Zařízení s elektronovým paprskem

Zařízení s elektronovým paprskem ( ELD ), též katodové trubice ( anglicky  cathode ray tubes ) nebo katodové trubice ( zkratka  - CRT ) - třída elektrovakuových elektronických zařízení , která využívají tok elektronů tvořený ve formě jediného paprsku (paprsku) nebo několik paprsků řízených jak intenzitou (proud paprsku), tak polohou paprsku v prostoru a tyto paprsky interagují se stacionárním cílem (obrazovkou) zařízení [1] [2] [3] .

Hlavní náplní ELP je přeměna optické informace na elektrické signály - např. v televizních přenosových trubicích a zpětná přeměna elektrického signálu na optický - např. na viditelný televizní obraz [3] .

Třída katodových zařízení také nezahrnuje rentgenové trubice využívající elektronové paprsky , vakuové fotobuňky , fotonásobiče , plynová výbojová zařízení (například dekatrony ) a přijímací zesilovací elektronické lampy ( paprskové tetrody , elektrické vakuové fluorescenční indikátory, lampy se sekundární emisí elektronů atd.) .

Historie

V roce 1859 J. Plücker , zkoumající elektrický výboj ve zřídcených plynech, objevil katodové paprsky .

V roce 1879 W. Crookes zjistil, že při nepřítomnosti vnějších elektrických a magnetických polí se katodové paprsky šíří přímočaře a zjistil, že mohou být vychylovány magnetickým polem. Při experimentech s plynovou výbojkou, kterou vytvořil, zjistil, že katodové paprsky dopadající na některé krystalické látky, později nazývané katodoluminofory , způsobují jejich viditelnou záři.

V roce 1897 D. Thomson objevil, že katodové paprsky jsou vychylovány elektrickým polem, změřil poměr náboje k hmotnosti částic katodových paprsků. Objev elektronu jako elementární částice patří E. Wiechertovi [4] [5] a J. J. Thomsonovi , kteří v roce 1897 zjistili, že poměr náboje k hmotnosti pro katodové paprsky nezávisí na materiálu katody. Termín „elektron“ jako název základní nedělitelné jednotky náboje v elektrochemii navrhl [6] J. J. Stoney v roce 1894 (samotnou jednotku elementárního náboje zavedl v roce 1874).

V roce 1897 Karl F. Brown , založený na trubici W. Crookese, zkonstruoval první katodu, neboli katodovou trubici, kterou navrhl použít jako indikátorové zařízení při studiu elektromagnetických oscilací . Před rokem 1906 se katodová trubice používala pouze v osciloskopech .

Od roku 1902 pracoval B. L. Rosing s Brownovou trubicí při pokusech o reprodukci snímků. Po zveřejnění jeho patentů v letech 1907-1911 se objevili další autoři o využití elektronového paprsku k vytvoření televize [7] [8] .

ELP klasifikace

Klasifikace podle účelu

Vysílací katodová zařízení převádějí optický obraz na elektrický signál.

Přijímací katodová zařízení převádějí elektrický signál na optický (viditelný) obraz:

Katodová zařízení bez viditelného obrazu

Podle způsobu ostření a vychýlení

Podle způsobu zaostřování a vychylování paprsku se CRT dělí na:

Zařízení

Všechna zařízení s elektronovým paprskem se skládají ze čtyř hlavních částí:

Příjem ELP s optickým obrazem

Jedná se o nejrozsáhlejší a nejrozšířenější třídu ELP - kineskopy , osciloskopové trubice , různé indikátory. Liší se typem obrazovky, způsobem vychýlení a ostření, tvarem, velikostí atd.

Obrazovka příjmu ELP s optickým obrazem

Fluorescenční obrazovky

Pro vizuální pozorování procesů je stínítko zařízení z vnitřku baňky pokryto fosforem - látkou, která může luminiscovat při ostřelování elektrony. Jas záře fosforu závisí na rychlosti elektronů, povrchové hustotě elektronového proudu a vlastnostech fosforu.

Barva září

Existují jednobarevné a vícebarevné obrazovky. Monochromatické obrazovky mají určitou barvu záře – zelenou, modrou, žlutou, červenou nebo bílou. U vícebarevných obrazovek závisí barva záře na směru nebo intenzitě elektronových paprsků a barva je řízena elektronicky. Známým příkladem vícebarevných obrazovek jsou barevné kineskopy.

Chemické složení fosforu určuje barvu a dobu trvání záře obrazovky. Pro vizuální pozorování v monochromatických obrazovkách se používají fosfory se zelenou barvou záře, pro které je citlivost lidského oka maximální. Mezi látky se zelenou luminiscencí patří willemit (křemičitan zinečnatý), sulfid zinečnatý nebo směs sulfidů zinku a kadmia .

Pro fotografické procesy se používají fosfory, které dávají modrofialovou záři, pro kterou je citlivost fotografické emulze fotografického materiálu maximální. Jedná se o wolframany  - baryum a kadmium [14] .

Existují obrazovky s dvouvrstvým fosforem, jejichž vrstvy mají jinou barvu žhavení a dobu dosvitu, to umožňuje zvolit požadovanou barvu pomocí světelných filtrů [14] .

Obrazovky s dvouvrstvým fosforem se používají i v indikátorech s dlouhým dosvitem. Vnitřní vrstva má modrou záři a je excitována elektronovým paprskem, vnější vrstva, nanesená na sklo baňky, má dlouhý (několik sekund) žlutozelený dosvit a fosforeskuje z buzení modrým světlem prvního fosforu vrstva.

U barevných kineskopů je na plátno nanesena mozaika skvrn nebo proužků fosforu s různými barvami záře, elektronové paprsky z několika reflektorů osvětlují fosfor přes masku, která zajišťuje, že dopadá pouze elektronový paprsek z projektoru „jeho vlastní barvy“. fosforové oblasti.

Doba dosvitu

Během ostřelování fosforu elektrony je pozorována jak luminiscence , to znamená záře v okamžiku dopadu, tak fosforescence . Jev fosforescence u CRT se nazývá „dosvit“ – po zastavení buzení luminoforu elektronovým paprskem ještě nějakou dobu svítí s postupným zeslabováním jasu záře. Doba dosvitu luminoforu je doba, po kterou se jas záře sníží o určitou hodnotu, obvykle o 90 %, ve srovnání s maximální hodnotou při prvotním vybuzení elektronovým paprskem.

Podle délky dosvitu se fosfory dělí na:  

  • s velmi krátkým dosvitem, méně než 10 −5 s;
  • s krátkým dosvitem, od 10 −5 do 10 −2 s;
  • s průměrným dosvitem, od 10 −2 do 10 −1 s;
  • s dlouhým dosvitem, od 10 −1 do 15 s;
  • s velmi dlouhým dosvitem - přes 15 s.

Křemičitan zinečnatý má relativně krátký dosvit pro pozorování procesů běžných v radiotechnice, zatímco sulfid zinečnatý nebo sulfid zinku a kademnatého se používají k pozorování pomalejších procesů [14] .

U radarových ukazatelů se obvykle používají obrazovky s dlouhým dosvitem, protože doba změny obrazu u radarových ukazatelů může dosáhnout desítek sekund i více a souvisí s rychlostí otáčení anténního systému.

Charakteristiky některých typů obrazovek jsou uvedeny v tabulce [15] .

Charakteristika některých typů obrazovek
Typ obrazovky Povlak záře dosvit
Barva Maximální spektrální charakteristika, nm Barva Maximální spektrální charakteristika, nm Doba dosvitu
ALE Jednovrstvá, jemná struktura Modrý 450 — — Krátký
B Jednovrstvá, jemná struktura Bílý 460 a 570
420 a 580 		— — Krátké Střední
V Dvouvrstvá, hrubá struktura Bílý 440 a 560 Žlutá 560 dlouho
G Bezstrukturní vakuové odpařování fialový 560 (absorpce) fialový 560 (absorpce) Velmi dlouhá
D Jednovrstvá, jemná struktura Modrý 440 a 520 Zelená 520 dlouho
E Skládá se ze dvou typů střídajících se pásem Oranžová modrá 595

440 a 520

Oranžová Zelená 595
520 		Prodloužený Prodloužený
A Jednovrstvá, jemná struktura Zelená 520 — — Průměrný
Na Dvouvrstvá, hrubá struktura Růžový 440 a 600 oranžový 600 dlouho
L Jednovrstvá, jemná struktura modrofialová 400 — — Velmi krátké
M Jednovrstvá, jemná struktura Modrý 465 — — Krátký
P Jednovrstvá, jemná struktura Červené 630 — _ Průměrný
Z Jednovrstvá, jemnozrnná struktura oranžový 590 oranžový 590 dlouho
T jedna vrstva žlutavě zelená 555,5 — — Velmi krátké
V Jemnozrnná, jemná struktura světle zelená 530 — — Krátký
C Mozaika, tečky tří fosforů Modrá
Zelená
Červená 		450
520
640 		—
—
— 		—
—
— 		Krátké
Střední
Střední
Jiné typy obrazovek

Některé látky, které samy o sobě nejsou luminofory, mají schopnost měnit své optické vlastnosti působením ostřelování elektrony. Speciální CRT ( skiatrony ) používají jako materiál obrazovky skotofor . Jako skotofor v takových CRT se používá jemně krystalická vrstva halogenidu alkalického kovu , například chloridu draselného  - síto typu G. Vrstva chloridu draselného se nanáší na síto rozprašováním ve vakuu. Po nanesení na substrát (stěna CRT válce nebo slídové desky) se vytvoří tenký bezstrukturní bílý film. V místech vystavených elektronovému paprsku získává sůl tmavě fialovou barvu, která vydrží mnoho hodin. Odbarvení lila chloridu draselného se provádí zahřátím substrátu na teplotu 300-350 °C.

U jiného typu obrazovek se využívá vlastnosti tenkého olejového filmu naneseného na substrát k deformaci, když jsou části jeho povrchu lokálně nabíjeny elektronovým paprskem. V tomto případě se paprsky světla z vnějšího zdroje lámou na nerovnostech olejového filmu a odchylují se v různých směrech. Nerovnoměrný náboj povrchu filmu přetrvává po dlouhou dobu. Vyrovnání povrchového náboje a vyrovnání nerovností vlivem sil povrchového napětí se provádí širokým mazacím elektronovým paprskem. Takové obrazovky byly použity v projekčních optických systémech typu eidophor .

Katodové trubice s elektrostatickým vychylováním a zaostřováním

CRT tohoto typu se běžně používají v elektronických osciloskopech a jiných rádiových měřicích přístrojích, jako jsou panoramatické spektrální analyzátory .

Zařízení s elektrostatickou vychylovací katodovou trubicí

CRT se skládá z:

  • elektronický světlomet, který vytváří zaostřený elektronový paprsek nasměrovaný podél osy trubice;
  • vychylovací systém;
  • fluorescenční stínítko pro indikaci polohy elektronového paprsku.
Elektronický reflektor

Skládá se z: katody (4), řídící elektrody (3), první (5) a druhé (6) anody.

  • Katoda je navržena tak, aby vytvořila tok elektronů. V CRT se obvykle používá nepřímo žhavená katoda ve formě skla, uvnitř kterého je nepřímý ohřívač. Aktivní (elektron emitující) vrstva je nanesena pouze na dně skla, katoda má tedy rovnou emitující plochu a elektrony jsou emitovány pouze ve směru stínítka.
  • Řídicí elektroda (modulátor, Wehneltův válec ) je určena k nastavení proudu elektronického hledáčku a podle toho i jasu světelného bodu na obrazovce (10). Elektroda je také vyrobena ve formě kovové misky obklopující katodu. Dno skla má membránu v podobě otvoru o průměru <1 mm, kterým procházejí elektrony emitované katodou. Protože průměr tohoto otvoru je malý, elektrony, jejichž trajektorie se odchylují od normály k rovině dna katody, neprocházejí membránou a nepodílejí se na tvorbě paprsku. Proud paprsku je řízen aplikací malého záporného napětí na řídicí elektrodu vzhledem ke katodě.
  • První anodou je také válec se dvěma (nebo třemi) membránami. Vliv řídící elektrody a první anody na proud elektronového paprsku je podobný vlivu řídící („první“) mřížky a anody na anodový proud v EEW .
  • Druhá anoda je podobná modulátoru a první anodě, ale má větší průměr než první anoda. Vzhledem k tomu, že druhá anoda je urychlovací, je na ni aplikováno vyšší napětí vzhledem k katodě (1–20 kV). Zaostření elektronového paprsku na stínítku je dosaženo změnou napětí na první a druhé anodě.
Systém odmítnutí

Pro pohyb světelného bodu po stínítku je mezi druhou anodou a stínítkem vychylovací systém sestávající ze dvou párů vzájemně kolmých desek. Mezi deskami vodorovného vychýlení (9) vzniká elektrické pole s horizontálně orientovaným vektorem intenzity, při přivedení napětí na ně dochází k vychýlení paprsku v horizontální rovině směrem k desce s vyšším potenciálem. Pokud je na desky aplikováno periodicky se měnící napětí, pak se světelný paprsek bude pohybovat po obrazovce v různých směrech a zanechá na obrazovce stopu ve formě vodorovné čáry. Vertikální vychylovací desky (8) vytvářejí elektrické pole s vertikálně směrovaným vektorem síly a pohybují paprskem nahoru a dolů po stínítku.

Působí-li na oba páry desek současně různá napětí, pak paprsek vykreslí na stínítku čáru, jejíž tvar závisí na změnách napětí na deskách vychylovacího systému [16] .

Kineskopy

Kineskopy jsou určeny pro použití v televizorech a dříve byly nedílnou součástí každého televizoru, nyní jsou v televizorech téměř zcela nahrazeny zobrazovacími zařízeními (obrazovkami) s jinými principy fungování.

Někteří výrobci ELP

Následují největší společnosti vyrábějící ELP (v abecedním pořadí) ke konci 20.[ význam skutečnosti? ] [17] :

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Katsnelson, 1985 , str. 23.
  2. ↑ Doolin, 1978 , str. 38.
  3. ↑ 1 2 3 Kolesnikov, 1991 , s. 637.
  4. ↑ Wiechert E. Über das Wesen der Elektrizität  (německy)  // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg in Preußen. — 7. ledna. 1897. - Bd. 38 , H.1 . - S. 3-12 .
    Wiechert E. Experimentelles über die Kathodenstrahlen  (německy)  // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg in Preußen. — 7. ledna. 1897. - Bd. 38 , H.1 . - S. 12-16 .
  5. ↑ Bykov G.V. K historii objevu elektronu // Otázky historie přírodních věd a techniky. - 1963. - Vydání. 15 . - S. 25-29 .
  6. ↑ Stoney GJ of the 'Elektron,' or Atom of Electricity ] //  Filosofický časopis  . Řada 5. - 1894. - Sv. 38 . - str. 418-420 .
  7. ↑ 90 let elektronické televize
  8. ↑ Dýmka zdokonalená
  9. ↑ Katsnelson, 1985 , s. 293-295.
  10. ↑ Katsnelson, 1985 , s. 290.
  11. ↑ Katsnelson, 1985 , s. 275.
  12. ↑ Katsnelson, 1985 , s. 246.
  13. ↑ GOST 17791-82 Zařízení s elektronovým paprskem. Termíny a definice“ předepisuje použití termínu „elektronický projektor“; použití ekvivalentní „elektronové pistole“ není povoleno.
  14. ↑ 1 2 3 Remez, 1955 , str. patnáct.
  15. ↑ Katsnelson, 1985 , s. 24-25.
  16. ↑ Kalašnikov A. M., Stepuk Ya. V. Elektrovakuová a polovodičová zařízení / ed. Plukovník-inženýr N. P. Shiryaev. - M . : Vojenské nakladatelství, 1973. - S. 119-124. — 292 s.
  17. ↑ Kitzmiller, John W. Television Picture Tubes and Other Cathode-Ray Tubes: Industry and Trade Summary , květen 1995, str. 3-4.

Literatura

  • Referenční kniha o prvcích rádiových elektronických zařízení / ed. V. N. Dulina, M. S. Zhuk. - M .: Energie, 1978.
  • Katsnelson B. V. et al. Elektrovakuová elektronická a plynová výbojová zařízení: příručka / B. V. Katsnelson, A. M. Kalugin, A. S. Larionov; Pod součtem vyd. A. S. Larionová. - 2. vyd., přepracováno. a další .. - M . : Rozhlas a komunikace, 1985. - 864 s.
  • Elektronika: Encyklopedický slovník / V. G. Kolesnikov (šéfredaktor). - 1. vyd. - M .: Sov. Encyklopedie, 1991. - S.  54 . - ISBN 5-85270-062-2 .
  • Sherstnev LG Elektronická optika a zařízení s elektronovým paprskem. - M .: Energie, 1971. - 368 s.
  • Zhigarev AA Elektronická optika a zařízení s elektronovým paprskem. - M . : Vyšší škola, 1972. - 540 s.
  • Lachashvili R. A., Traube L. V. Design zařízení s elektronovým paprskem. - M . : Rozhlas a komunikace, 1988. - 217 s. — ISBN 5-256-00039-X .
  • Kurz základních radiotechnických měření / G. A. Remez. - M . : Státní nakladatelství literatury o spojích a rozhlase, 1955. - 448 s.
  • Kalašnikov A. M. Stepuk Ya. V. Elektrovakuová  a polovodičová zařízení. - M .: Vojenské nakladatelství, 1973. - 292 s.

Odkazy

 zařízení s elektronovým paprskem
Vysílače Crookesova trubice
Podporovat
vzpomínání
Elektronový mikroskop
jiný
Hlavní části
Koncepty