Электронный осциллограф

Если какая-нибудь физическая величина - температура, дав­ление, световой поток - быстро меняется со временем и с по­мощью подходящего датчика допускает преобразование в соответствующие электрические импульсы, то эти импульсы, в свою очередь, могут быть зарегистрированы на экране осциллографа практически без искажения.

Электронный осциллограф состоит из следующих трех основных элементов: 1) электронного прожектора, или электронной «пушки», которая формирует тонкий и интенсивный электронный пучок, 2) отклоняющей системы, которая управ­ляет горизонтальным и вертикальным смещением электронного луча, и 3) флюоресцирующего экрана, который бомбардируется электронным пучком и на котором визуально или фотогра­фически наблюдаются пространственные перемещения элект­ронного луча и колебания его интенсивности.

Разъясним сначала в общих чертах, как с помощью осцил­лографа производится регистрация величин, быстро изменяю­щихся со временем, а затем остановимся на электронно-оптических свойствах электронного прожектора - наиболее ин­тересной части прибора.

Электрические импульсы, описывающие временной ход изу­чаемой величины, подаются на отклоняющую систему, которая состоит из двух пар конденсаторных пластин, ориентированных под прямым углом друг к другу (рис. 6.16). Электронный луч, проходя между пластинами, испытывает под действием электрических полей смещения в двух взаимно перпендикуляр­ных плоскостях. Допустим, для определенности, что изучаемые импульсы подаются на пластины, отвечающие вертикальному смещению луча на экране. Если датчик, трансформирующий колебания исследуемой величины в колебания напряжения (электронный умножитель, термоэлемент, болометр, пьезо­электрический или емкостный датчик и т. д.), является линейным элементом электрического контура, то вертикальные смещения электронного луча на экране осциллографа в каждый данный момент времени будут пропорциональны измеряемой величи­не. Разность потенциалов на второй паре пластин опре­деляет горизонтальное смещение луча. Предположим, что с помощью соответствующей схемы эта величина изменяется пропорционально времени синхронно с изучаемым процессом. Тогда электронный луч опишет кривую, изображающую времен­ной ход процесса. Иными словами, произойдет временная развертка изучаемого явления. Для наглядности в приведенном описании предполагалось, что отклоне­ние пучка по горизонтали и вертикали происходит под действием электри­ческих полей. Фактически в современных осциллографах отклонение пучка вызывается обычно действием магнитного поля, т. е. каждая пара пластин заменяется парой катушек. Суть дела от этого не меняется.

Рис. 6.16. Отклоняющая система электронного осциллографа.

При исследовании однократно протекающего явления им­пульс горизонтальной развертки также должен быть одно­кратным. Как правило, в этом случае синхронно с началом процесса увеличивается сила тока в луче осциллографа, т. е. яркость пятна на экране; без подачи сигнала яркость пятна устанавливается на уровне, лежащем ниже порога наблюдения.

Если исследуемое явление носит периодический характер, то напряжение развертки (горизонтальное смещение луча) также изменяется периодически с частотой основного процесса. В результате можно добиться того, что кривые, получающиеся на экране в течение каждого периода, належатся одна на другую, и наблюдаемая картина будет казаться неподвижной.

Рис. 6.17. Электронный прожектор. К - оксидный подогревный катод, В - управляющий электрод, А₁ - первый анод, А₂ - второй анод.

Электронный прожектор (рис. 6.17) состоит из следующих основных элементов: оксидного катода К, являющегося источ­ником электронов, управляющего или фокусирующего элект­рода В и главной проекционной линзы, образованной двумя цилиндрическими электродами А₁ и А₂. Картина эквипотен­циальных поверхностей, отвечающая типичному распределению потенциалов на электродах, приведена на рис. 6.18. В простран­стве между поверхностью катода и отверстием первого ци­линдра возникает система изогнутых эквипотенциальных поверхностей, оказывающих сильное фокусирующее действие на электронный пучок. Эта катодная линза на языке оптических аналогий образует короткофокусный иммерсионный объектив, который дает действительное изображение участка катода в плоскости аb. Для формирования узкого концентрирован­ного электронного пучка и получения на удаленном экране яркого пятнышка на первый взгляд кажется целесообразным отобразить на экран промежуточное изображение аb с помощью второй, длиннофокусной линзы. Но изображение на экране получится увеличенным, пятно будет обладать сравнительно большими размерами и четкость окажется неудовлетворитель­ной. Фактически вторая линза прожектора настраивается таким образом, что на экране формируется не изображение катода электронной пушки, а изображение места перекреста лучей в пучке, т. е. места его максимального сжатия (плоскость а'b').

Рис. 6.18. Электронные траектории вблизи катода электронной пушки. Фор­мирование кроссовера в электронном прожекторе.

Поясним сказанное. В оптике, как правило, каждая точка светящегося объекта может рассматриваться как источник лучей, расходящихся во всевозможных пространственных направлениях. Поэтому сечение пучка в пространстве изображе­ний определяется лучами, соединяющими края линзы с краем изображения. Если, однако, точки предмета испускают узкие пучки лучей (пример: просвечивание диапозитива), так что на линзу падает приблизительно параллельный пучок лучей, то между линзой и изображением, вблизи фокальной плоскости, возникнет сужение пучка (см. рис. 6.18). Разумеется, в этом месте максимального сжатия нет никакого изображения - это место скрещения лучей. Вернемся к электронной оптике про­жектора.

Электроны, покидающие катод, попадают в сильное уско­ряющее поле; поэтому хотя начальные тепловые скорости электронов направлены под любыми углами к плоскости катода, но уже на очень близком расстоянии от катода фор­мируются конические пучки с малой расходимостью. Апертура пучка (угол половинной расходимости) составляет примерно , где тепловая энергия электронов, U_c - потенциал в плоскости перекреста (кроссовера), а U₀ отвечает средней тепловой энергии вылетающих электронов. Диаметр кроссовера, очевидно, равен

(6.11)

где f - расстояние от катода до кроссовера. Следует подчерк­нуть, что поперечник кроссовера не зависит от размеров катода. Оценка величины по написанной формуле при типичных значениях f,U₀ и U_c приводит к значениям порядка несколь­ких сотых долей миллиметра. После увеличения, создаваемого проекционной линзой, диаметр пятна на экране оказывается равным нескольким десятым долям миллиметра, что вполне пригодно для практических применений. Сила тока в пучке предполагается достаточно малой (десятки микроампер), так что можно не считаться с расталкивающим действием объем­ного заряда.

Рис. 6.19. Модуляция электронного пучка по интенсивности изменением по­тенциала на управляющем электроде.

Остановимся вкратце на последнем вопросе. Для модуля­ции пучка по интенсивности меняется напряжение U_m на управ­ляющем электроде (рис. 6.19). Если на электрод подано значительное отрицательное напряжение относительно катода, то электрическое поле вдоль всей поверхности катода является тормозящим и ток в пучке равен нулю. По мере постепенного повышения потенциала «седловина» на потенциальном рельефе (см. рис. 6.19) приближается к катоду и при некотором значе­нии U_m коснется катода. Немного спустя на поверхности катода возникнет небольшая область с ускоряющим полем перед ней; в этот момент появляется ток в пучке. При даль­нейшем возрастании потенциала все больший участок катода начинает принимать участие в эмиссии электронов, все больших значений достигает ускоряющее поле у поверхности катода и ток пучка увеличивается. Из сказанного ясно, каким путем за счет вариации потенциала на управляющем электроде осуществляется модуляция пучка по интенсивности в широких пределах.