Электронно-лучевые приборы и фотоэлектронные приборы

Рис. 4. Магнитная отклоняющая си­стема с внутренним магнитопроводом

а — внешний вид; б — разрез; 1 — магнитопровод; 2 — катушки горизонтального от­клонения; 3 — катушки вертикального от­клонения; 4— пластмассовые гильзы

Системы с внешним магнитопроводом достаточно экономичны, компактны и при правильно выбранных геометрических соотно­шениях позволяют получать достаточно большие углы отклонения при сохранении линейности и сравнительно небольшом нарушении фокусировки луча. Системы с внешним магнитопроводом полу­чили широкое распространение как отклоняющие системы кине­скопов.

Рассмотрим отклонение электрона магнитным полем одной пары катушек, считая, что поле ограничено диаметром катушки и в этом пространстве оно однородно. На рис. 5 силовые линии магнитного поля изображены уходящими от зрителя перпендикулярно плоскости чертежа. Электрон с начальной скоростью V ₀ движется в магнитном поле, вектор индукции B которого нормален к вектору скорости V ₀, по окружности с радиусом

.

По выходе из магнитного поля электрон продолжает движение по касательной к его криволинейной траектории в точке выхода из поля. Он отклонится от оси трубки на некоторую величину z = L× tg a. При малых углах a» tg a можно использовать приближенное равенство z» L a.

Величина центрального угла определяется равенством a = s/r» l ₁ /r, где s – кривая, по которой движется электрон в поле В. Подставляя сюда значение r, получаем:

.

Таким образом, отклонение электрона равно:

.

Выражая скорость V₀ электрона через напряжение на аноде, получаем:

.

Учитывая, что индукция магнитного поля пропорциональна числу ампер-витков wI, можно записать:

.

Выше мы рассмотрели процессы, связанные с изменениями направления электронного луча на пути от электронной пушки до экрана. Теперь коротко рассмотрим устройство получения и формирования электронного луча. Это устройство называется электронной пушкой. Основные детали простейшей электронной пушки показаны на рис. 6.

Рассмотрим ее устройство. Электроны генерируются с торцевой поверхности цилиндрического катода 3 в процессе термоэлектронной эмиссии. До уровня рабочей температуры катод подогревается спиралью 1, по которой течет ток. Спираль электрически изолирована от катода керамическим покрытием 2. Для увеличения эффективности термоэлектронной эмиссии используется оксидный слой с полупроводниковыми свойствами. Этот оксидный слой нанесен дно цилиндрического катода, обращенного в сторону экрана кинескопа. Далее вдоль оси симметрии цилиндрического катода установлен управляющий электрод 4, называемый модулятором. Он выполнен в виде цилиндра с донышком, в котором имеется отверстие. На модулятор подается отрицательное напряжение относительно катода. В электрическом поле приложенного к модулятору напряжения электроны потока, двигаясь в направлении экрана, смещаются к оси электронной пушки. Таким образом происходит первичное фокусирование электронного потока в луч. Через отверстие в донышке модулятора проходят лишь те электроны, которые двигаются вдоль оси электронной пушки. Модулятор также выполняет функции управляющей сетки. С увеличением отрицательного напряжения на модуляторе интенсивность выходящего из его отверстия электронного потока уменьшается и при определенном отрицательном напряжении полностью прекращается. Такое напряжение называется запирающим.

За модулятором установлен первый анод 5, на который подается положительное (относительно катода) напряжение. Конфигурация электрического поля в пространстве между модулятором и первым анодом имеет форму линзы. Этим полем осуществляется фокусировка электронного пучка, благодаря которой он приобретает форму веретена с острием, направленным к экрану кинескопа. Кроме того, поле этого анода ускоряет движение электронов потока в осевом направлении. Первый анод выполнен в виде полого цилиндра. Его диаметр больше, чем диаметр цилиндра модулятора. Изменяя напряжение на первом аноде, можно улучшить фокусировку электронного пучка. Далее следует второй анод 6, который также выполняет функции фокусировки и ускорения электронов. Как и первый анод, он выполнен в виде полого цилиндра.

Основная часть электронов в пучке, разогнавшись до большой скорости, не попадает на стенки второго анода, а пролетает по его оси. На второй анод подается достаточно высокое напряжение, необходимое для придания электронам в пучке большой скорости. Именно комплект перечисленных электродов образует электронный прожектор или электронную пушку. Этот узел выполняется в виде жесткого единого узла, собранного на слюдяных пластинках, с использованием керамических цилиндрических изоляторов.

Следует отметить, что при работе электронной пушки в области катода образуются отрицательно заряженные частицы - ионы. Наряду с электронами эти ионы также присутствуют в электронном луче, выходящем из электронной пушки. Магнитные поля отклоняющих катушек мало влияют на ионы, так как они обладают значительно большей, чем электроны, массой и разгоняются в трубке до меньших скоростей. Это обстоятельство приводит к тому, что ионы бомбардиру­ют люминофор только в центре экрана, что может привести к его разрушению. Для борьбы с этим явлением внутреннюю поверхность люминофора покрывают тонким слоем алюминия. Этот слой алюминия прозрачен для электронов и непрозрачен для ионов. Одновременно с защитой экрана от ионной бомбардировки, слой алюминия отражает свет люминесцирующего экрана на зрителя, не пропуская его внутрь экрана. Таким образом увеличивается светоотдача люминофора. Современные кинескопы больших размеров имеют угол от­клонения 110°, что позволяет делать их более компактными.

Весь путь от электронной пушки до фронтальной (экранной) части трубки поток электронов движется в электрическом поле высоковольтного анода. Здесь электроны приобретают достаточно большую энергию, основная часть которой расходуется на возбуждение люминофора.

На рис. 7 представлена конструкция цветного кинескопа и его условное обозначение на электронных схемах. Как правило, в современном цветном кинескопе используются три электронные пушки. Каждая из трех пушек соответствует одному из основных цветов (R, G или B) и посылает пучок электронов в три соседние точки на экране, покрытые люминофором с соответствующим цветом люминесценции. Свечение бомбардируемых участков основными цветами с различной интенсивностью дает элемент отображения с требуемым цветом. Например, если активировать на одинаковом уровне красную, зеленую и синюю люминофорные частицы, то их комбинация даст белый цвет.

Рис. 7. Схема кинескопа (а) и обозначение трехлучевого кинескопа на электрических схемах (б): 1 — пучок электронов; 2 — вакуумная среда, ограниченная баллоном; 3 — электронная пушка — генератор электронов; 4— устройство управления — отклоняющая система; 5 — детектор — люминесцентный экран

Очевидно, что электронный луч, предназначенный для красных люминофорных элементов, не должен влиять на люминофор зеленого или синего цвета. Чтобы добиться такого действия, используется специальная маска, чья структура зависит от типа кинескопов.

Масочные кинескопы, экран которых образован узкими полосками или округлыми участками люминофоров красного (к), зеленого (з) и синего (с) цвета свечения. Этот масочный тип получил название щелевой теневой маски. Три электронных прожектора формируют три сходящихся у экрана электронных пучка, каждый из которых возбуждает свечение люминофора только одного цвета. При щелевой маске прожекторы располагаются в одной плоскости, а при использовании маски с круглыми отверстиями — по вершинам равностороннего треугольника. Этот тип называют также дельтаобразным расположением в одной плоскости (рис. 8).

Таким образом, кинескопы можно разбить на два класса - трехлучевые с дельтаобразным и планарным расположением электронных пушек. Последние иногда называют кинескопами с самосведением лучей, так как воздействие магнитного поля Земли на три планарно расположенных луча практически одинаково и, при изменении положения трубки относительно поля Земли, не требуется производить дополнительные регулировки.

До настоящего времени теневая маска была самым распространенным типом масок. Она применялась со времени изобретения первых цветных кинескопов. Поверхность у кинескопов с теневой маской обычно сферической формы (выпуклая). Это делалось для того, чтобы электронный луч в центре экрана и по краям имел одинаковую толщину.

Теневая маска состоит из металлической пластины с круглыми отверстиями, которые занимают примерно 25 % площади (рис. 8). Помещается маска параллельно поверхности люминофора на определенном расстоянии от него. Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара, представляющего собой магнитный сплав железа [64 %] с никелем [36 %]. Этот материал имеет предельно низкий коэффициент теплового расширения, поэтому с нагревом маски электронами маска деформируется лишь незначительно. Расстояния от разных точек маски до люминофора остаются практически неизменными, что гарантирует попадание электронных лучей на участки люминофора с одним и тем же цветом люминесценции. Отверстия в металлической маске работают как прицел, и точность попадания луча на требуемые люминофорные элементы может быть обеспечена только тогда, когда взаимное расположение электронной пушки, прицела и цели с высокой точностью остается неизменной.

Недостатки теневой маски хорошо известны: во-первых, это малое соотношение пропускаемых и задерживаемых маской электронов (только около 20-30 % проходит через маску), что требует применения люминофоров с большой светоотдачей, а это, в свою очередь, ухудшает монохромность свечения, уменьшая диапазон цветопередачи, а во-вторых, обеспечить точное совпадение трех не лежащих в одной плоскости лучей при отклонении их на большие углы довольно трудно.

Вместо теневой маски в современных цветных кинескопах часто используются также апертурная решетка.

Апертурная решетка представляет собой тонкую металлическую фольгу, в которой прорезаны длинные узкие параллельные горизонтальные щели. В этом случае оси электронных пушек располагаются в одной горизонтальной плоскости.

Яркость свечения в определенной точке экрана определяется мгновенной интенсивностью пучка, управляемого принимаемым телевизионным сигналом. Электропроводность люминофоров достаточна мала.

Оседающие на экран электроны заряжают его отрицательным зарядом, и поток электронного пучка на экран может прекратиться. Однако люминофоры обладают большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии. Это явление используется для отвода зарядов путем покрытия внутренней стороны экрана проводящим слоем и подсоединения его к аноду.

Теперь рассмотрим особенности конструкции и работы осциллографических трубок, являющихся приборами с электростатическим отклонением луча (см. рис. 9).

Рис. 9. Осциллографическая трубка: 1 — катод; 2 — электронный луч;

3 — вакуумный баллон; 4а, 4б— развертка по вертикали и горизонтали, 5 — экран

Условное графическое обозначение осциллографической трубки приведено на рис. 10.

Рис. 10. Обозначение осциллографической электронно-лучевой трубки

Осциллографическая трубка— это электронно-лучевой прибор, предназначенный для регистрации хода быстропротекающих процессов в графической форме. Очевидно, что быстропротекающие процессы должны быть представлены в виде электрических сигналов. Под воздействием периодического пилообразного напряжения, подаваемого на пластины 4а, пучок перемещается с постоянной скоростью в горизонтальном направлении.

Измеряемый сигнал подается на пластины 4 б и вызывает вертикальное смещение пучка, которое пропорционально мгновенной величине сигнала. Сложение этих перемещений по осям х и у приводит к вычерчиванию осциллограммы физического процесса (рис. 9).

Основными характеристиками осциллографической трубки является полоса регистрируемых частот, чувствительность отклоняющей системы и скорость записи сигнала без его искажения.

Катод осциллографической трубки К представляет собой, как обычно, полый цилиндр, но с одним донышком. Оксидный слой нанесен только на это донышко, которым катод обращен внутри трубки. Далее установлен управляющий электрод или модулятор М, который выполнен в виде цилиндра с донышком, в котором имеется отверстие. На модулятор подается отрицательное напряжение относительно катода, которым отталкиваются к оси трубки электроны, вылетающие из катода под углом. Через отверстие в донышке модулятора походят лишь те электроны, которые находятся на оси. Модулятор также выполняет функции управляющей сетки: с увеличением отрицательного напряжения интенсивность выходящего из отверстия электронного потока уменьшается и при определенном отрицательном напряжении полностью прекращаются. Такое напряжение называется запирающим.

За модулятором установлен первый анод 1а, который подается относительно катода положительное напряжение. Конфигурация электрического поля в пространстве между модулятором и первым анодом имеет форму линзы. Этим полем осуществляется фокусировка электронного пучка, благодаря которой он приобретает форму спицы. Первый анод выполнен в виде полого цилиндра модулятора диаметром больше, чем диаметр цилиндра модулятора. Изменяя напряжение на первом аноде, можно осуществлять фокусировку электронного пучка. Далее следует второй анод 2а, который является ускоряющим электродом. Он также выполнен в виде полого цилиндра.

Основная часть электронов в пучке, разогнавшись до большой скорости, не попадает на стенки второго анода, а пролетает по его оси. На второй анод подается высокое напряжение, необходимое для придания электронам в пучке большой скорости. Комплект перечисленных электродов трубки (катод с подогревателем, модулятор, первый и второй аноды) образует электронный прожектор или электронную пушку и выполняется в виде жесткого единого узла, собранного на слюдяных пластиках, с использованием керамических цилиндрических изоляторов.

Далее на пути электронного пучка установлены две пары отклоняющих пластин ОП. Средний потенциал отклоняющихся пластин равен потенциалу второго анода и не должен воздействовать на электронный пучок. Но если между пластинами пары имеется напряжение, пучок отклоняется от оси трубки в сторону более положительной пластины. Одна пара пластин расположена вертикально, может отклонять электронный пучок в горизонтальном направлении, и называется горизонтально – отклоняющей. Вторая пара пластин расположена горизонтально и называется вертикально – отклоняющей. Пройдя мимо системы отклоняющих пластин, электронный луч попадает на экран Э, покрытый слоем специального вещества, которое называется люминофором. Под воздействием электронной бомбардировки происходит свечение люминофора, наблюдаемое с внешней стороны экрана. В связи с тем, что бомбардировка люминофора, покрытого тонким слоем металла, сопровождается вторичной электронной эмиссией, коническая часть колбы трубки покрыта графитовым слоем (аквадагом) и соединяется со вторым анодом. Вторичные электроны удавливаются аквадагом и образуют ток второго анода.

Очевидно, максимально возмож­ное отклоняющее действие электростатическое поле отклоняющих пластин будет оказывать на электронный луч тогда, когда во всей области отклонения сила, дей­ствующая на электрон, будет перпендикулярна к направлению его оптимальной формы движения. Такая идеальная элект­ростатическая система образуется двумя изогнутыми пластинами, причем на входе луча расстояние между пластинами может быть равным диаметру электронного луча.

При максимальном угле отклонения луч как бы скользит по по­верхности пластины, не задевая ее. Так как проводящая пластина являются эквипотенциальной поверхностью, ортогональные к ней силовые линии поля всюду направлены перпендикулярно к электронному лучу, т. е. обеспечивается указанное выше максимально возможное отклоняющее действие.

Аналитический расчет показывает, что кривая, по которой должны быть изогнуты такие оптимальные отклоняющие пластины, описывается экспоненциальной функцией. Центр отклонения луча в этом случае не совпадает с серединой системы, а несколько сме­щен в сторону входного края пластины. Чувствительность по от­клонению рассматриваемой системы при одинаковых габаритах примерно в два раза выше, чем у системы, образованной плоскопараллельными пластинами.

Несмотря на высокую чувствительность, системы, образованные оптимальными изогнутыми пластинами, не получили распростра­нения главным образом из-за трудности точного изготовления и сборки. Идеальная отклоняющая система нетехнологична особен­но при серийном производстве. Однако, если заменить плавную кривую, описывающую контур оптимальной пластины, ломаной, состоящей из нескольких отрезков прямых, так, чтобы углы излома лежали на оптимальной кривой, можно создать достаточно удобную в изготовлении и сборке отклоняющую систему, почти не усту­пающую по чувствительности идеальной системе. Конечно, чем ближе ломаная к оптимальной, кривой, т. е. чем больше углов из­лома имеют пластины, тем ближе чувствительность к оптимальной. С другой стороны, чем меньше изломов имеют пластины, тем тех­нологичнее система. Расчет и экспериментальная проверка пока­зывают, что уже при одном изломе чувствительность системы до­вольно близка к идеальной. Поэтому широкое распространение получили отклоняющие системы, образованные однократно-изло­манными пластинами.

Б. Приборы типа " свет—сигнал".

Приборы типа " свет—сигнал" в основном служат для преобразования изображения в последовательность электрических импульсов с целью их передачи на расстояние. К таким приборам относится иконоскоп и видикон.

Иконоскоп (от греческих слов eikon — изображение и scopeo — смотрю) — первый из приборов этого типа. Принцип его работы основан на накоплении электрического заряда на мозаичной светочувствительной мишени за счет процессов внешнего фотоэффекта.

Светочувствительная мишень иконоскопа представляет собой диэлектрическую подложку, на которую нанесен фоточувствительный слой. На другой стороне подложки нанесен металлический слой, являющийся сигнальной пластиной (рис. 11).

Вследствие фотоэффекта проецируемое изображение создает на мозаике потенциальный рельеф, соответствующий распределению освещенности объекта. Электронный луч сканирует поверхность и заряжает все элементы мозаичного экрана в соответствии с ранее накопленным зарядом. Ток в цепи сигнальной пластины становится промоделированным накопленными зарядами.

Дальнейшее развитие иконоскоп получил в супериконоскопе. В нем фоточувствительная мозаика заменена сплошным фотокатодом, чувствительность которого на порядок выше, и сплошной мишенью, которые разделены в пространстве.

Накопление заряда и образование потенциального рельефа происходит за счет вторично электронной эмиссии при бомбардировке мишени фотоэлектронами в процессе переноса электронного изображения.

Рис. 11. Схема иконоскопа: 1 — электронный луч; 2 — электронный прожектор; 3 — баллон вакуумный; 4 — отклоняющая система; 5 — мозаичная фотомишень; 6 — объектив; 7 — коллектор фото- и вторичных электронов; 8 — сигнальная пластина; 9 — видеосигнал

Видикон (от латинского video — вижу и греческого eikon — изображение) — это телевизионный передающий электронно-лучевой прибор с накоплением заряда, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте.

Изображение, которое необходимо передать по телевизионному каналу, фокусируется на мишень видикона с помощью объектива Об (рис. 12). Мишень видикона М представляет собой тонкий слой полупроводника, нанесенный на прозрачную проводящую подложку — сигнальную пластину. Каждый перекрываемый пучком элемент можно представить как контур из емкости и светозависимого сопротивления между облучаемой электронным пучком 1 поверхностью и сигнальной пластиной. Перед рабочим циклом поверхность предварительно облучается электронным пучком до потенциала катода.

Процесс формирования изображения происходит в виде зарядовых пакетов. Элементарные емкости элементов мишени разряжаются через локальные сопротивления. Заметим, что чем выше локальная освещенность, тем меньше становится сопротивление локального участка, и соответствующая емкость разряжаются сильней, чем у менее освещенных участков. Создается так называемый зарядовый рельеф.

Рис. 12. Устройство видикона (а), эквивалентная схема мишени (б), общий вид (в) и условное обозначение (г) видикона ЛИ458: 1 — электронный луч; 2 — катод; 3 — устройство управления — фокусирующая катушка (ФК), отклоняющая катушка (ОК); М — мишень, U_c — видеосигнал и схемное изображение (в)

При очередном цикле сканирования электронным пучком происходит подзарядка конденсаторов. Ток подзарядки зависит от степени разрядки конденсатора. Таким образом, на пластине формируется видеосигнал U_с.

Первые видиконы были созданы на мишени, изготовленной на основе трехсернистой сурьмы (SeS₃). Позднее появилась разновидность видиконов, отличительной особенностью которых являлся состав мишени.

2. Фотоэлектронные приборы

Фотоэлектронные приборы — электровакуумные приборы, преобразующие электромагнитные сигналы оптического диапазона в электрические токи, напряжения. К вакуумным фотоэлектронным приборам, прежде всего, относятся фотоэлементы вакуумные и фотоэлектронные умножители, в которых используется внешний фотоэффект.

А. Вакуумные фотоэлементы

Фотоэлемент вакуумный состоит из фотокатода К, анода А и вакуумного баллона (рис. 13).

Фоточувствительный слой наносится либо непосредственно на стеклянный баллон (рис. 13, а, позиции 1, 2, 4), либо на поверхность специальной подложки, смонтированной внутри баллона (рис. 13, а, позиция 3). Световой поток Ф попадает на фотокатод и стимулирует фотоэлектронную эмиссию, в результате чего между фотокатодом и анодом создается поток свободных электронов.

Наибольшее распространение получили вакуумные фотоэлементы с сурьмяно-цезиевым, многощелочным или кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами.

Применение газонаполненных фотоэлементов ограничено их нестабильностью и нелинейностью их световой характеристики.

Рис. 13. Общий вид фотоэлементов различных конструкций (а), схема их включения (б) и образцы промышленных фотоэлементов (е)

Б. Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) предназначен для усиления слабых фототоков.

Его работа основана на эффекте вторичной электронной эмиссии. Фотоэлектронный умножитель состоит из фотокатода, каскада динодов, обеспечивающих умножение электронов за счет вторичной электронной эмиссии, анода и дополнительных электродов, помещенных в вакуумный баллон (рис. 14).

Световой поток Ф стимулирует фотоэлектронную эмиссию с фотокатода К. Электронно-оптическая система входной камеры направляет эмитированные электроны на систему динодов. В динодах благодаря эффекту вторично-электронной эмиссии происходит умножение числа электронов. На анод попадает поток вторичных электронов, умноженных каждым динодом.

Конструкции фотоумножителей весьма разнообразны, однако принцип одинаков: умножение электронов происходит в системе дискретных динодов. Они имеют корытообразную, коробчатую, торроидальную, либо жалюзийную форму с линейным или круговым расположением. Фототок, благодаря эффекту вторичной электронной эмиссии, может бсть увеличен до 108 раз.

По функциональному назначению ФЭУ делятся на две крупные группы:

· измерители предельно малых постоянных или медленно меняющихся световых потоков;

· регистраторы слабых кратковременных световых потоков.

ФЭУ широко используется для регистрации слабых излучений вплоть до одиночных квантов, а также в различной оптической аппаратуре.

Разработаны конструкции ФЭУ для работы в разных областях спектра электромагнитного излучения.

В частности, они используются для регистрации ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. В качестве примера можно привести отечественные установки для рентгеноструктурного анализа ДРОН-1. В таких установках ФЭУ определяет относительные интенсивности рентгеновских лучей, отраженных от различных кристаллографических плоскостей исследуемых кристаллов.

Одноканальный электронный фотоумножитель — это непрерывный динод или канал, к концам которого приложено напряжение порядка 1÷ 3 кВ.

На внутренней стороне поверхности канала создан активный слой, обладающий вторичной электронной эмиссией и распределенным электрическим сопротивлением. Перемещение вторичных электронов происходит под действием аксиального электрического поля. Усиление в таком ФЭУ может достигать значений 10⁹.

Рис. 14. Схема фотоэлектронного умножителя, ФЭУ:

К — фотокатод; Э — диноды; В — входная диафрагма; А — анод; Д — делитель напряжения

Вторично-электронный умножитель (ВЭУ) представляет собой вакуумное электронное устройство, предназначенное для умножения вторичных электронов. ВЭУ без оболочки называют открытыми и используются в условиях естественного вакуумного пространства.

ВЭУ с оболочкой или закрытого типа широко используются в различной научно-исследовательской и промышленной аппаратуре.