рассчитав размеры проволоки подогревателя (нити накала), необходимо сконструировать подогреватель в виде спирали, которая должна разместиться в керне катода. Так как в кинескопах ток накала обычно более 300 мА, длина нити накала оказывается довольно большой, поэтому подогреватель уместно конструировать в виде бифилярной спирали, у которой бифилярная спираль наматывается из проволоки, предварительно навитой в виде первичной спирали [12] (рис. 5). На рис. 5 первичная спираль имеет шаг намотки , а бифилярная спираль – .

Шаг бифилярной спирали должен удовлетворять условию (см. рис. 5):

, (9)

где – диаметр оправки, на которую навивается первичная спираль, равный чаще всего ( ) , а иногда и более (в зависимости от диаметра проволоки и от отношения длины проволоки к длине готового подогревателя), – толщина наружного слоя изоляционного покрытия подогревателя. Обычно изолирующее покрытие изготавливается из алунда (Al₂O₃) толщиной ~ 0,1мм.

Рис. 4. График определения длины и диаметра проволоки

подогревателя по заданным его мощности и температуре

Задавшись длиной готовой спирали подогревателя , которая должна отвечать условию:

, (10)

где – толщина стенок керна катода (обычно мм), можно определить число витков бифилярной спирали:

, (11)

Зная , можно найти длину первичной спирали:

, . (12)

где – средний диаметр витка бифилярной спирали,

– диаметр оправки для навивки бифилярной спирали

(см. рис. 5):

Рис. 5. Обозначение размеров подогревателя,

выполненного в виде бифилярной спирали

, (13)

где – диаметр готового подогревателя:

, (14)

где – зазор между стенкой керна катода и подогревателем (обычно десятки микрометров), обеспечивающий удобную сборку катода.

По длине первичной спирали и длине нити накала можно определить число витков , шаг намотки первичной спирали и толщину изоляционного покрытия .

Число витков первичной спирали:

, (15)

где – длина проволоки одного витка первичной спирали.

. (16)

Величина шага намотки первичной спирали отвечает условию (см. рис. 5):

, (17)

где – толщина изоляционного покрытия между соседними витками первичной спирали ( может быть значительно меньше толщины наружной изоляции подогревателя , благодаря незначительной разности потенциалов между соседними витками).

Определив из (15), можно найти величину из (17).

Таким образом, по уравнениям (9–17) проводится полный расчет всех параметров бифилярной биспирали подогревателя катода кинескопа.

4. Выбор размеров технологических узлов кинескопа

Электронно-оптическая система – это комплекс узлов, обеспечивающих управление электронным потоком, его фокусировку и отклонение, включает:

- иммерсионный объектив,

- фокусирующую систему (подфокусирующую и главную фокусирующую линзы),

- отклоняющую систему.

При конструировании электронно-оптической системы прежде всего необходимо выбрать размеры для некоторых узлов, которые приняты в современной технологии их изготовления.

Исходя из анализа существующих технологичных конструкций кинескопов и опираясь на заданные размеры рассчитываемого кинескопа (общую длину и размер растра), можно выбрать размеры некоторых узлов:

– толщину люминесцентного экрана (дна колбы (стеклянной подложки экрана) с люминофорным и алюминиевым покрытием),

– протяженность узла экран-маска (для кинескопов цветного телевидения), рис. 6,

– протяженность отклоняющей системы,

– протяженность корректирующих магнитов (для кинескопов цветного телевидения),

– длину выводов,

– толщину стеклянной ножки,

– размер монтажного промежутка между стеклянной ножкой и тыльным торцом катода.

Дно колбы кинескопа делают из сравнительно толстого стекла (до 10 мм для больших кинескопов) для обеспечения необходимой механической прочности, поскольку давление воздуха на экран большого кинескопа может превышать 1000 кГ [7] (увеличение механической прочности достигается также приданием экрану слегка выпуклой формы).

Толщина люминофорного покрытия на люминесцентных экранах электронно-лучевых приборов – от единиц до нескольких десятков микрометров. Например, толщина люминофорного покрытия на экранах электронно-оптических преобразователей – 5…12 мкм [17].

Рис. 6. Эскиз кинескопа для цветного телевидения с вырезом

1 – монтажные крепления; 2 – металлический бандаж; 3 – отклоняющая система; 4 – электронная пушка; 5 – корректирующие магниты; 6 – теневая  маска; 7 – люминофорное покрытие; 8 – стекло

Максимальная толщина алюминиевой пленки на люминесцентном экране рассчитывается из допустимой потери энергии электронами при ее простреливании, минимальная (d_min) – определяется степенью проникновения иона водорода, обладающего наименьшим размером:

d_min = 0,015U^0,83 мкм, (18)

где U – потенциал, определяющий скорость электронов, кВ [18]. Для прибора, имеющего рабочее напряжение, например 19 кВ, d_min ≈ 0,17 мкм.

Таким образом, выбирая толщину люминесцентного экрана, можно пренебречь толщиной покрытия люминофора и алюминиевой пленки ввиду их малости по сравнению с толщиной стекла. Толщина люминофорных экранов современных кинескопов лежит в диапазоне 3…10 мм (в зависимости от размера диагонали экрана).

Расстояние между люминесцентным экраном кинескопа и теневой маской (d_мэ) – это один из важных размеров, определяющих правильность цветопередачи. Для кинескопа с дельтавидным расположением прожекторов [7]

, (19)

где – расстояние между центрами соседних отверстий маски,

 – расстояние – плоскость отклонения – экран,

 – расстояние между осью кинескопа и осью электронной пушки.

Расчеты показывают, что значение – 5…10 мм (в зависимости от размеров диагонали экрана кинескопа). После проведения конструкторской проработки значение можно уточнить.

Толщина самой теневой маски ≈ 200 мкм. Она изготавливается из стального листа методом двухстороннего химического травления [6].

Протяженность отклоняющей системы для современных кинескопов – 30…80 мм (в зависимости от размеров экрана).

Правильность цветопередачи в кинескопе возможна в случае соблюдения идеально точной геометрии при изготовлении и сборке ее основных узлов, чего на практике добиться невозможно. Поэтому в кинескопе для цветного изображения предусматривается возможность дополнительной регулировки положения электронных пучков, которая могла бы компенсировать неточности, возникающие в процессе его изготовления. Для кинескопов с дельтавидным расположением электронных пушек предусматривается система корректирующих магнитов: магнит чистоты цвета, магниты сходимости и магнит коррекции синего [5,6]. Магнит чистоты цвета располагается между пушками и отклоняющей системой. Поэтому для расположения этого магнита необходимо задаться дополнительным пространством (≈ 10...20 мм).

Длина выводов, предназначенных для подведения питающего напряжения к электродам, в современных кинескопах лежит в пределах 6,5…14 мм [15].

Толщина стеклянной ножки (части оболочки прибора, через которую осуществляется электрическая связь внутренних электродов с внешними элементами схемы) в кинескопах колеблется от 4 до 7 мм.

Для электрического соединения внутренних электродов с выводами необходимо задаться размером монтажного промежутка между стеклянной ножкой и тыльным торцом катода (10...15 мм).

Для конструирования кинескопа необходимо также задаться диаметром горловины и толщиной стекла колбы кинескопа.

Горловина – это цилиндрическая часть баллона (колбы) кинескопа, в которой размещается эмиссионно-оптическая часть прибора. Действующими стандартами на трубки из электровакуумного стекла задается наружный диаметр горловины (Д_нар) и внутренний (Д_вн). В табл. 1 приведены наиболее часто встречающиеся размеры горловин кинескопов для черно-белого и цветного телевидения [15, 19, 20]. Толщина стенки горловины обычно лежит в пределах 0,85...3 мм.

Та б л и ц а 3

Днар, мм	13	20,5	21	22	26,5	28,6	29,5	35	36	36,5	38
Двн, мм	11,3	17,0	–	–	21,5	–	23,5	–	30	–	32

4. Конструкторская проработка протяженности узлов электронно-оптической системы и их расположения в кинескопе

Целью данного раздела является определение приближенных размеров конусной части кинескопа и протяженности фокусирующих линз.

На рис. 7, 8 представлены эскизы кинескопов (с разрезом, без учета масштаба), распределения потенциалов на оси и возможные траектории периферийных электронов пучка для черно-белого и цветного телевидения.

Все эскизы и расчеты кинескопа для цветного телевидения в пояснительной записке к курсовому проекту должны быть приведены для одной электронной пушки.

Обозначения узлов, принятые на рис. 7, 8:

В – выводы,

Н – стеклянная ножка,

М – модулятор,

К – катод,

ПФ – подфокусирующий электрод,

УЭ – ускоряющий электрод,

А₁ – анод первый,

А₂ – анод второй,

М_чц – магнит чистоты цвета,

ОС – отклоняющая система,

r₂ – внутренний радиус горловины,

ВА₂ – вывод второго анода,

ТМ – теневая маска,

D – диагональ растра кинескопа,

Al – проводящее (алюминиевое) покрытие,

ЛЭ – люминесцентный экран,

Рис. 7. Эскиз кинескопа для черно-белого телевидения (а), распределение потенциала на оси (б), возможные траектории периферийных электронов с одним кроссовером (в) и с двумя  (кроссовер и скрещение) (г)

Рис. 8. Эскиз кинескопа (одной пушки) для цветного телевидения (а), распределение потенциала на оси (б), возможные траектории периферийных электронов с одним кроссовером (в) и с двумя (кроссовер и скрещение) (г)

ℓ₁ – длина выводов,

ℓ₂ – толщина стеклянной ножки,

ℓ₃ – размер монтажного промежутка,

ℓ_к – длина катода,

ℓ_опт – протяженность оптической системы,

ℓ_ос – протяженность отклоняющей системы,

ℓ_кон – длина конусной части колбы прибора,

d_мэ – расстояние между теневой маской и экраном,

ℓ_ст – толщина дна колбы,

ℓ_мчц – пространство для расположения магнита чистоты цвета,

Н_пф, Н_од – положения главных плоскостей подфокусирующей (иммерсионной) линзы (ПФ-УЭ) и главной фокусирующей (одиночной УЭ – А₁ – А₂),

U_пф, U_а2 – потенциалы подфокусирующего электрода и второго анода,

Н_им – положение плоскости главной фокусирующей линзы (имерсионной),

Кр – кроссовер,

W_пф – расстояние от кроссовера (искуссенного объекта) до Н_пф,

V_пф – расстояние от плоскости Н_пф до пересечения траектории электрона с осью Z,

W_од – расстояние от плоскости Н_од до предмета (мнимого или действительного (скрещения) изображения кроссовера),

V_од – расстояние от плоскости Н_од до изображения предмета на экране,

скр – скрещение.

Исходя из заданных параметров прибора, несложно определить протяженность конусной части кинескопа. Для этого определяется размер диагонали растра кинескопа, исходя из размера изображения на экране, и (считая, что центр отклонения электронного луча находится в плоскости, проходящей через середину отклоняющих катушек) через тангенс угла отклонения находится протяженность конусной части (ℓ_кон).

Учитывая общую длину кинескопа, все размеры технологических узлов, выбранных в разделе данного учебного пособия, и протяженность катодоподогревательного узла, , находится протяженность оптической системы кинескопа (ℓ_опт)

l_опт = l_общ – l₁ – l₂ – l₃ – l_к – l_кон – l_ст – l_ос/2. (21)

Согласно эскизам для кинескопа цветного телевидения в выражении (3) необходимо еще вычесть величину М_чц.

4. Изображение распределения потенциала по оси кинескопа и ожидаемых траекторий периферийных электронов луча

Согласно эскизам кинескопов (рис. 7а и 8а) и типам используемых линз изображается распределение потенциалов на оси прибора от катода до экрана с учетом того, что в современных кинескопах для черно-белого телевидения в качестве главной фокусирующей линзы используется одиночная, а цветного телевидения в основном – иммерсионная (рис. 2б, 3б).

Далее конструктор выбирает конфигурацию сфокусированного луча в кинескопе. Возможны два варианта: луч с одним кроссовером (рис. 7в, 8в) и луч с двумя кроссоверами (кроссовером и дополнительным скрещением) (рис. 2г, 3г). Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Первый вариант обусловливает в большей степени проявление сферической аберрации (апертура луча в плоскости Н_од (или Н_им) больше), но меньшее проявление кулоновских сил, второй – в большей степени обусловливает влияние пространственного заряда (наличие двух кроссоверов с большой плотностью тока), но меньшее проявление сферической аберрации. Так как данный проект не предусматривает учета аберраций, обусловленных электронными линзами, то конструктор вправе выбрать любой из приведенных вариантов траекторий периферийных электронов.

Для обеспечения выбранной конфигурации электронного луча электронные линзы оптической системы должны иметь определенную оптическую силу, определяемую значениями W и V. Для выбора этих величин будем считать, что кроссовер находится примерно в плоскости модулятора (как показывают результаты расчета численными методами), а электронные линзы будем считать «тонкими» (что допустимо для инженерных расчетов) В этом случае положения главных плоскостей линз будем считать: для иммерсионной линзы – в плоскости разрыва между электродами, для одиночной – в плоскости, проходящей через середину второго электрода.

На длине ℓ_опт укладывается иммерсионный объектив, иммерсионная линза и одиночная (рис. 7, 8). Протяженность иммерсионного объектива – от долей до единиц миллиметра. Задавшись протяженностью иммерсионного объектива (d_им.об) (уточняется в дальнейших расчетах) можно приближенно считать, что на расстоянии ℓ_опт – d_им.об располагается 4 электрода в кинескопе для черно-белого телевидения (ЧБТ) и 3 электрода – для цветного (ЦТ). Считая в первом приближении эти электроды одинаковой длины, можно оценить размеры W, V.

(кинескоп для ЧБТ), (20)

(кинескоп для ЦТ). (21)

Тогда протяженность

( для ЧБТ), (22)

(для ЦТ). (23)

Зная эти размеры, несложно определить протяженность V_од (для ЧБТ) и V_им (для ЦТ).

4. Расчет иммерсионного объектива

В этом разделе, прежде всего, необходимо рассмотреть назначение иммерсионного объектива, проанализировать картину электрического поля, с помощью распределения потенциала на оси (U_z) и его производных (U′(z), U″(z)), пояснить собирающее действие объектива согласно уравнению для расчета оптической силы [6, 7] (при движении электрона слева направо):

, (24)

где ab – участок вдоль оси симметрии z, на котором сосредоточена область аксиально-симметричного электрического поля, представляющая собой электронную линзу.

Определение основных размеров иммерсионного объектива можно приближенно провести по формуле Гайне [6,21], которая справедлива при ℓ_км/D_м/2 ≥ 1:

, (25)

г

Рис.9. Эскиз иммерсионного объектива

де – напряжение модулятора запирающее,

– напряжение на ускоряющем электроде иммерсионного объектива (в кинескопе – подфокусирующего электрода),

– диаметр отверстия в модуляторе,

δ – толщина диафрагмы модулятора,

– расстояния катод (К) – модулятор (М) и модулятор-анод (А) (рис. 9).

В случае малых толщин модулятора и малых значений ℓ_км можно воспользоваться другой формулой [21]:

, (26)

где R_м – радиус отверстия в модуляторе.

В уравнениях (25), (26) не учитывается размер отверстия ускоряющего электрода, и все 4 размера иммерсионного объектива не известны, поэтому, прежде всего, необходимо задаться толщиной диафрагмы модулятора. В существующих конструкциях кинескопов δ имеет значение в пределах 0,1…0,5 мм.

Диаметр отверстия модулятора (D_м) можно определить через эффективный диаметр катода (D_эфф) [21]:

D_эфф= 0,7 D_м. (27)

Эффективный диаметр катода примерно на порядок больше диаметра кроссовера (на основании практических данных) [21].

D_эфф=10 d_кр. (28)

Следовательно, для определения диаметра отверстия модулятора необходимо найти диаметр кроссовера, что можно сделать, зная диаметр пятна на экране.

Диаметр пятна на экране (d_п) (см. рис. 7, 8) определяется диаметром скрещения (d_скр) и коэффициентом увеличения главной фокусирующей линзы (М_гл.ф.л.):

d_п = d_скр М_гл.ф.л., (29)

d_скр определяется диаметром кроссовера (d_кр) и коэффициентом увеличения подфокусирующей линзы.

d_скр = d_кр М_пф . (30)

Исходя из (29) и (30) несложно определить d_кр, зная, что коэффициент увеличения одиночной линзы М_од и иммерсионной М_им соответственно равны:

М_од = V_од/W_од , , (31)

где U₁, U₂ – потенциалы электродов иммерсионной линзы.

Таким образом, в уравнениях (25), (26) остаются неизвестными две величины: ℓ_км и ℓ_ма.

Расстояние катод-модулятор можно определить, проанализировав работу катода в кинескопе. Картина поля в иммерсионном объективе [6] показывает, что ускоряющее поле сильнее против центра диафрагмы модулятора и убывает в направлении радиуса. Следовательно, катод нагружен неравномерно, и наибольший отбор тока имеет место с его центрального участка. Режим работы катода в кинескопе оказывается близким к режиму работы электронной лампы при наличии «островкового эффекта». Но так как важнейшей характеристикой электронной пушки является модуляционная характеристика (зависимость тока пучка (I_n) (или катода) от потенциала модулятора U_м (рис. 10), то крутизна этой характеристики (S = dI_п/dU_м) является одним из параметров кинескопа. По аналогии с теорией электронных ламп [13] для иммерсионного объектива можно качественно изобразить зависимость S от отношения ℓ_км/D_м (рис. 11).

Рис. 10. Модуляционная характеристика кинескопа

Рис.11. Зависимость крутизны модуляционной характеристики        от соотношения ℓкм/Dм

Максимальное значение крутизна модуляционной характеристики приобретает при отношении ℓ_км/D ≈ 0,5 – 1. При ℓ_км ≈ D начинает проявляться островковый эффект и при ℓ_км/D < 0,5 крутизна резко падает ввиду снижения эффективности управления катодным током.

Исходя из вышесказанного, имеет смысл значение ℓ_км выбрать в пределах (0,5…1) D.

Таким образом, в уравнениях (25) и (26) остается не определенной только величина ℓ_ма, которую и необходимо рассчитать при завершении этого раздела.

4. Расчет величин необходимых оптических сил подфокусирующей и главной фокусирующей линз

Оптические силы электронных линз фокусирующей системы кинескопа рассчитываются исходя из анализа выбранной конфигурации электронного луча (рис.7, 8).

В качестве подфокусирующей линзы кинескопов используется иммерсионная линза. В этом разделе необходимо охарактеризовать иммерсионную линзу, проанализировать картину поля внутри нее, качественно изобразить распределение потенциала на оси, его первую и вторую производные, на основе которых с использованием уравнения (24) доказать, что иммерсионная линза является всегда собирающей.

Используя данные, полученные в разделе 6 выполняемого проекта, рассчитывается оптическая сила подфокусирующей линзы.

, (32)

– для кинескопа ЧБТ и

, (33)

– для кинескопа цветного телевидения.

В качестве главной фокусирующей линзы кинескопа для черно-белого телевидения используется одиночная линза. Поэтому в этом разделе необходимо охарактеризовать одиночную линзу, проанализировать ее поле и доказать ее собирающее действие. Используя данные, полученные в разделе 6 данного проекта, определяется ее оптическая сила:

. (34)

В качестве главной фокусирующей линзы кинескопа для цветного телевидения используется иммерсионная линза, поэтому на основе данных, полученных в разделе 6, по уравнению (35)определяется ее оптическая сила:

. (35)

Таким образом, в результате расчетов, проведенных в этом разделе, найдены оптические силы электронных линз, которые должны обеспечить выбранную конфигурацию электронного луча.

4. Расчет (или выбор) электронных линз, обеспечивающих необходимую оптическую силу

Конструирование фокусирующей системы начинается с расчета подфокусирующей (ПФ) линзы. Как было отмечено раньше, линза ПФ – иммерсионная. Зная величину необходимой оптической силы, можно рассчитать размеры линзы или выбрать ее конструкцию из уже исследованных и опубликованных в [6, 7, 22, 23].

Существуют приближенные уравнения, позволяющие с достаточной для практических целей степенью точности связать величину оптической силы с размерами линзы и соотношением потенциалов на электродах (γ = U₁/U₂, U₁ – потенциал первого электрода, U₂ – второго). Так для иммерсионной линзы, образованной двумя цилиндрами одинакового радиуса (R) (при расстоянии между цилиндрами, малом по сравнению с радиусом [7]):

. (36)

Выражение (36) правомочно при 0,1  γ  10.

Приближенное уравнение для определения оптической силы иммерсионной линзы, образованной двумя диафрагмами с отверстиями радиуса R, расположенными на расстоянии d, имеет вид [7]:

. (37)

Формула (37) справедлива при d ≥ 2R.

Для слабой иммерсионной линзы , образованной двумя диафрагмами, оптическая сила определяется только расстоянием d и потенциалами на электродах [7]:

. (38)

Иммерсионные линзы, выполненные из цилиндров равных радиусов или с определенным соотношением радиусов, исследованы многими авторами и охарактеризованы в [6, 22, 23]. В [6] приведены оптические характеристики иммерсионной линзы, образованной цилиндрами равного диаметра D, расположенными на расстоянии ℓ = 0,1D друг от друга. В [23] приведены зависимости оптической силы от соотношения потенциалов для такой линзы с расстояниями между цилиндрами ℓ = 0,1D (рис. 12); 0,125D; 1,0D; 1,5D (рис. 13).

Рис.12. Оптические параметры для иммерсионной линзы, выполненной из двух цилиндров равного диаметра, расположенных на расстоянии 0,1D друг от                                            друга

Рис. 13. Зависимость оптических сил для иммерсионной линзы, выполненной из цилиндров одинакового диаметра,                 при разных расстояниях между цилиндрами

В [23] приведены результаты исследования иммерсионных линз сложной конструкции, выполненных из комбинации отрезков цилиндров разного диаметра и диафрагм (рис. 14, 15).

Зная необходимую оптическую силу подфокусирующей линзы и соотношение потенциалов, конструктор вправе выбрать подходящую линзу из уже исследованных и приведенных в указанной литературе или в данном учебном пособии. Если необходимая оптическая сила линзы оказывается больше силы уже исследованных линз, конструктору необходимо обратиться к уравнениям (36) – (38) и определить размеры линз.

При конструировании одиночной линзы (главной фокусирующей) можно также использовать приближенные уравнения. Для симметричной одиночной линзы, образованной тремя диафрагмами с радиусами отверстий R₁ (крайних электродов) и R₂ (средней диафрагмы) при условии, что расстояние между диафрагмами d не меньше радиусов отверстий R₁ и R₂ и f₂ > d (т.е.

Рис 14. Конструкции исследованных в [23] иммерсионных линз. Толщина материала 0,27 мм

а б

Рис.15. Зависимости оптических сил от соотношения потенциалов на электродах для линз, конструкции которых показаны на рис. 14.

для сравнительно слабых линз – χ > 0,2), фокусное расстояние определяется как [7]:

, (39)

где ,

U₀ (0) – потенциал в центре линзы (на оси системы в плоскости средней диафрагмы),

U₀ (Z_d) – потенциал на оси системы в плоскостях крайних диафрагм.

, (40)

, (41)

где U_1g, U_2g – потенциалы крайних электродов и среднего соответственно.

Если считать, что потенциалы на оси в плоскости диафрагм симметричной одиночной линзы равны потенциалам самих диафрагм, что правомочно при малых R₁, R₂, то можно использовать приближенное уравнение [7]:

, (42)

а для слабой линзы можно использовать выражение [7]:

. (43)

Для одиночной линзы, образованной тремя диафрагмами, но имеющей средний электрод значительной толщины, можно использовать уравнение, приведенное в [22].

Для слабой одиночной линзы, образованной тремя цилиндрами одинакового радиуса R при длине среднего электрода 2ℓ_ц и зазорах между цилиндрами ℓ << R оптическая сила приближенно определяется как [7]:

, (44)

где U₁ и U₂ – потенциалы крайних и среднего электродов,

Ф, Ψ – функции отношения длины среднего цилиндра к его радиусу (ℓ_ц/R) (рис. 16).

Рис. 16. График функций для расчета симметричной одиночной линзы

Формула (44) дает удовлетворительные результаты при .

Одиночные линзы некоторых существующих и используемых в электронно-лучевых приборах исследованы авторами [23]. Результаты исследования приведены на рис. 16 – 18.

Так же как и при конструировании иммерсионной линзы, конструктор выбирает определенную одиночную линзу по величине необходимой оптической силы и соотношению потенциалов на электродах, либо проводит расчет линзы по формулам (39) – (44), предварительно выбрав форму электродов.

Рис.17. Конструкции исследованных в [23] одиночных линз. Толщина материала 0,3 мм

Рис. 18. Оптические характеристики линз, конструкции которых соответственно представлены на рис.17

В электронной оптике иногда используют скрещенные линзы. Скрещенными линзами названы линзы, образованные набором диафрагм cо щелевыми отверстиями повернутыми друг относительно друга на угол 90 градусов, рис.19. Применение таких линз позволяет конструировать приборы с высокими параметрами.

Рис. 19. Эскиз щелевой одиночной линзы

В работах [24, 25] проведено исследование подобной линзы с различными межэлектродными расстояниями и с различными размерами внешних электродов с целью получения линз с малым уровнем сферической аберрации и высокой оптической силой. Радиус кривизны щели среднего электрода (диафрагмы) выбран равным 7,2 мм, зазор между выступами в щели среднего электрода – 2 мм, длина щели среднего электрода – 6 мм, расстояние между электродами – 1,5 мм, толщина диафрагм – 0,6 мм. Отношение потенциала среднего электрода к потенциалу крайних электродов – 1.6. Известно, что скрещенная одиночная линза, как и осесимметричная, обеспечивает меньший уровень аберраций, если на среднем электроде более высокий положительный потенциал, причем лучшие аберрационные характеристики позволяют получить линзы с криволинейной формой отверстия (щели) в среднем электроде.

На рис.20 – 21 представлены зависимости оптической силы от конструкции линзы. На рис. 20 представлены зависимости оптической силы от ширины щелей внешних электродов в плоскостях ОХ и ОУ. Из зависимостей видно, что с увеличением ширины щелей оптическая сила линзы падает в обеих плоскостях.

, мм

OY

OX

, мм ^{- 1}

Рис.20. Зависимости оптических сил линзы в плоскостях ОХ и ОУ от ширины щелей внешних электродов

На рис. 21 представлены зависимости оптической силы от расстояния между электродами (диафрагмами) в плоскостях ОХ и ОУ. Из зависимостей видно, что с увеличением расстояния между электродами оптическая сила линзы падает в обеих плоскостях, причем оптическая сила в плоскости OY значительно больше, чем в плоскости OX.

На практике имеет смысл выбирать линзы, обеспечивающие малые абберации. Для щелевой исследуемой линзы на рис.22 представлены зависимости сферической аберрации от ширины щелей, из которых видно, что при уменьшении ширины положительная сферическая аберрация уменьшается в обеих плоскостях, при определенных значениях ширины становится нулевой и при дальнейшем уменьшении ширины аберрация приобретает отрицательные значения.

Рис.21. Зависимости оптических сил линзы в плоскостях ОХ и ОУ от расстояния между электродами

, мм

OY

OX

Рис. 22. Зависимости сферической аберрации от ширины щелей

На рис. 23 представлены зависимости аберрации от длины щели внешних электродов, из которых видно, что с увеличением длины в плоскости ОУ положительная сферическая аберрация уменьшается до нуля и далее приобретает отрицательные значения. В плоскости ОХ аберрация оказывается отрицательной и с увеличением длины щели изменяется слабо. Оптическая сила с увеличением длины щелей внешних электродов растет (зависимости в данной работе не представлены).

, мм

, мм

OY

OX

Рис.23. Зависимости сферической аберрации от длины щелей

(ширина щелей - 4 мм).

На рис.24 представлены зависимости сферической аберрации от расстояния между электродами, из которых видно, что при увеличении расстояния величина аберрации уменьшается в обеих плоскостях, при определенных значениях расстояния становится минимальной и при дальнейшем увеличении аберрация вновь начинает расти, т.е. эта зависимость имеет минимум.

, мм

Рис. 24. Зависимости сферической аберрации от расстояния между электродами

Приведенные зависимости позволили сформулировать определенные выводы.

1. Оптическая сила исследуемой линзы растет при уменьшении ширины щелей внешних электродов и увеличении длины щелей, падает в обеих плоскостях при увеличении расстояния между электродами, причем оптическая сила в плоскости OY значительно больше, чем в плоскости OX.

2. При уменьшении ширины щелей положительная сферическая аберрация уменьшается в обеих плоскостях, при определенных значениях ширины становится нулевой и при дальнейшем уменьшении ширины аберрация приобретает отрицательные значения.

3. С увеличением длины щелей внешних электродов в плоскости ОУ положительная сферическая аберрация уменьшается до нуля и далее приобретает отрицательные значения. В плоскости ОХ аберрация оказывается отрицательной и с увеличением длины щели изменяется слабо.

4. Зависимость величины сферической аберрации от расстояния между электродами имеет минимум, причем величина абберации в плоскости OY значительно больше, чем в плоскости OX.

4. При определенных размерах щелей внешних электродов исследуемой линзы и расстояниях между электродами можно получить довольно высокие значения оптической силы и малые значения сферической аберрации.

5. Исследуемую линзу при определенной конструкции можно использовать в качестве корректора аберраций в электронно-оптических системах.

4. Разработка эскиза эмиссионно-оптической системы кинескопа

Эмиссионно-оптическая система должна быть скомпонована из электронных узлов, рассчитанных в предыдущих разделах: катодоподогревательного узла, иммерсионного объектива, подфокусирующей и главной фокусирующей линз.

Размеры системы должны соответствовать размерам W_пф, V_пф, W_од, V_од (для кинескопа черно-белого телевидения) и W_пф, V_пф, W_им, V_им (для кинескопов ЦТ),

Расположив рассчитанные узлы по их назначению, необходимо прежде всего учесть, что электрическое поле (как показывают численные методы расчета) внутрь цилиндров и в отверстия диафрагм «провисает» приблизительно на диаметр (такое предположение удовлетворяет требованиям по точности для инженерных расчетов), т.е. длина цилиндров иммерсионной линзы не должна быть меньше их диаметров, а расположение близлежащих электродов по отношению к линзе, образованной диафрагмами, должно быть на расстоянии, не меньшем диаметра отверстия.

Для обеспечения параксиальности электронного луча в подфокусирующем электроде со стороны модулятора необходимо поставить «вырезывающую» диафрагму с определенным радиусом отверстия (радиус можно оценить, задавшись отношением тока пучка к току катода).

В случае малой протяженности выбранной одиночной линзы длину последней необходимо увеличить опять-таки с учетом факта «провисания» электрического поля.

По желанию конструктор может укоротить электронно-оптическую систему (если это позволяет протяженность рассчитанных линз), что будет являться достоинством курсового проекта. Но при этом необходимо уточнить размеры ℓ_опт,W и V.

Раздел заканчивается изображением эскиза сконструированной эмиссионно-оптической системы (электронной пушки) с указанием значений W, V и размеров всех узлов (рис. 25, 26).

Рис. 25. Эскиз сконструированной электронной пушки для кинескопа черно-белого телевидения

Рис.26. Эскиз сконструированной электронной пушки для кинескопа цветного телевидения

4. Расчет и конструирование отклоняющей системы

К отклоняющим системам в электронно-лучевых приборах предъявляются требования, основные из которых:

– обеспечение высокой чувствительности,

– обеспечение необходимого угла отклонения электронного луча,

– обеспечение определенной разрешающей способности по всему полю изображения и геометрической правильности растра.

В кинескопах, как правило, используется магнитная отклоняющая система (ОС), обеспечивающая однородные взаимно-перпендикулярные магнитные поля, создаваемые двумя парами обтекаемых током отклоняющих катушек. Конструктивно отклоняющие катушки могут быть выполнены без магнитопровода, с внутренним магнитопроводом и внешним. На практике наиболее широко используется конструкция ОС с внешним магнитопроводом. При этом катушки выполняют облегающими горловину трубки, расположив обе пары катушек так, чтобы они создавали взаимно перпендикулярные поля, и окружив их магнитопроводом, замыкающим эти поля с внешней стороны катушек. Магнитопровод выполняется в виде набора тонких колец, изготовленных из магнитомягкого материала. Расположение катушек возможно по двум вариантам:

• одна пара катушек расположена поверх другой,

• продольные части обеих катушек расположены непосред­ст­венно на горловине кинескопа.

Первый вариант увеличивает диаметр магнитопровода, при этом эффективность системы уменьшается. Предпочтение отдают второму варианту. По форме отклоняющие катушки кинескопов выполняют седлообразными, тороидальными или комбинированными. Существенным недостатком тороидальных катушек является трудность получения нужной формы отклоняющего поля, а значит, получения нужных электронно-оптических параметров, а также трудность в устранении паразитных колебаний [22].

Особенностью отклоняющих катушек должно быть их особое конструктивное выполнение с целью обеспечения однородного магнитного поля на относительно коротком участке. Для обеспечения однородного поля витки по окружности катушек должны располагаться определенным образом. Если ввести некоторую функцию f(β), характеризующую плотность ампер-витков на единицу угла намотки β, то для числа ампер-витков, лежащих в пределах угла β, можно записать [6]:

. (45)

Зная, что определяется как

, (46)

можно получить:

, (47)

где H – напряженность магнитного поля, создаваемого отклоняющей катушкой (ОК),

D_нар – наружный диаметр горловины кинескопа.

Следовательно, плотность витков должна быть максимальной по краям катушек и убывать по закону косинуса к их середине.

На практике отклоняющие катушки выполняют из секций с различными плотностями витков, аппроксимируя требуемое непрерывное распределение их вдоль окружности катушки ступенчатым [6].

При конструировании ОС конструктору, прежде всего, необходимо уточнить протяженность ОК, выбранную в разделе 1 настоящего пособия.

Если отклоняющая система расположена частично на горловине и частично на конусной части кинескопа, то можно приближенно считать, что центр отклонения (ЦО) расположен в плоскости, проходящей через середину длины катушки (l_ос/2) (рис.7).

Тогда приближенно можно записать:

, (48)

и определить протяженность ОС.

Для определения числа ампер-витков ОК можно воспользоваться приближенными уравнениями, приведенными в [6, 13], не учитывающими аберрации ОС и возможное изменение формы катушек, если последние повторяют форму перехода горловины прибора в конусную часть. В этом случае диаметр продольных витков, расположенных на конусной части баллона, увеличивается и чувствительность по отклонению падает. Этот факт при расчете ОС можно учесть, увеличив длину ОК на несколько процентов.

В [6] приведены приближенные выражения для определения числа ампер-витков ОК для малых углов отклонения (l_кон >> l_ос/2, [22]):

, (49)

где d – внутренний диаметр намотки ОК, который можно определить как внешний диаметр горловины колбы, увеличенный примерно на 1...2 мм [13] (с целью плотной посадки ОК на баллон кинескопа),

U_а – потенциал электрода (второго анода), определяющий скорость электронов в области ОК,

а – протяженность области, занятой однородным магнитным полем ОС (равная примерно длине ОК),

L – расстояние от центра отклонения до экрана (в нашем случае – ℓ_кон).

В случае значительных углов отклонения можно использовать выражение [6]:

, (50)

где (рис. 7).

Внешний радиус намотки можно оценить как r_внеш/r_внутр = = 1,25 [22].

При использовании внешнего магнитопровода его длину можно выбрать, примерно равной длине ОК, а внутренний диаметр ~ D_нар + 1 мм. Если для магнитопровода использовать оксиферовое кольцо (μ = 800...1000), то его толщина должна быть порядка 4 мм [22].

Рассчитанное число ампер-витков по (49), (50) дает значение I для отклонения на угол, равный /2. Для полного отклонения луча в одном направлении число ампер-витков будет в 2 раза больше. Для расчета числа витков ОК необходимо задаться величиной тока отклонения строчных и кадровых катушек на примере существующих типов кинескопов [22], табл. 2.

Т а б л и ц а 4

Тип системы	Тип кинескопа	Угол отклонения, град.	Ток отклонения (I откл), А
			Строчных катушек	Кадровых катушек
ОС 110А	47ЛК1Б, 59ЛК1Б	110	2,3	0,85
ОС 90	40ЛК9Б	90	1,4	0,5

При последовательном соединении строчных и кадровых катушек каждая катушка (например строчная) должна иметь число витков

. (51)

Для обеспечения однородного поля, создаваемого ОК, витки должны быть расположены по косинусоидальному закону, согласно (47), что на практике, как указывалось выше, добиваются, аппроксимируя требуемое непрерывное распределение витков ступенчатым. В [22] приводится таблица распределения витков в отклоняющих катушках, обеспечивающих практически однородное поле (табл. 3). Распределение секторов иллюстрируется на примере седлообразной катушки (рис. 26).

Т а б л и ц а 5

Вид катушки	Число витков в секциях одного сектора, %
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Строчная	2,8	3,5	5,6	6,2	8,3	8,3	9,0	9,8	10,5	11,0	12,0	13,0	–
Кадровая	1,5	2,6	3,2	5,0	7,5	8,2	8,2	9,7	9,7	11,0	11,0	11,2	11,2

Рис26. Сечение строчной седлообразной катушки (а), сечение кадровой седлообразной катушки (б)

Таким образом, в данном разделе проведено описание хода расчета и конструирования отклоняющей системы кинескопа.

4. Особенности конструкции SED - дисплеев

SED дисплеи ( Surface conduction Electron-emitter Display -поверхностно-проводящие электроноизлучающие дисплеи) или FED –дисплеи (на базе автоэлектронной эмиссии (Field Emisson Display, FED))построены на основе автоэмиссионных катодов [26 - 30]. Явление автоэмиссии — туннелирование электронов через потенциальный барьер на границе тела при наличии внешнего электрического поля. В качестве автоэмиссионных материалов используют молибден, графит, углеродные волокна, углеродные нанотрубки. Одним из разновидностей таких катодов является катод Спиндта (рис.27).

Рис. 27. Катод Спиндта.

SED представляет собой принципиально новую технологию передачи изображения, которая позволяет получить телевизор или монитор большого формата, с качеством "картинки" не уступающим классическому ЭЛТ монитору, а то и превышающему его. При этом монитор по технологии SED будет тоньше обычного LCD монитора, иметь очень низкое энергопотребление и будет лишен характерных для жидких кристаллов (ЖК) недостатков.

SED мониторы будут иметь очень высокую контрастность 100000:1 (у лучших LCD 1000:1), прекрасную цветопередачу, угол обзора в 180 градусов, практически без каких - либо потерь качества изображения и минимальное время отклика, при котором не будет "смаза" изображения при резкой смене сцены, как на большинстве LCD экранов.

Вкратце, технология заключается в следующем: для вывода изображения используются катодные трубки, которые облучают потоком электронов стекло, покрытое фосфоресцентным веществом. В отличие от традиционных телевизоров и мониторов, в SED используются многочисленные электронные пушки, работающие попиксельно. Ещё одной особенностью технологии является возможность создавать в перспективе гибкие и тонкие экраны, производимые с помощью струйной печати. При этом новые экраны не менее плоские, чем LCD, свободны от всех недостатков жидких кристаллов, столь же контрастные и насыщенные, как хороший кинескоп, а энергии потребляют в полтора раза меньше. SED-дисплея (Surface conduction Electron – emitter Display – поверхностно-проводящие электронно-излучающие дисплеи) [8]. Это практически плоский кинескоп. Его основа – стеклянный экран, покрытый люминофором, облучаемый тысячами микроскопических эмиттеров, расположенных почти вплотную к экрану, т.е. у каждого пикселя на экране – своя собственная электронная пушка. Разработчики утверждают, что SED-дисплей дешевле, чем плазменные панели такого же размера. При этом SED-дисплеи оказываются не менее плоские, чем ЖК, но свободны от недостатков последних, столь же контрастны и насыщенны, как хороший кинескоп, а энергии потребляют в полтора раза меньше. SED технология представляет собой принципиально новую технологию передачи изображения, которая позволяет получить телевизор или монитор большого формата, с качеством "картинки", не уступающим классическому ЭЛТ монитору, а то и превышающем. При этом монитор по технологии SED будет тоньше обычного ЖК (LCD (Liquid crystal display)) монитора, иметь очень низкое энергопотребление и будет лишен характерных для ЖК телевизоров недостатков. SED мониторы будут иметь очень высокую контрастность, прекрасную цветопередачу, угол обзора - 180 градусов, практически без каких либо потерь качества изображения и минимальное время отклика, при котором не будет "смаза" изображения при резкой смене сцены, как на большинстве LCD экранов[10].

SED-дисплеи дешевле, чем плазменные панели такого же размера. При этом новые экраны не менее плоски, чем ЖК, но свободны от всех их недостатков. Они обеспечивают столь же контрастное и насыщенное изображение, как хороший ЭЛТ-кинескоп, а энергии потребляют в полтора раза меньше.

Примерные размеры катодомодуляторного узла с таким катодом показаны на рис. 28.

Рис. 28. Катодомодуляторный узел.

Lk – высота катода – 1,5 мкм, молибденовый корпус покрытый алмазной пленкой, Dk – диаметр катода – 0,8 мкм, Ls – длина стороны фрагмента, содержащего один катод – 3 мкм, Hs – высота стороны фрагмента – 1,5 мкм, Dm – диаметр модулятора – 1,5 мкм, Do – диаметр отверстия диэлектрика – 2,5 мкм.

Устройство узла, обеспечивающего один субпиксель дисплея, схематично представлено на рис. 29

Рис.29. Устройство узла, обеспечивающего один суб пиксель дисплея.

Lm – высота модулятора, Lk – высота катода, Lk-a – расстояние катод – анод.

В качестве фокусирующей системы используются две квадрупольные линзы.

Рис. 30. Эскиз квадрупольной линзы.