16.4.1.1 Монохромные электронно-лучевые трубки

Рассмотрим принцип действия ЭЛТ с электростатическим и магнитным управлением электронного луча с помощью рис.16.8 а и 16.8 б, соответственно.

Электронный поток, эмитируемый катодом К после фокусировки в электронно-оптической системе (А₁) в ЭЛТ с электростатическим управлением или фокусировки с помощью фокусирующей катушки (Ф) в ЭЛТ с электромагнитным управлением, принимает форму электронного луча и под действием отклоняющих сигналов, приложенных к Х и Y пластинам (в ЭЛТ с электростатическим управлением) или к отклоняющим катушкам О(в ЭЛТ с магнитным управлением), последовательно направляется в заданные участки люминесцентного экрана Э для создания изображения по заданному закону, например, по растровому методу формирования изображения.

Конструктивно ЭЛТ представляет собой вакуумированный баллон Б, представляющий из себя узкий стеклянный цилиндр с расширением на конце к прямоугольному или круглому экрану Э, на внутреннюю стенку которого нанесен слой люминофора. В задней части трубки располагается электронный прожектор, в состав которого входят подогревный оксидный катод К, управляющий электрод−модулятор М (модулятор представляет собой цилиндр с торцевым отверстием и с отрицательным потенциалом относительно катода) для формирования электронного луча из потока электронов и управления плотностью луча (яркостью), первый и второй аноды А₁ и А₂. (второй анод выполняют в виде слоя аквадага, покрывающего внутреннюю поверхность ЭЛТ в части, примыкающей к экрану). Аквадаг – это суспензия графита на воде, применяемая для образования электропроводящего слоя.

Кпервому анодуА₁ приложен положительный потенциал в несколько сотен вольт, что ускоряет электронный луч. Ко второму аноду А₂ приложено высокое напряжение в несколько десятков киловольт, поэтому электроны приобретают очень большую скорость, пропорциональную .

Электронный прожектор позволяет получить остросфокусированный пучок электронов большой скорости. После электронного прожектора в ЭЛТ с электростатическим управлением электронный луч попадает в электрическое поле, создаваемое отклоняющей системой электродов из двух пар взаимно перпендикулярных пластин Х и Y. Отклоняющая система управляет положением электронного луча в пространстве. Пара пластин Х и Y образуют плоские конденсаторы. Горизонтальные пластины Y отклоняют луч в вертикальной плоскости, а вертикальные пластины Х – в горизонтальной плоскости. Величина отклонения луча определяется силой Лоренца при воздействии электрического и магнитного поля на движущийся электрон.

Увеличение напряжения U_А повышает яркость пятна на экране ЭЛТ за счет роста энергии электронов пучка, однако чувствительность по отклонению (горизонтальному или вертикальному) при этом уменьшается. Для повышения чувствительности применяют ускорение электронов после отклонения, но это все же не позволяет для ЭЛТ с электростатическим отклонением получить высокую яркость свечения изображения. Чувствительность таких ЭЛТ приблизительно равна 0.2-0.5 мм/В.

Преимуществом ЭЛТ с электростатическим отклонением является высокая скорость работы. Следует заметить, что данное преимущество в больших экранах трудно реализуемо из-за необходимости высоких отклоняющих напряжений (тысячи вольт) при малых выходных сопротивлениях усилителя отклонения.

ЭЛТ с магнитным управлением применяются в телевидении (кинескопы), а также в РЛС и в ЭУОВИ (дисплеях). В состав электронного прожектора входит катод К, модулятор М и анод А₁. На горловину трубки снаружи одевают фокусирующую катушку Ф и отклоняющие катушки О. Последние используются для отклонения луча по горизонтали и вертикали. ЭЛТ с магнитным управлением конструктивно проще и, кроме того, обеспечивает лучшую фокусировку электронного луча. Электроны в поле отклоняющей катушки под действием вектора силы Лоренца движутся по спиральной кривой, радиус кривизны которой в каждой точке обратно пропорционален магнитной индукции. Вне поля отклоняющей катушки электроны движутся по прямой, касательной к траектории в конце действия магнитного поля.

Чувствительность трубок с магнитным управлением обратно пропорциональна величине , что позволяет с помощью большого анодного напряжения (15…25 кВ) получить очень яркое светящееся пятно при высокой чувствительности трубки. Исключение узких отклоняющих пластин дает возможность получать в этих трубках отклонение луча с большим угломдо 110⁰. К недостаткам ЭЛТ с магнитным управлением следует отнести потребление отклоняющими и фокусирующими катушками значительной электрической энергии.

Быстродействие ЭЛТ с магнитным управлением ниже за счет того, что магнитные системы обладает инерционностью, обусловленной трудностью высокой концентрации энергии в отклоняющем поле. Для увеличения быстродействия уменьшают число витков отклоняющих катушек и увеличивают величину отклоняющего тока.

Важной характеристикой экрана ЭЛТ является инерционность свечения люминофора, проявляющаяся в том, что изменение уровней излучаемой энергии после начала и прекращения возбуждения происходят постепенно. Время, в течение которого яркость свечения экрана уменьшается до 1% от своего первоначального значения, называется временем послесвечения. Различают пять типов люминофора: с очень коротким послесвечением (больше 10 мкс), с коротким (10…10³ мкс), средним (0.01...0.1 с), длительным (0.1...16 с)

и очень длительным послесвечением (больше 16 с).

Время послесвечения экрана, т.е. время, необходимое для уменьшения яркости свечения от номинальной до первоначальной после прекращения действия электронного луча, зависит от состава входящих в люминофор компонентов. Выбор типа люминофора по времени послесвечения определяется частотой изменения наблюдаемых изображений. Для каждого из люминофоров может быть определена та минимальная частота регенерации изображения, при которой глаз не воспринимает мелькания. Очевидно, что это частота обратно пропорциональна времени послесвечения. Однако, если частота изменения образцов достаточно велика, то избыточное послесвечение будет вызывать «смазывание» изображения. В обычных телевизионных трубках время послесвечения составляет несколько десятков миллисекунд.

Причиной свечения экрана является передача энергии от ускоренных электронов луча электронам, связанным с кристаллом люминофора, в результате чего последние переходят в возбужденное состояние. При их возвращении в нормальное состояние избыточная энергия выделяется в виде света. Этот физический эффект называется катодной люминесценцией.

Люминофоры обычно состоят из смеси соединений кальция, кадмия, цинка и других элементов. Наиболее широкое применения нашли сульфидные люминофоры (сульфиды цинка и кадмия, активированные серебром или медью). Путем изменения состава компонентов можно получить широкий спектр цветов излучения. Наиболее широкое распространение в монохромных трубках получили белый и зеленый цвета. Выбор цвета люминофора обычно производят из эргономических соображений с учетом условий восприятия операторами.

Так как внутри ЭЛТ невозможно создать идеальный вакуум, внутри остается часть молекул воздуха. При столкновении с электронами из них образуются ионы, которые, имея массу, многократно превышающую массу электронов, практически не отклоняются, постепенно выжигая люминофор в центре экрана и образуя так называемое ионное пятно. Для борьбы с этим до середины 1960-х годов применялся принцип «ионной ловушки»: ось электронной пушки была расположена под некоторым углом к оси кинескопа, а расположенный снаружи регулируемый магнит обеспечивал поле, поворачивающее поток электронов к оси. Массивные же ионы, двигаясь прямолинейно, попадали в собственно ловушку. Однако данное построение вынуждало увеличивать диаметр горловины кинескопа, что приводило к росту необходимой мощности в катушках отклоняющей системы. В начале 1960-х годов был разработан новый способ защиты люминофора: алюминирование экрана, что позволило также вдвое повысить максимальную яркость кинескопа, и необходимость в ионной ловушке отпала.