1.1. Сведения из теории

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой электронный вакуумный прибор, в котором используется управляемый поток электронов, сконцентрированный в узкий пучок − электронный луч.

Рис. 1.1. Схема осциллографической электронно-лучевой трубки

для визуального воспроизведения электрического сигнала

Устройство ЭЛТ показано на принципиальной схеме, приведенной на рис. 1.1. Источником электронов служит электронная пушка, она состоит из катода 6, имеющего форму цилиндра. Внутри катода находится нить накала 7. Термоэмиссия электронов происходит с покрытого оксидным слоем донышка катода. Около катода располагается управляющий электрод (УЭ) 5 цилиндрической формы с отверстием в центре. На УЭ подается отрицательное напряжение относительно катода. Электрическое поле УЭ сжимает поток электронов к

оси трубки, направляя его в отверстие УЭ. Два следующих электрода (4 и 3) называют первым и вторым анодами (А₁ и А₂). Напряжение на втором аноде в несколько раз больше, чем на первом. Каждый анод имеет круглые отверстия, через которые могут пролетать электроны. Вылетев из электронной пушки, электроны последовательно пролетают между двумя парами параллельных отклоняющих пластин 2 и 1, расположенными под прямым углом друг к другу. Каждая пара пластин (см. рис. 1.1) представляет собой плоский конденсатор, создающий на пути электронов однородное электрическое поле, которое нап-равлено перпендикулярно плоскости пластин. На пластины может подаваться постоянное и переменное напряжение. Электрическое поле отклоняет электроны в сторону пластины, имеющей больший потенциал.

Пластины 1 называют вертикально отклоняющими (П_у), так как поперечное электрическое поле этих пластин отклоняет электронный луч в вертикальной плоскости (вдоль оси OY). Пластины 2 называют горизонтально отклоняющими (П_х), так как поперечное электрическое поле этих пластин отклоняет электронный луч в горизонтальной плоскости (вдоль оси ОХ).

За счет действия электрических полей отклоняющих пластин П_у и П_х можно отклонить электронный луч в любом направлении, перпендикулярном оси ЭЛТ. Масса электрона очень мала, а скорость значительна, поэтому электрон мгновенно реагирует на изменение напряжения на отклоняющих пластинах, т. е. электронный луч оказывается практически безынерционным. Это позволяет использовать ЭЛТ для визуального наблюдения быстропротекающих электрических процессов.

После прохождения отклоняющих пластин 2 и 1 электроны с большой скоростью достигают люминесцентного экрана 8. В месте, где электронный луч попадает на экран, получается светящееся пятно. В зависимости от состава вещества люминофора (окиси цинка, кремнекислого цинка и др.) возникает свечение того или иного цвета.

1.2. Описание лабораторной установки

В лабораторной работе используется осциллографическая трубка с электростатическим отклонением электронного луча.

Рассмотрим случай, когда постоянное ускоряющее напряжение порядка 1000 − 4000 В подается только на первый ускоряющий анод А₁, а отклонение электронного луча от центра трубки находится в пределах экрана и составляет

1 − 6 см. На вертикально отклоняющие пластины П_у подается небольшое посто-

янное напряжение, а напряжение на горизонтально отклоняющих пластинах П_х отсутствует.

С помощью рис. 1.2 можно наглядно представить физические процессы, происходящие при движении электронов в ЭЛТ.

Рис. 1.2. Схема движения электронов в осциллографической трубке

На участке между анодом А₁ и катодом К создается продольное электрическое поле, которое ускоряет электроны, вылетающие из катода. Работа ускоряющего электрического поля идет на увеличение кинетической энергии элект-ронов, которые движутся вдоль оси трубки к экрану, при этом согласно теореме о кинетической энергии справедливо уравнение:

, (1.1)

где m_e и q_e − масса и заряд электрона, m_e = 9,1∙10^-31 кг; q_e= –1,6∙10^-19 Кл; U_уск − ускоряющее постоянное напряжение между катодом К и анодом А₁; v₀ − модуль скорости электрона непосредственно за анодом А₁.

Между вертикально отклоняющими пластинами П_у создается однородное электрическое поле. Это поле отклоняет электроны к положительно заряженной пластине, и они начинают двигаться по параболе (см. рис. 1.2).

Так как сила , с которой электрическое поле отклоняющих пластин действует на электрон, значительно больше силы тяжести, уравнение движения электрона

(1.2)

сводится к уравнению

, (1.3)

где – ускорение электрона.

Радиус-вектор и скорость электроновопределяются по формулам:

(1.4)

, (1.5)

где t – время движения электронов между пластинами П_y; .

Записав уравнение (1.3) в проекции на ось OY, легко найти ускорение электронов в направлении, перпендикулярном оси трубки:

, (1.6)

где Е и U – напряженность электрического поля и напряжение на отклоняющих пластинах соответственно; d – расстояние между пластинами П_y.

Смещение и скорость электронов вдоль оси ОY после прохождения пластин (см. рис. 1.2) определяются из уравнений (1.4) и (1.5) в проекции на ось OY ():

; (1.7)

. (1.8)

Время движения электронов вдоль оси трубки определяется из уравне-ния (1.4) в проекции на ось OX ():

. (1.9)

Решая совместно уравнения (1.1), (1.6), (1.7) и (1.9), получим формулу смещения электронов от оси трубки после прохождения пластин П_y:

(1.10)

где l₁ – длина отклоняющих пластин.

Дальнейшее смещение электронов от оси трубки на участке от пластин П_у до экрана вычисляется по уравнению:

, (1.11)

где l₂ – расстояние от пластин П_у до экрана.

Тангенс угла , который составляет скорость электрона при вылете из пространства между пластинами П_y с направлением оси OX, определим по формуле:

. (1.12)

Из формул (1.10) и (1.11) с учетом уравнений (1.1), (1.6), (1.8) и (1.9) получим уравнение полного смещения электронов от оси трубки:

. (1.13)