Реферат: Формирование электронных пучков. Магнитные фокусирующие линзы

Кабардино-БалкарскийГосударственный университет им. Б.М Бербекова

Курсовая работа

по курсу вакуумной и плазменной физики

На тему:

Формирование электронных пучков.

Магнитные фокусирующие линзы.

Выполнил: Мостный А.С.

Студент 3 курса ФМиКТ

ТТЭ 2 группа

Проверил: Аккизов Ю.А.

Нальчик

1.1

Классификация электроннолучевых приборов

Электроннолучевымиприборами называются электровакуумные приборы, действие которых основано наформировании и управлении по интенсивности и положению одним более электроннымипучками. Несмотря на большое разнообразие электронно-лучевых приборов, как поустройству, так и по назначению, между ними есть много общего. Так,электронно-лучевой прибор всегда содержит в баллоне три основных элемента: электронныйпрожектор, формирующий электронный пучок, или луч, отклоняющую приёмникэлектронов – экран или систему электродов электронного коммутатора.

Еслив основу классификации электронно-лучевых приборов положить наиболеесущественный преобразовательный признак, то все эти приборы можно разделить начетыре группы:

1. Приборы, преобразующиеэлектрический сигнал в изображение – приёмные электронно-лучевые трубки:индикаторные и осциллографические трубки, кинескопы и другие.

2. Приборы, преобразующие изображениев электрический сигнал – передающие электронно-лучевые трубки

3. Приборы, преобразующиеэлектрический сигнал в электрический сигнал – потенциалоскопы,электронно-лучевые коммутаторы.

4. Приборы, преобразующие невидимоеизображение в изображение видимое – электроннооптический преобразователь,электронный микроскоп.

1.2

Устройство и принцип действия трубки сэлектростатическим управлением

/>Осциллографическая электронно-лучевая трубкапредставляет собой стеклянный баллон специальной формы, в котором созданвысокий вакуум. В ней расположены электроды, осуществляющие формированиеэлектронного потока в виде тонкого электронного луча. И электроды, управляющиеэтим лучом. Совокупность электродов, формирующих электронный луч, называется электроннымпрожектором. Он обычно состоит из катода К, модулятора М, первого А1и второго А2 анодов. Наиболее часто применяют оксидные или камерные подогревныекатоды, выполненные в виде стаканчика, у которого активная областьрасполагается на наружной поверхности дна (Рис1.).

Модулятор главным образом служит для измененияплотности тока электронного луча. К модулятору подводится небольшой отриц-льныйпотенциал, регулируемый в пределах от нуля до -30 вольт.

Электронный поток формируется только за счётэлектронов, прошедших через диафрагму диаметром около 1 мм. Таким образом,электроны, вектор начальной скорости которых значительно отклоняется от нормалик поверхности катода, не проходят через диафрагму и в формировании электронноголуча не участвуют. Предварительной фокусировке электронного потока способствуетнебольшой отрицательный потенциал, проводимый к управляющему электроду.Изменение этого потенциала приводит к изменению траектории электронов, и приболее отрицательном потенциале электроны, ранее проходившие по периферии диафрагмы,отражаются, а плотность электронного потока уменьшается. Далее по оси трубки располагаютсяещё два цилиндра – первый и второй аноды. Первый анод А1,находясь под положительным потенциалом в несколько сотен вольт, ускоряетдвижущийся от катода поток электронов. Ко второму аноду А2 подводитсянапряжение, достигающее в некоторых электроннолучевых приборах десятковкиловольт, и поток электронов покидает второй анод с достаточно высокойскоростью. Кроме ускорения электронов, назначение анодов заключается вформировании узкого электронного пучка – фокусировании электронногопотока. Вследствие различия потенциалов катода, модулятора, первого и второгоанодов в пространстве между ними создаются неоднородные электрические поля — электронныелинзы. Конфигурация электродов и их потенциалы подбираются таким образом,что вся система образует две электростатические линзы: первую – междумодулятором и ускоряющим электродом и вторую – между ускоряющим электром ивторым анодом. Проходя через эти линзы, электроны образуют узкий сходящийся у экранапучок – электронный луч. Вся система электродов крепится на траверсах иобразует единое устройство, называемое электронной пушкой. Выйдя изэлектронной пушки, электронный луч попадает в систему отклоняющихпластин, служащую для управления положением луча в пространстве: Х — пластины искривляют электронный луч в горизонтальной плоскости, У — пластины — в вертикальной. На внутреннюю стенку выпуклого торца трубки наносятлюминофор- вещество, светящееся при бомбардировке электронами, котороесовместно со стеклом купола образуют экран Э. С помощью отклоняющихпластин электронный луч может быть направлен в любую точку экрана. При этом,если положение луча зафисиксировано, с внешней стороны экрана через стеклопросматривается светящееся пятно, которое имеет малые размеры и условно можетсчитаться светящейся точкой. Чтобы под действием электронного луча экран ненакапливал электростатических зарядов, коэффициент вторичной электроннойэмиссии люминофора делают близким к единице σ =1. Для удаления вторичныхэлектронов на внутреннюю боковую поверхность баллона наносят токопроводящее графитовоепокрытие, которое внутри баллона соединяют со вторым анодом.

Все электроды электронного прожектораобычно питаются от одного источника с помощью делителя напряжения. На второйанод, соединённый с внутренним графитовым покрытием, подают напряжениенесколько киловольт, на первый анод – несколько сотен, на модулятор – минуснесколько десятков вольт (все относительно катода). Так как второй анодсоединяется с внутренним графитовым покрытием, геометрические размеры котороговелики, то для того чтобы между графическим покрытием и оператором не возниклопаразитных электрических полей, влияющих на электронный луч, восциллографических трубках оказывается целесообразным заземлении не минуса, аплюса источника питания.

Если напряжение на отклоняющих пластинахизменяются, то электронный луч, а, следовательно, и светящееся пятно на экранеперемещаются, описывая траекторию в соответствии с изменением напряжения на отклоняющихпластинах может визуально наблюдаться на экране электроннолучевой трубки.Диаметр светящегося пятна и толщина линии движения луча тем меньше, чем лучшесфокусирован электронный луч. Яркость свечения экрана зависит от числабомбардирующих его в единицу времени электронов и от скорости их движения.Яркость свечения можно изменять, регулируя напряжение на модуляторе и,следовательно, изменяя плотность тока электронного луча, а также за счётскорость движения электронов, которая определяется напряжением на втором аноде.

1.3

Электростатическаяфокусировка электронного луча

При соответствующей форме электродов прожектора иразности потенциалов между ними создаётся такое неоднородное электрическоеполе, которое ускоряет электроны луча в сторону экрана и одновременнопроизводит его фокусировку. Фокусировка электронного луча производится дважды:в точках F1 и F2. Это свидетельствует о наличии в электронномпрожекторе двух электроннооптических систем: короткофокусной с фокусом вточке F1 (образуется катодом, модулятором и первым анодом) идлиннофокусной с фокусом в точке F2, расположенной в плоскостиэкрана (образуется первым и вторым анодами). Принцип действия обеих системсовершенно одинаков, поэтому достаточно рассмотреть действие только одной,например длиннофокусной системы.

На рисунке 2а) показано неоднородное электрическоеполе, возникающее внутри прожектора между первым и вторым анодами при условии Ua>Ua1.

На рисунке 2б), выделена лишь одна электрическаясиловая линия и показана траектория электрона, отклоняющегося от оси поднебольшим углом и встречающегося с силовой линией в точке А. В этой точкевектор напряженности электрического поля Е можно разложить на горизонтальную Еги вертикальную Ев составляющие. Согласно соотношению Ег будет ускорять электронв сторону экрана, а Ев будет прижимать его к оси, то есть осуществлятьфокусировку.

При повторной встрече электрона с этой силовой линиейв точке В Ег по-прежнему будет оказывать на него ускоряющее действие, а Ев будетспособствовать расфокусировке. Но вертикальная составляющая в точке В меньше,чем в точке А, так как электрон вылетает из неоднородного электронногоэлектрического поля, прижатым к оси. Кроме того, в районе точки В он имеетбольшую скорость, чем в районе точки А, поэтому отклоняющая сила воздействуетна электрон меньший промежуток времени.

Следовательно, фокусирующее действие неоднородногоэлектрического поля оказывается преобладающим. Аналогично действует на световойлуч оптическая система, состоящая из собирательной и рассеивающей линз приусловии, что оптическая сила собирающей линзы больше рассеивающей (рис.2в) ).

2.1

Магнитные фокусирующие линзы

Задача превращения потока электронов в тонкийэлектронный луч, обладающий в плоскости экрана минимальным поперечным сечениеми большой плотностью тока, решается с помощью электростатических и магнитныхлинз, образуемых специальными электродами, составляющими фокусирующую системуэлектроннолучевой трубки.

Далее будет рассматриваться магнитные линзы.

2.2

Типы магнитных линз.Форма поля в магнитных линзах

Длинная магнитная линза представляет собой простооднородное магнитное поле, параллельно которому направлена ось фокусируемогорасходящегося пучка электронов. Длинная линза даёт прямое изображение объекта,многократно повторяющееся на равных расстояниях, причём как объект, так и егоизображение лежат внутри поля. Длинная магнитная линза мало похожа наоптические и электростатические электронные линзы: она не преломляет лучей,параллельных полю, и, значит, не имеет ни фокусов, ни главных точек и не можетдавать ни увеличенного, ни уменьшенного изображения.

Обширное применение имеют магнитные линзы,образованные неоднородным аксиальносимметричным полем. На рис. 3 даны меридианныесечения некоторых магнитных линз этого класса и форма силовых линий вмеридианной плоскости.

простейшая, но очень слабая магнитная линза – этокольцевой ток. Напряжённость поля на оси кольцевого тока радиуса R,как можно очень показать, исходя из закона Био-Савара, выражается формулой

где /> -напряженность поля в центре кольцевого тока, то есть там, где она имеетмаксимальное значение, и Z – расстояние от плоскости тока. Поле на оси короткойкатушки без железа, если её внутренний радиус много больше толщины оболочки,приближенно можно вычислить по той же формуле, полагая в ней />, где /> — число витков катушки, а Rсредний её радиус. Для увеличения оптической силы линзы нужно увеличить /> и сжимать поле в осевомнаправлении. Это достигается с помощью оболочки из ферромагнетика – магнитногоэкрана (рис.3, б и в) часто снабженного кольцевыми полюсными наконечниками(рис.3, г).

2.3

Механизм фокусировки вмагнитной линзе

Из картины силовых линий видно, что на значительнойчасти поля линзы радиальная составляющая поля /> ипродольная /> — величины одного порядка.Пусть электрон, вышедший из точки О на ось z в точку А, имеет скорость /> (рис.4).

Силу, действующую на электрон, можно представить каксумму двух сил: Frz – силы, действующей со стороны радиальной слагающейполя Hr наэлектрон, имеющий скорость Vr. Направление обеих сил одинаково, но вследствиепараксиальности электронных лучей Vz>>Vr и

Под действием силы /> электронполучает скорость, перпендикулярную к меридианной плоскости. Действиепродольной составляющей поля />на электрон, имеющий скорость />, даёт «фокусирующую» силу />, направленную в сторонуоси. Вплоть до середины линзы направление силы /> неменяется и скорость /> растёт. Во второйполовине линзы /> и вместе с ней /> меняют направление.Скорость /> начинает убывать и кмоменту выхода из линзы обращается в нуль, нигде не меняя своего знака. Электронвыходит из линзы в другой меридиальной плоскости по измененному направлению идальше, двигаясь прямолинейно, пересекает ось в точке О.

Если поле линзы слабо, то, конечно, может оказаться,что лучи и после выхода из линзы останутся расходящимися – в этом случае осьпересекут продолжения лучей. С другой стороны, при сильном поле электрон внутрилинзы успеет несколько раз пересечь ось.

2.4

Магнитная отклоняющаясистема

Управление пространственным положением луча осуществляется спомощью электрических (электростатическая отклоняющая система) имагнитных (магнитная отклоняющая система) полей, а управление плотностьютока – с помощью электрических полей. Электронно-лучевые приборы используютсядля получения видимого изображения электрических сигналов, а также для

запоминания (хранения) сигналов.

Отклоняющая система служит дляуправления положением луча в пространстве. В трубках с магнитным управлениемотклоняющая система состоит из двух пар отклоняющих катушек.

Магнитная отклоняющая система обычносодержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки и образующихмагнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим отклонениеэлектрона магнитным полем одной пары катушек, считая, что поле ограничено диаметромкатушки и в этом пространстве однородно. На рис.1 силовые линии магнитного поляизображены уходящими от зрителя перпендикулярно плоскости чертежа. Электрон сначальной скоростью V0 движется в магнитном поле, векториндукции B которого нормален к вектору скорости V0, поокружности с радиусом

/> <td/> />
/>

По выходе из магнитного поля электронпродолжает движение по касательной к его криволинейной траектории в точкевыхода из поля. Он отклонится от оси трубки на некоторую величину z = L tga. При малых углах a»tg a; z »La.

/> <td/> />
Величина центрального угла a= s/r »l1/r, где s – кривая, по которой движется электрон вполе В. Подставляя сюда значение r, получаем:/> <td/> />
Таким образом, отклонение электрона равно:

Выражая скорость V0электрона через напряжение на аноде, получаем:

/> <td/> />
Учитывая, что индукция магнитного поляпропорциональна числу ампер-витков wI, можно записать:

2.5

Конструкцияотклоняющих катушек.

Отклоняющие катушки с ферромагнитнымисердечниками позволяют увеличить плотность потока магнитных силовых линий внеобходимом пространстве. Катушки с ферромагнитными сердечниками применяютсятолько при низкочастотных отклоняющих сигналах, так как с увеличением частотыотклоняющего напряжения возрастают потери в сердечнике. В телевизионных ирадиолокационных электронно-лучевых трубках обычно применяются отклоняющиекатушки без сердечника. Стремясь получить более однородное магнитное поле, краякатушки отгибают, а саму катушку изгибают по форме горловины трубки. Витки вкатушке распределяют неравномерно: Число витков на краях обычно в 2 – 3 раза больше,чем в середине. Для уменьшения поля рассеяния катушки без сердечника обычнозаключаются в стальной экран.

2.6

Достоинства и недостаткиэлектростатической и магнитной систем отклонения.

Отклонение луча магнитным полем в меньшей степени зависит от скоростиэлектрона, чем для электростатической системы отклонения. Поэтому магнитнаяотклоняющая система находит применение в трубках с высоким анодным потенциалом,необходимым для получения большой яркости свечения экрана.

К недостаткам магнитных отклоняющих систем следует отнести невозможностьих использования при отклоняющих напряжениях с частотой более 10 – 20 кГц, в товремя как обычные трубки с электростатическим отклонением имеют верхнийчастотный предел порядка десятков мегагерц и больше. Кроме того, потреблениемагнитными отклоняющими катушками значительного тока требует применения мощныхисточников питания.

Достоинством магнитной отклоняющей системы является ее внешнееотносительно электроннолучевой трубки расположение, что позволяет применятьвращающиеся вокруг оси трубки, отклоняющие системы.

3.1

Использованная литература:

1. В.И.Гапонов “Электроника”.«Физматгиз» 1960г.

2. В.Н.Дулин “Электронные приборы”.«Энергия» 1969г.

3. Л.Н.Бочаров “Электронные приборы”.«Энергия» 1979г.

Содержание:

1.1Классификация электронно-лучевыхприборов.

1.2Устройство и принцип действия трубки сэлектростатическим управлением.

1.3Электростатическая фокусировкаэлектронного луча.

2.1Магнитные фокусирующие линзы.

2.2Типы магнитных линз. Форма поля вмагнитных линзах.

2.3 Механизмфокусировки в магнитной линзе.