ivanstudent

Путь к Файлу: /Вакуумные и плазменные приборы и устройства / 489 / vak_Pr3.doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   0
Пользователь:   ivanstudent
Добавлен:   24.12.2014
Размер:   716.0 КБ
СКАЧАТЬ

11.6. Люминесцирующие экраны

 

Одним из основных элементов  многих электронно-лучевых приборов является приемник электронного пучка, и наиболее распространенным видом приемника является люминесцирующий экран. Основу люминесцирующего экрана составляет катодолюминофор – вещество, способное светиться под действием бомбардировки электронами. Взаимодействие электронов с кристаллической решеткой люминофора сопровождается  передачей энергии электронам решетки, которые возбуждаются в состояния с более высокой энергией. Возврат этих электронов в нормальное состояние сопровождается выделением энергии, возникает катодолюминесценция. Она связана с наличием в кристалле неоднородностей – центров свечения. Поэтому в процессе изготовления люминофоров в их решетке создаются примеси (активаторы), которые влияют на свойства люминофора.

Цвет свечения люминофора зависит от его природы, а также от наличия в нем активаторов. В качестве активаторов широко применяются серебро, медь, марганец.

Кроме этого, спад свечения характеризуется временем послесвечения – время, в течение которого свечение уменьшается до 1% от начального возбуждения.

Время послесвечения является одним из важнейших параметров экрана.

По длительности послесвечения люминофоры разбиты на следующие группы:

а) очень короткое  tП £ 10-5 сек.;

б) короткое  10-5 < tП < 10-2 сек.;

в) среднее 10-2 < tП < 10-1 сек.;

г) длительное 10-1 < tП < 16 сек.;

д) весьма длительное tП > 16 сек.

 

К основным группам люминофоров относятся следующие люминофоры:

1) сульфидные люминофоры (ZnS, CdS);

2) силикатные люминофоры (Zn2SiO4);

3) вольфраматы (CaWO4, CdWO4);

4) фторидные люминофоры (ZnF2, MgF2);

5) оксидные люминофоры (ZnO, CdO).

 

Существует несколько способов нанесения люминофора при изготовлении экрана.

Метод распыления состоит в том, что суспензия, содержащая люминофор, наносится с помощью пульверизатора на внутреннюю поверхность баллона трубки.

Метод осаждения состоит в том, что в колбу прибора заливается определенное количество воды со взвешенными в ней частицами люминофора, которые, оседая, покрывают ее дно ровным слоем и после слива суспензии и сушки образуют экран.

В последние годы все больший интерес вызывает получение экранов путем напыления пленок люминофора в вакууме. Это так называемые сублимат-экраны, которые обладают рядом существенных преимуществ.

Все люминофоры являются диэлектриками. Электроны, попадая на экран, приносят отрицательный заряд. Отвод заряда с экрана происходит в основном за счет вторичной электронной эмиссии, возникающей при бомбардировке экрана пучком электронов.

Во многих электронно-лучевых приборах люминофор покрывается тонкой пленкой алюминия. На рисунке 11.15  показано устройство алюминированного экрана.

 

vak_Pr3 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 11.15.

 

Алюминированные экраны имеют преимущества. Первичный электронный пучок, имеющий большую энергию, будет проходить через тонкую пленку алюминия и возбуждать свечение люминофора. Часть светового потока будет отражаться зеркальной пленкой алюминия в сторону наблюдателя, повышая яркость свечения экрана. Кроме этого, будет повышаться и контрастность экрана. Важным преимуществом является также и то, что в случае наличия алюминиевой пленки на экране отрицательные ионы будут задерживаться пленкой и не будут разрушать люминофор.

Алюминированные экраны применяются в электронно-лучевых приборах с ускоряющим напряжением более 10 кВ.

Для осциллографических трубок, предназначенных для визуального наблюдения, лучше всего подходит зеленый цвет свечения, так как глаз  наиболее чувствителен именно в этой области спектра. В случае фотографирования осциллограмм  на фотопленку предпочтительнее синяя область видимого спектра. В черно-белом телевидении необходим белый цвет свечения экрана, а в цветном применяются люминофоры, дающие чистые цвета – синий, зеленый и красный.

Необходимый цвет свечения экрана обеспечивается путем изготовления экрана из смеси различных люминофоров. Так, для получения белого цвета свечения  экрана используют смесь сульфида цинка с сульфидом кадмия. В качестве активатора используется серебро.

Все люминофоры, а следовательно, и экраны, обладают инерционностью. Инерционность выражается в том, что свечение устанавливается (нарастает) в течение некоторого времени – времени разгорания.

 

11.7. Корпус (баллон) приборов

 

Корпус любого электронно-лучевого прибора имеет большое значение, поскольку он  определяет такие важные параметры прибора, как механическую прочность, предельный вакуум, а также влияет на разрешающую способность и контрастность изображения. Для электронно-лучевых трубок ответственным элементом корпуса является дно, на которое наносится люминесцирующий экран. С точки зрения механической прочности корпуса, испытывающего большое наружное давление, необходимо, чтобы дно было несколько выпуклым. Кроме этого, для получения неискаженного изображения поверхность дна должна иметь кривизну.

В современных трубках с большим диаметром применяется приварка штампованного дна к конической части колбы.

Существенное значение имеет также и коническая часть колбы. Форма ее должна быть такой, чтобы световые лучи, падающие на нее от внутренней поверхности экрана, могли попадать вновь на него после многократного отражения от стенок колбы. В противном случае отраженный свет будет снижать контрастность изображения. Диаметр горловины колбы определяется размером внутренней арматуры трубки. Горловина и коническая часть трубки покрываются проводящим слоем, служащим для отвода вторичных электронов с экрана. Обычно этим покрытием является аквадаг – коллоидный раствор графита в воде. Выводы от электродов прожектора осуществляются через плоскую ножку, а высоковольтный вывод осуществляется через коническую часть трубки. Для надежного контакта с аквадагом внутренняя поверхность вывода покрывается серебром.

В современных приборах применяются плоские ножки с жесткими короткими выводами диаметром 1-1,5 мм. В центре ножки имеется штенгель для соединения с откачной системой и последующей отпайки. Ранее в электронно-лучевых трубках применялись цоколи, и ножки имели тонкие мягкие выводы, которые припаивались к штырькам цоколя.

 

 

12. Типы электронно-лучевых приборов

 

12.1. Осциллографические трубки

 

Осциллографической трубкой называют электронно-лучевой прибор, предназначенный для наблюдения или регистрации изменений во времени быстропротекающих процессов. В общем случае осциллографическая трубка состоит из стеклянного баллона, электронно-оптической системы и люминесцирующего экрана.

Существует значительное количество типов осциллографических трубок, различающихся по конструкции, электрическим и светотехническим параметрам, по функциональному назначению.

В современных осциллографах применяются в основном осциллографические трубки с электростатической фокусировкой и отклонением  луча.  Осциллографические трубки могут быть однолучевыми, двухлучевыми и многолучевыми.

В качестве люминофора для экранов осциллографических трубок применяется люминофор с зеленым цветом свечения. Некоторые трубки, используемые осциллографах для фотографирования осциллограмм, имеют экран, светящийся голубым светом, интенсивно действующий на фотопленку.

Баллон трубки имеет плоскую ножку, горловину, коническую часть и дно, на которое наносится люминофор. Экран в различных типах трубок имеет диаметр от 5 до 31 см. Дно баллона делается слегка выпуклым для повышения механической прочности и уменьшения расфокусировки пучка при его отклонении. Для сохранения хорошей фокусировки луча в осциллографических трубках используются небольшие углы отклонения луча (12-180). В горловине баллона располагается электронно-оптическая система. Электронно-оптическая система включает триодную пушку, симметричную линзу и отклоняющую систему.

Электронная пушка образуется катодом, модулятором и анодом и представляет собой иммерсионный объектив.

Электронная пушка служит для получения скрещения, в котором пучок имеет наименьший диаметр. Область скрещения служит предметом для главной линзы системы.

На рисунке 12.1. представлена схема триодной пушки.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.1.

 

В осциллографических трубках окончательная фокусировка осуществляется электростатической линзой. Широкое применение в качестве главной линзы используется симметричная линза, образуемая тремя электродами. Крайние электроды соединены вместе, на них подается повышенное напряжение. На средний электрод (А1) подается более низкий потенциал. Изменение потенциала первого анода приводит к изменению фокусировки пучка на экране трубки.

Отклоняющая система трубки имеет две пары пластин. Одна пара пластин отклоняет луч по горизонтали (пластины Х), другая – по вертикали (пластины Y). Если осциллографическая трубка используется для анализа формы кривой напряжения, то исследуемое напряжение подается на пластины вертикального отклонения Y, а на пластины Х подается пилообразное напряжение развертки. На рисунке 12.2. представлена схема питания электродов трубки.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.2.

На модулятор пушки подается регулируемое отрицательное напряжение для управления током луча.

В общем виде зависимость тока катода от напряжения модулятора выражается формулой:

vak_Pr3,                                  (12.1)

где К – постоянный коэффициент;

UЗ – напряжение запирания;

UМ – напряжение модулятора.

 

Основными параметрами осциллографических трубок являются: разрешающая способность, чувствительность отклонения, скорость записи, частотная характеристика.

Разрешающая способность характеризует количество информации, которое может содержать экран. Иными словами, разрешающая способность может быть охарактеризована максимальным числом импульсов с шириной, равной ширине пятна на экране, укладывающихся без перекрытия на линии развертки. Средняя осциллографическая трубка имеет разрешающую способность от 500 до 1000 строк. Трубки с высокой разрешающей способностью имеют более 2-2,5 тысячи строк. Разрешающая способность зависит от тока луча, ускоряющего напряжения и от зернистости люминофора.

Чувствительностью к отклонению называется отношение смещения светящегося пятна экрана трубки к изменению отклоняющего напряжения, вызвавшему это смещение. Чувствительность электростатического отклонения в простейшем случае выражается как:

vak_Pr3,                                        (12.2)

где l – длина пластин;

d – расстояние между пластинами;

L – расстояние от пластин до экрана.

 

Из формулы видно, что чувствительность отклонения прямо пропорциональна длине пластин и расстоянию от пластин до экрана, и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами и напряжению анода. Обычно чувствительность сигнальных пластин 0,2-0,6 мм/В.

Осциллографическая трубка должна обеспечивать большую скорость записи. При исследовании быстропротекающих процессов скорость пробега луча по экрану должна быть очень большой. Например, при частоте f = 10 МГц и длине линии развертки 10 см. скорость записи составит 1000 км/с. При  таких скоростях записи необходимо повышать яркость свечения экрана. Повысить яркость свечения экрана можно увеличением ускоряющего напряжения и применяя более эффективные люминофоры. В современных осциллографических трубках скорость записи составляет 2000 км/сек.

При исследовании явлений, изменяющихся с очень большой скоростью, могут возникнуть искажения, вызванные конечным временем пребывания электрона в отклоняющем поле. Сократить время пролета электрона между пластинами можно за счет уменьшения длины пластин и увеличения ускоряющего напряжения. Кроме этого, при осциллографировании сверхвысокочастотных сигналов возникают искажения, обусловленные емкостью пластин и индуктивностями выводов. Поэтому для расширения частотного диапазона вводы пластин делают короткими, впаянными в колбу непосредственно перед пластинами.

Один из путей создания трубок с высокой чувствительностью, разрешающей способностью и яркостью свечения экрана состоит в использовании дополнительного ускорения электронов луча после его отключения. Такие трубки называют трубками с послеускорением пучка. В этих трубках пучок отклоняется при сравнительно небольшом напряжении второго анода, позволяющем получить приемлемую чувствительность. Далее уже отклоненный пучок дополнительно ускоряется полем третьего анода, расположенного перед экраном трубки. Этот анод представляет собой проводящее покрытие на внутренней поверхности конической части баллона, имеющего самостоятельный вывод, на который подается напряжение vak_Pr3. В некоторых трубках применяется несколько ступеней послеускорения. Каждая следующая ступень ускорения находится под более высоким напряжением, чем предыдущая.

 

12.2. Радиолокационные трубки

 

Определение положения объекта в пространстве радиолокационным способом сводится к нахождению его трех координат. Такими координатами являются дальность, азимут и угол места. При определении координат объекта в радиолокации используется угломерно-дальномерный метод. Передатчик радиолокационной станции периодически излучает короткие радиоимпульсы. Отражаясь от объекта и попадая в приемник станции, эти импульсы служат для определения координат объекта. Зная скорость распространения радиоволн и время, прошедшее между посылкой импульса и приходом отраженного импульса, можно определить дальность.

Угловые координаты можно определить с помощью антенны направленного действия. Вращая антенну, обеспечивающую направленность излучения в вертикальной плоскости, вокруг вертикальной оси, можно судить об азимуте, по максимуму отраженного сигнала, который будет иметь место в момент, когда антенна направлена на цель.

Аналогично,  используя антенну направленного действия в горизонтальной плоскости и вращая или покачивая ее вокруг горизонтальной оси, можно определить угол места.

Работа электронно-лучевых трубок основана на модуляции пучка как по отклонению, так и по яркости. Типичным примером первого варианта является индикатор дальности.  Развертка пучка по экрану начинается в момент посылки зондирующего импульса, который появляется на экране в виде выброса в начале линии развертки. Отраженный импульс, после усиления поступая на отклоняющую систему, вызывает выброс на некотором расстоянии от начального импульса (рис.12.3).

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.3.

 

Зная скорость развертки, можно определить расстояние до цели Д.

В данном случае индикатором может служить осциллографическая трубка.

Наряду с обычными осциллографическими трубками применяются и трубки с круговой разверткой, в которых сигнал подается на штыревой электрод или обкладки цилиндрического конденсатора.

Если нужно определить две координаты цели, то необходимо использовать трубки с яркостной модуляцией пучка. Типичным примером является индикатор кругового обзора, в котором электронный пучок разворачивается по экрану, двигаясь от центра к периферии по радиусу и одновременно вращаясь синхронно с вращением антенны станции. Отраженный от цели импульс после усиления поступает на модулятор трубки, увеличивая яркость свечения экрана. Таким образом, положение светящейся точки на экране указывает на азимут цели, а расстояние от нее до центра экрана пропорционально дальности.

На рисунке 12.4. показаны развертки луча на экране трубок с яркостной отметкой. Для индикаторов с яркостной отметкой целесообразнее применять трубки с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением, которые обеспечивают большие токи пучков и имеющие большую крутизну модуляционной характеристики. Кроме этого, эти трубки обладают большой разрешающей способностью.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.4.

 

Для непрерывного наблюдения отметки цели экран должен иметь длительное послесвечение. Диаметр экранов радиолокационных трубок 40-50 см. С целью повышения длительности свечения люминофора в радиолокационных трубках используются двухслойные (каскадные) экраны. Объем информации, получаемой на экране индикатора, можно увеличить, если отметки целей сопровождать соответствующими символами, дающими определенные характеристики этих целей. Такими характеристиками могут быть, например, высота, скорость и др. Для этих целей используются специальные трубки – характроны. На рисунке 12.5. схематично показана конструкция характрона (трубка со знаковой индикацией).

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.5.

Электронная пушка 1 формирует пучок, который с помощью двух пар отклоняющих пластин 2, называемых выбирающими, направляется на определенный участок матрицы 3. Матрица представляет собой металлический диск, в котором имеется определенное количество отверстий в форме букв, цифр и других знаков. Электронный пучок, проходя отверстие, приобретает поперечное сечение, соответствующее этому знаку. Фокусирующая линза 4 создает изображение отверстия в матрице на экране 7. Предварительно пучок с помощью двух пар отклоняющих пластин 5 вновь направляется вдоль оси трубки, а с помощью отклоняющих катушек 6 так называемой адресной системы направляется на нужное место экрана. В результате на экране появляется изображение требуемого знака. На экране характрона диаметром 18 см. можно разместить 15625 знаков, имеющих высоту 0,5-0,8 мм.

 

12.3. Кинескопы для черно-белого телевидения

 

Кинескоп является конечным элементом телевизионного тракта. В отличие от осциллографических трубок, в которых информация содержится в отклонении пучка, кинескопы передают информацию благодаря переменной яркости экрана и называются трубками с модуляцией пучка по яркости или просто трубками с яркостной модуляцией.

Кинескоп представляет собой электронно-лучевую трубку, оснащенную магнитной отклоняющей системой и имеющей электронный прожектор и люминесцирующий экран. Схема устройства кинескопа представлена на рисунке 12.6.

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.6.

 

В настоящее время выпускаются кинескопы с диагональю экрана до 70 см. и углом отклонения луча до 1300, с белым цветом свечения, алюминированным экраном. Для переносных телевизоров выпускаются малогабаритные кинескопы с диагональю экранов 6, 11, 16 и 25 см. Современные кинескопы имеют прямоугольные экраны с соотношением сторон 3:4. Дно кинескопа (экран) делают из толстого дымчатого стекла толщиной до 10 мм.  для обеспечения механической прочности, поскольку давление воздуха на экран кинескопа может превышать 1000 кг. Увеличение механической прочности достигается также приданием экрану слегка выпуклой формы. Использование дымчатого стекла уменьшает яркость ореолов и повышает контрастность изображения.

Люминофор черно-белых кинескопов представляет собой смесь двух люминофоров ZnS× CdS× Ag. Время послесвечения не более 10-3 сек. Внутреннюю поверхность стенок стеклянной колбы покрывают аквадагом, через который подводится высокое напряжение к аноду трубки. Наружную поверхность кинескопа (коническую часть), работающую при напряжениях свыше 10 кВ,  также покрывают проводящим покрытием. Два слоя графитового покрытия (внутренний и наружный), разделенные диэлектриком (стеклом), образуют конденсатор фильтра выпрямителя высокого напряжения, питающего кинескоп.

Большинство современных кинескопов имеют трехлинзовый прожектор с электростатической фокусировкой так  как он более экономичен в эксплуатации.

На рисунке 12.7. показано устройство прожектора кинескопа.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.7.

 

Прожектор имеет следующую оптическую схему: иммерсионный объектив, иммерсионная линза и симметричная линза.

Отклоняющая система состоит из четырех катушек. Системы горизонтального (строчного) и вертикального (кадрового) отклонений совмещаются в пространстве, что делает ее компактной.

Основными параметрами черно-белых кинескопов являются: разрешающая способность, контрастность, размер экрана, яркость, цвет свечения. Рассмотрим подробнее эти параметры.

1. Разрешающая способность определяется как число элементов изображения, которое может быть воспроизведено на экране кинескопа. Разрешающую способность удобно оценивать числом строк, отчетливо различимых на экране. Должно быть не менее 625 строк в любом месте экрана. Разрешающая способность определяется диаметром пятна на экране, а также зернистостью люминофора.

2. Констрастность изображения характеризуется отношением яркости наиболее светлых участков изображения к яркости темных участков. Для повышения контраста дно колбы кинескопов изготавливают из контрастных стекол. Кроме этого, алюминирование экранов также заметно улучшает контраст в условиях внешней освещенности. Величина контраста должна быть не менее 25-30.

3. Яркость свечения экрана  определяет качество восприятия изображения. Яркость зависит от свойств экрана  - его энергетической отдачи и спектральной характеристики излучения, а также от режима возбуждения. Зависимость яркости свечения экрана от плотности тока и ускоряющего напряжения выражается следующим образом:

vak_Pr3,                                          (12.3)

яркость экрана должна быть 20-30 кд/м2,

где К – коэффициент, зависящий от свойств люминофора;

j – плотность тока;

n – показатель степени;

Ua – ускоряющее напряжение.

 

4. Цвет свечения экрана черно-белых кинескопов должен быть близким к стандартному белому цвету. С физиологической точки зрения наиболее эффективное действие на глаз зрителя оказывает белый цвет. Исходя из этого, экраны кинескопов изготавливаются из смеси сульфида цинка и твердого раствора сульфидов цинка и кадмия, активированных серебром. Время послесвечения экрана кинескопа должно быть меньше периода развертки кадра, равного 1/25 сек., и составляет для указанного люминофора порядка 10-3 сек.

5. Размеры изображения устанавливаются из следующих соображений: наиболее удобный угол зрения составляет 150. Если принять расстояние для наблюдения 2 м., то высота растра равна 50 см., а ширина экрана при соотношении размеров 3:4 равно 65 см. Для массовых телевизионных приемников выпускаются кинескопы с диагональю 59 и 61 см. с углом отклонения луча 1100 и более, что позволило сократить длину трубок. Корпус кинескопа находится под большим механическим напряжением из-за атмосферного давления воздуха. Для защиты кинескопа от взрыва колба стягивается металлическим бандажом.

 

 

12.4. Цветные кинескопы

 

Кинескоп для цветного телевидения является сложной приемной трубкой. В основе действия цветного кинескопа лежит теория трехкомпонентного смешения цветов, согласно которой любой цвет может быть получен смешением в определенных соотношениях трех основных цветов – синего, зеленого и красного.

В настоящее время используются две разновидности цветных кинескопов с цветоделительной маской: с дельтавидным расположением прожекторов и мозаичным экраном и с планарным расположением прожекторов.

В кинескопе с дельтавидным расположением прожекторов оси трех прожекторов располагаются в вершинах равностороннего треугольника, причем за счет наклона осей все три  луча пересекаются в плоскости теневой маски.

В кинескопе с планарным расположением прожекторов с осью кинескопа совмещен «зеленый» прожектор, а по обе стороны от него - симметрично «красный» и «синий» прожекторы. В этом кинескопе применяется теневая маска с отверстиями щелевидной формы, а экран имеет штриховую структуру. Чередующие штрихи красного (R), зеленого (G) и синего (B) цветов ориентированы вертикально. Каждому щелевидному отверстию в маске соответствуют три коротких отрезка люминофорных полосок на экране, которые образуют один элемент изображения.

На рисунке 12.8. показано устройство цветного кинескопа с теневой маской.

 

 

 

 

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.8.

 

Основными элементами кинескопа являются электронные прожекторы 1, система сведения лучей 2, отклоняющая система 3 , теневая маска 4, люминесцирующий экран 5, взрывозащитный бандаж 6, петля размагничивания 7 и магнитный экран 8. Теневая маска изготавливается из стальной фольги толщиной 0,2 мм. Маска устанавливается на расстоянии 12-15 мм. от экрана.

В кинескопах с дельтаобразным расположением прожекторов маска  имеет круглые отверстия. Количество отверстий в маске соответствует числу люминофорных триад. В кинескопе с диагональю 61 см. маска содержит 550 тысяч отверстий. Для сведения лучей в кинескопе с дельтаобразным расположением прожекторов применяются статическая и динамическая системы сведения лучей.

В кинескопах с планарным расположением прожекторов применяется только статическое сведение, а система динамического сведения отсутствует. Совмещение лучей по всему экрану достигается применением специальной отклоняющей системы.

Влияние внешних магнитных полей устраняется путем экранировки баллона магнитными экранами. Для размагничивания кинескопа в процессе эксплуатации между экраном 8 и баллоном помещается петля размагничивания 7.

На рисунке 12.9. показана электронно-оптическая система одного прожектора.

Прожектор содержит три линзы. Первая линза представляет собой иммерсионный объектив, состоящий из катода 1, модулятора 2 и ускоряющего электрода 3. Вторая и третья линзы – иммерсионные.

 

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 12.9.

 

В правой части анода 5 смонтирован цилиндр сведения 6 с полюсными наконечниками.

Основными параметрами цветного кинескопа являются: разрешающая способность, яркость свечения экрана, контраст изображения, размер экрана по диагонали, формат кадра, чистота цвета.

1. Разрешающая способность оценивается воспроизведением максимального числа чередующихся черных и белых линий. Разрешающая способность кинескопа должна быть не менее 600 строк.

2. Яркость свечения экрана – сила света, излучаемого 1 м2 светящейся поверхности. У современных цветных кинескопов яркость свечения экрана достигает 160 кд/м2. Яркость измеряют в белом цвете.

3. Контраст изображения определяется как отношение максимальной яркости светлых участков экрана к яркости темных участков. Для удовлетворительного качества воспроизведения  величина контраста должна быть не менее 30.

4. Размер экрана выбирается в зависимости от назначения устройства. Так, для стационарных телевизоров первого класса принят размер экрана 67 см. Для второго класса размер экрана 61 см. Переносные телевизоры имеют кинескопы с диагональю от 16 до 51 см.

5. Формат кадра – это отношение ширины экрана кинескопа к его высоте. Стандартом установлен формат кадра равным 4:3.

6. Чистота цвета  - однородность цвета свечения экрана в белом и первичных (красном, зеленом, синем) цветах. Чистота цвета считается удовлетворительной, если цветовая однородность составляет не менее 85% от общей площади экрана.

Влияние внешних магнитных полей и магнитного поля Земли устраняется путем экранировки баллона кинескопа. Для этой цели используют экранирующий кожух и обод крепления, изготавливаемый из специальной холоднокатаной мягкой стали. Чтобы не нарушалась чистота цвета, сами они должны быть полностью размагничены. Размагничивание производится с помощью петли (катушки) размагничивания. Чтобы размагничивание было эффективным, через петлю размагничивания подается переменный ток с уменьшающейся амплитудой.

Кинескопы с самосведением имеют некоторые преимущества перед кинескопами с динамическим сведением, а именно:

- имеют бóльшую яркость из-за большой прозрачности маски;

- ослаблено влияние внешних магнитных полей на чистоту цвета в вертикальной плоскости из-за штриховой структуры экрана;

- отсутствует сложная система динамического сведения.

 

 

13. Передающие телевизионные трубки

 

13.1. Общие сведения о передающих трубках

 

Передающая трубка является входным устройством телевизионной системы и служит для преобразования оптического изображения в видеосигнал, несущий информацию о передаваемом объекте.

Для передачи изображение разбивается на строки. Каждая строка разделяется на элементарные участки, размеры которых определяются шириной строки. От числа элементов зависит четкость изображения. Наши телецентры работают с числом строк 625. Следовательно, изображение должно содержать более 500 тыс. элементов.

Первая публичная демонстрация систем электронного телевидения отечественной разработки состоялась в 1935 г. благодаря советским ученым С.И.Катаеву, П.В.Шмакову, П.В.Тимофееву, которые создали рыд замечательных передающих приборов.

По способу преобразования оптического изображения в электрический сигнал передающие трубки делятся на две группы:

· трубки мгновенного действия;

· трубки с накоплением энергии.

 

В свою очередь, трубки с накоплением энергии по способу накопления делятся на три группы:

- трубки с использованием фотоэмиссии;

- трубки с использованием вторично-электронной эмиссии;

- трубки с использованием фотопроводимости.

13.2. Основные характеристики передающих трубок

 

Для всех передающих приборов существует ряд общих для них основных характеристик, среди которых можно отметить следующие:

- спектральная характеристика;

- разрешающая способность;

- характеристика сигнал-свет;

- чувствительность;

- инерционность.

 

Спектральная характеристика. Для того, чтобы передавать объект с любым спектральным составом свечения, необходимо, чтобы кривая спектральной чувствительности преобразователя передающей трубки соответствовала кривой спектральной чувствительности глаза.

Разрешающая способность является параметром телевизионной системы, определяющим четкость изображения. Чем больше разрешающая способность системы, тем более мелкие детали позволяет передать эта система и тем более четким окажется изображение. Разрешающая способность измеряется  предельным числом различимых черных и белых линий равной ширины, умещающихся на определенном отрезке изображения (высота или ширина кадра). Оценка разрешающей способности производится обычно с помощью специальных испытательных таблиц. В телевидении принят стандарт в 625 строк.

Характеристика сигнал-свет представляет собой зависимость тока сигнала, формируемого трубкой, от освещенности элемента передаваемого изображения. В силу особенностей ряда типов передающих приборов их характеристика сигнал-свет не является однозначной и определяется характером передаваемого изображения.

Чувствительность. Под чувствительностью передающего прибора понимают наименьшую величину освещенности, при которой он еще способен образовать сигнал, обеспечивающий удовлетворительное воспроизведение изображения.

Инерционность передающей трубки выражается в том, что появляется зависимость видеосигнала от условий освещенности, имевших место ранее. При передаче движущихся изображений они могут искажаться.

 

 

13.3. Диссектор

 

Диссектор – телевизионная электронная передающая трубка мгновенного действия. На рисунке 13.1. показано устройство диссектора.

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 13.1.

 

Оптическое изображение проектируется на полупрозрачный фотокатод 1, в результате чего на нем возникает электронное изображение, плотность тока в котором соответствует освещенности участков фотокатода. Фотоэлектроны, ускоряясь в сторону экрана 2, движутся по спиралям вдоль силовых линий магнитного поля линзы 5, осуществляющей перенос изображения с фотокатода на экран. В центре экрана имеется отверстие 3, за которым стоит умножитель 4. Если с помощью катушек 6 отклонить электронное изображение по строке и по кадру так, чтобы изображение элемент за элементом пробегало через диафрагму, то ток коллектора 7 будет последовательно соответствовать освещенностям всех элементов передаваемого изображения, образуя видеосигнал.

Диссектор позволяет получить четкое изображение, что обусловило его применение там, где можно создать высокую освещенность объекта, например при передаче кинофильмов.

 

13.4. Иконоскоп

 

Стремление повысить чувствительность передающих телевизионных приборов привело к разработке принципа накопления заряда. В этом случае световой поток используется между передачами для накопления заряда.

В иконоскопе для накопления заряда используется фотоэмиссия. На рисунке 13.2. показано устройство иконоскопа.

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 13.2.

 

В баллоне 1, имеющего форму цилиндра, размещена тонкая слюдяная пластинка 2, на которую с одной стороны нанесен слой металла 3, служащий сигнальной пластиной, с которой снимается видеосигнал. На другой стороне слюды расположена мозаика 4, представляющая собой совокупность изолированных друг от друга зерен серебра, покрытых пленкой окиси цезия и являющихся элементарными фотокатодами. Таких  зерен на 1 см2 поверхности мозаики находится около 10 тысяч.

Работа иконоскопа происходит  следующим образом. На мозаику проектируется передаваемое оптическое изображение. Фотоэлектроны, уходящие с мозаики под действием света, собираются проводящим покрытием 5, имеющим потенциал анода прожектора. Таким образом, во все время проектирования оптического изображения элементарные конденсаторы заряжаются за счет ухода фотоэлектронов - на поверхности мишени создается потенциальный рельеф, причем наиболее освещенным участкам изображения соответствует наибольший положительный заряд элементов мишени.

При развертке мишени электронным лучом 6 происходит разряд элементарных конденсаторов, вследствие чего в цепи сигнальной пластины возникает последовательность электрических импульсов – видеосигнал.

Несмотря на то, что в иконоскопе используется принцип накопления, иконоскоп имеет низкую чувствительность. Это объясняется тем, что не все фотоэлектроны, испускаемые мозаикой при ее освещении, доходят до коллектора. Часть их оседает на соседних элементах мозаики, несколько «сглаживая» потенциальный рельеф. Кроме этого, коммутирующий луч не полностью разряжает элементарные конденсаторы, оставляя некоторый остаточный потенциальный рельеф на мозаике.

13.5. Суперортикон

 

Стремление повысить чувствительность и устранить недостатки иконоскопа привело к созданию новой передающей трубки с насыщенной фотоэмиссией, с мишенью, имеющей большой коэффициент вторичной эмиссии и с переносом электронного изображения.

Устройство суперортикона схематически показано на рисунке 13.3. Особенностью суперортикона является наличие двусторонней мишени, с одной стороны которой производится запись – накопление заряда, а с другой стороны – считывание.

Все элементы суперортикона собраны в  цилиндрической колбе. Широкая часть колбы имеет плоское дно из оптического стекла, на внутреннюю поверхность которого нанесен полупрозрачный фотокатод 1. В широкой части также расположены ускоряющий электрод 2, сетка 3, мишень 4 и тормозящий электрод 5.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 13.3.

 

В узкой части колбы расположены отклоняющие катушки 6, проводящее покрытие – анод прожектора 7, прожектор 8 и вторично-электронный умножитель 9. Прибор помещается в длинный соленоид 10, создающий продольное магнитное поле.

Двусторонняя мишень представляет собой пластинку толщиной 5 мкм, изготовленную из специального стекла с повышенной поперечной электропроводностью. Благодаря малой толщине и небольшому поперечному сопротивлению потенциальный рельеф, формируемый на одной стороне мишени, переходит за счет поперечной проводимости на другую сторону. Продольное сопротивление мишени большое и «растекания» заряда не происходит.

В суперортиконе используется вторично-электронный умножитель, состоящий из семи каскадов умножения жалюзийного типа. Первым эмиттером умножителя является анодная диафрагма прожектора.

Предаваемое изображение проектируется на полупрозрачный фотокатод. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем и фокусируются продольным магнитным полем. Ускоренные фотоэлектроны при бомбардировке мишени вызывают вторичную эмиссию, и на поверхности мишени создается глубокий потенциальный рельеф.

В процессе развертки мишени часть электронов считывающего пучка используется для компенсации накопленного положительного заряда, вследствие чего количество отражающихся от мишени электронов соответственно уменьшается. Отраженные от мишени электроны магнитным полем направляются на первый динод умножителя. С коллектора умножителя снимается видеосигнал.

Несмотря на сложность устройства, суперортиконы благодаря высокой чувствительности получили широкое распространение.

 

13.6. Видикон

 

Видикон является передающей трубкой с полупроводниковой фотопроводящей мишенью, накоплением заряда и перезарядным считыванием.

Устройство видикона схематически показано на рисунке 13.4.

Основным элементом  видикона  является  фотопроводящая  мишень 1, которая представляет собой тонкий слой фотосопротивления. Материалом для мишени служит трехсернистая сурьма. Фотопроводящий слой наносится на полупрозрачную сигнальную пластину 2, сквозь которую на фотослой проектируется изображение. В цилиндрической части прибора расположен электронный прожектор, состоящий из катода 3, модулятора 4, ускоряющего электрода 5 и анода 6.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 13.4.

Формирование электронного луча осуществляется магнитной линзой 7, создающей однородное продольное магнитное поле. Растровая развертка луча производится магнитной отклоняющей системой 8.

Видикон может работать в режиме как медленных, так и быстрых электронов. В первом случае потенциал сигнальной пластины выше потенциала катода прожектора.

При проектировании сквозь сигнальную пластину оптического изображения сопротивление мишени будет изменяться согласно распределению освещенности, причем, чем ярче освещен элемент мишени, тем меньше будет поперечное сопротивление фотослоя в этом месте. Поэтому в промежутке между коммутациями потенциал светлых элементов мишени повысится больше, чем потенциал темных элементов. Таким образом, на коммутирующей поверхности мишени создается положительный потенциальный рельеф. При развертке поверхности мишени электронным лучом в цепи сигнальной пластины создается видеосигнал.

Современные видиконы позволяют получать удовлетворительное изображение при освещенности мишени всего в несколько люкс, т.е. по чувствительности они приближаются к суперортиконам. Недостатком видиконов является инерционность. Широкое применение видиконы находят в системах промышленного телевидения.

 

 

14. Электронно-оптические преобразователи и усилители яркости

 

14.1. Электронно-оптические преобразователи

 

Электронно-оптические преобразователи являются приборами, преобразующими оптическое световое изображение в электронное, а затем снова в оптическое в другой области спектра. Чаще всего преобразователи используются для преобразования изображения в инфракрасном свете в видимое изображение.

vak_Pr3Электронно-оптические преобразователи используются для наблюдения в темноте, на транспорте, в астрономии, в военном деле. Устройство простейшего преобразователя показано на рисунке 14.1.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14.1.

Преобразователь содержит полупрозрачный фотокатод 1 и люминесцирующий экран 2, между которыми приложено ускоряющее напряжение. Между фотокатодом и экраном создается однородное электрическое поле.

Принцип действия преобразователя состоит в следующем. Оптическое изображение проектируется на фотокатод, вызывая фотоэлектронную эмиссию, величина которой пропорциональна освещенности участков катода. Фотоэлектроны под действием ускоряющего поля направляются к экрану, вызывая его свечение. Таким образом происходит преобразование инфракрасного изображения в видимое. Однако однородное электрическое поле не является электронной линзой и пучок электронов, исходящий из некоторой точки на катоде, будет расходиться и изображение не будет четким. Диаметр кружка рассеяния будет определяться следующим выражением:

 

vak_Pr3,                                          (14.1)

где l – расстояние между катодом и экраном;

Ua – ускоряющее напряжение;

U0 – разность потенциалов, определяющая начальную скорость электронов.

 

Повысить разрешающую способность преобразователя можно, применив для фокусировки магнитные или электростатические линзы.

Применение магнитных линз связано с большими габаритами и весом прибора, а также неоправданными расходами электроэнергии.

 Наиболее распространенными являются преобразователи с электростатической фокусировкой, в которых перенос электронного изображения осуществляется с помощью электростатических линз. Пример электронно-оптической системы преобразователя с электростатической фокусировкой приведен на рисунке 14.2.

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 14.2.

Электронно-оптическая система состоит из катодного цилиндра, имеющего нулевой потенциал, ускоряющего электрода и анода, к которому приложено напряжение порядка 30 кВ. В этом преобразователе перенос изображения осуществляется двумя иммерсионными линзами. Первая линза служит для регулирования фокусировки,  а вторая линза ускоряет электроны, обеспечивая необходимую яркость свечения экрана.

В последние годы были разработаны низковольтные электронно-оптические преобразователи с использованием микроканальных пластин. На рисунке 14.3. показано устройство электронно-оптического преобразователя с микроканальной пластиной.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 14.3.

 

Преобразователь содержит фотокатод, микроканальную пластину и люминесцирующий экран.

Микроканальная  пластина  представляет  собой  диск  толщиной 0,5 мм. и диаметром 24 мм. из свинцово-силикатного стекла. Пластина содержит большое число микроканалов диаметром 10 мкм. Внутренняя поверхность каналов покрыта полупроводниковым слоем с коэффициентом вторичной эмиссии  s > 1. На торцевые поверхности пластины нанесены контактные металлические слои, между которыми прикладывается напряжение порядка 1 кВ.

Между фотокатодом и микроканальной пластиной, а также между экраном и пластиной для ускорения электронов создаются однородные электрические поля.

При освещении фотокатода возникает фотоэмиссия, величина которой зависит от освещенности отдельных участков катода. Фотоэлектроны, влетая в канал, вызывают появление вторичных электронов. Электрическое поле ускоряет вторичные электроны, количество их по мере продвижения к экрану увеличивается. В результате на экран приходит больше электронов, чем уходит с фотокатода. Вследствие малых расстояний между электродами преобразователь имеет разрешающую способность не хуже, чем двухлинзовый преобразователь.

 

Основными параметрами электронно-оптических преобразователей являются:

1. интегральная чувствительность фотокатода – отношение величины фототока к величине падающего светового потока;

2. спектральная чувствительность фотокатода – отношение величины фототока к величине светового потока от источника монохроматического излучения;

3. квантовый выход, определяющий количество электронов, эмиттируемых фотокатодом под действием одного фотона. Квантовый выход не может быть больше 0,5;

4. коэффициент преобразования – отношение величины светового потока, излучаемого экраном ЭОП, к величине светового потока, падающего на фотокатод. Для однокамерных преобразователей коэфициент преобразования может доходить до 150, а для многокамерных – до 106 и более;

5. разрешающая способность – число пар линий в одном миллиметре изображения, различаемых на экране преобразователя;

6. яркость темнового фона – яркость свечения экрана в отсутствие освещения входного фотокатода. Это свечение обусловлено термоэмиссией фотокатода, световой обратной связи внутри прибора;

7. контраст изображения – определяется как отношение яркости крупной детали изображения к яркости фона.

 

 

14.2. Усилители яркости изображения

 

Обычные электронно-оптические преобразователи дают усиление света в несколько десятков раз. Однако в ряде случаев, например, в экспериментальной физике, астрономии, этого оказывается недостаточно. Для регистрации слабых изображений применяются многокамерные преобразователи, которые представляют собой последовательное соединение нескольких приборов.

Устройство двухкамерного усилителя света показано на рисунке 14.4.

 

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 14.4.

 

Электронное изображение, возникающее на входном фотокатоде 1, переносится на промежуточный экран 1. Свечение этого экрана возбуждает фотоэлектронную эмиссию фотокатода 2 второй камеры. Электроны, испускаемые фотокатодом 2, возбуждают выходной экран 2. Такой усилитель дает усиление света 103.

Трехкамерный усилитель дает усиление света 104. Однако, с ростом числа камер снижается разрешающая способность из-за аберраций. Так, двухкамерный усилитель дает разрешение 18 пар линий на миллиметр.

 

 

15. Фотоэлектронные приборы

 

15.1. Общие сведения о фотоэлектронных приборах

 

Фотоэлектронными приборами называют приборы, которые преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрические сигналы. К этим  приборам относятся электронные, ионные фотоэлементы и фотоумножители.

В электронных и ионных фотоэлементах используется внешний фотоэффект – возникновение эмиссии электронов при облучении поверхности фотокатода. В фотоумножителях также используется фотоэффект, но полученный фототок подвергается усилению за счет вторичной эмиссии.

 

Многочисленные исследования процесса эмиссии электронов под действием световой энергии привели к выводу двух основных законов фотоэмиссии:

1. Количество электронов, вылетающих из металла в единицу времени, прямо пропорционально падающему на его поверхность световому потоку:

vak_Pr3,                                         (15.1)

где К – интегральная чувствительность;

Ф – световой поток.

Этот закон называется законом Столетова А.Г.

 

2. Максимальная энергия электронов, вылетающих из поверхности фотокатода, не зависит от светового потока, а зависит только от частоты световых колебаний (закон Эйнштейна):

vak_Pr3,                                      (15.2)

где m – масса электрона;

u - скорость электрона при вылете из поверхности;

h – постоянная Планка;

n - частота света;

А – работа выхода.

 

Из второго закона фотоэффекта (15.2) следует, что для каждого материала существует минимальная частота света, при которой еще возможен фотоэффект. Эта минимальная частота света определяется из равенства:

vak_Pr3.                                                 (15.3)

 

Минимальная частота  n0, при которой еще возможен фотоэффект, называется граничной частотой или красной границей.

Фотоэлектронные приборы находят широкое и разнообразное применение в науке и технике в качестве элементов, управляемых светом.

 

15.2. Фотокатоды

 

Фотокатоды, применяемые в фотоэлементах, можно разделить на три группы:

1. Фотокатоды из чистых металлов;

2. Тонкопленочные фотокатоды;

3. Сложные фотокатоды.

 

Для чистых металлов порог фотоэффекта лежит в ультрафиолетовой части спектра. Поэтому для фотокатодов применяются щелочные металлы (K, Na, Li, Cs).

В таблице 15.1. приведены длины волн избирательных максимумов этих металлов. Вследствие малой интегральной чувствительности катоды из чистых металлов применяются редко.

 

Таблица 15.1.

 

Металл

Длина волны максимальной

чувствительности vak_Pr3

Li

2800

Na

3400

K

4400

Cs

5500

Rb

4700

 

Тонкопленочные фотокатоды представляют собой тонкие (моноатомные) слои щелочных металлов на массивных металлических подложках (Ag, Pt). Порог фотоэффекта тонкопленочных фотокатодов сдвигается в длинноволновую область спектра. Все тонкопленочные фотокатоды имеют спектральные характеристики с избирательным максимумом.

К третьей группе относятся сложные фотокатоды: фотокатоды, полученные путем обработки (очувствления) поверхности с полупроводниковым слоем. Порог фотоэффекта фотокатодов лежит около 7000vak_Pr3, а избирательный максимум расположен в области 4500-5000vak_Pr3. Интегральная чувствительность не превышает 20 мка/лм. Поэтому наибольшее практическое применение находят сложные полупроводниковые фотокатоды. Типичными представителями этой группы катодов являются кислородно-цезиевый и сурьмяно-цезиевый фотокатоды.

На рисунке 15.1. показана структура кислородно-цезиевого фотокатода.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 


Рис. 15.1.

 

 

 

Основными элементами этой структуры являются: металлическая подложка (Ag), полупроводниковый слой, состоящий из окиси цезия, окиси серебра, частиц серебра и цезия. На поверхности находятся адсорбированные атомы цезия. Максимум спектральной чувствительности расположен в инфракрасной части спектра (7500-8000) vak_Pr3. Работа выхода 0,72 эВ. Порог фотоэффекта - 7000vak_Pr3. Интегральная чувствительность – 40-60 мка/лм. Плотность тока термоэмиссии этого катода 10-12 - 10-13 А/см2. Кислородно-цезиевые фотокатоды могут быть изготовлены как толстыми, непрозрачными, так и тонкими полупрозрачными для работы на «просвет».

 

Другим весьма распространенным типом сложного полупроводникового катода является сурьмяно-цезиевый катод.  Работа выхода 1,3 эВ. Порог фотоэффекта соответствует длине волны 7000vak_Pr3. Максимум спектральной характеристики лежит в желто-зеленой части (5200vak_Pr3). Интегральная чувствительность – 30-70 мка/лм. Термоток при комнатной температуре составляет 10-14 - 10-15 А/см2.

Сурьмяно-цезиевые катоды также изготавливают полупрозрачными для типового освещения. Утомление сурьмяно-цезиевого катода меньше, чем кислородно-цезиевого. В течение 1000 часов работы чувствительность катодов падает на 30%.

 

 

15.3. Фотоэлементы

 

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются двух типов: электронные фотоэлементы и ионные фотоэлементы.

В электронных фотоэлементах ток образуется только электронами, выходящими из катода под действием света.

В ионных фотоэлементах ток фотоэмиссии увеличивается за счет возникновения несамостоятельного разряда.

 

Устройство вакуумного фотоэлемента показано на рисунке 15.2. В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, помещены два электрода: катод К и анод А.

 

 

 

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 15.2.

 

Катод в виде тонкого светочувствительного слоя нанесен на  внутреннюю поверхность баллона. Анод изготовлен в виде кольца, расположенного в центре баллона. Выводы от катода  и анода сделаны через ножку на нижний цоколь.

На рисунке 15.3. показана простейшая схема включения фотоэлемента.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис .15.3.

 

При освещении фотоэлемента в анодной цепи возникает ток, создающий на сопротивлении RH падение напряжения. При изменении светового потока изменяется величина тока и, следовательно, выходное напряжение Uвых.

Ионные фотоэлементы наполняются инертным газом. В таких фотоэлементах возникает несамостоятельный тихий (темный) разряд. Усиление тока в них оценивается коэффициентом газового усиления, который определяется как отношение тока при разряде к величине тока насыщения:

vak_Pr3.                                            (15.4)

В результате газового усиления интегральная чувствительность ионных фотоэлементов достигает 300 мка/лм.

 

15.4. Основные характеристики и параметры

фотоэлементов

 

Основными характеристиками фотоэлементов являются:

1. Спектральная характеристика, выражающая зависимость чувствительности фотоэлемента от длины волны падающего монохроматического света;

2. Световая характеристика, выражающая зависимость электронного тока от светового потока при постоянном напряжении между электродами;

3. Анодная (вольамперная) характеристика, выражающая зависимость фототока от напряжения между электродами при постоянном световом потоке;

4. Частотная характеристика, выражающая зависимость фототока от частоты изменения светового потока;

5. Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока, содержащего колебания различных частот:

vak_Pr3.                                 (15.4)

6. Спектральная чувствительность  Кl, которая характеризует величину фототока, возникающего под действием светового потока определенной длины волны:

vak_Pr3.                                   (15.5)

7. Величина темнового тока, складывающегося в основном из двух составляющих: тока термоэлектронной эмиссии катода и токов утечки по изолятору.

Рассмотрим характеристики фотоэлементов. На рисунке 15.4. показаны семейства анодных характеристик электронного и ионного фотоэлементов.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 15.4.

Для электронного фотоэлемента при увеличении анодного напряжения фототок вначале быстро растет, а затем достигает насыщения. Величина тока насыщения определяется эмиссией фотокатода и поэтому она тем больше, чем больше световой поток.

В ионном фотоэлементе вольтамперная характеристика не имеет области насыщения при больших напряжениях. При больших (рабочих) напряжениях в приборе возникает ударная ионизация газа и при дальнейшем увеличении анодного напряжения ток начинает резко расти. Увеличение анодного напряжения ограничивается опасностью возникновения тлеющего разряда, который может привести к потере управления и к выходу катода из строя. Отношение тока в допустимом рабочем режиме  Iраб  к току насыщения называется коэффициентом газового усиления. Обычно он имеет величину  порядка 5.

Чтобы не возникал в приборе самостоятельный разряд, давление газа в фотоэлементах берут порядка 10-2 мм.рт.ст.

На рисунке 15.5. приведены световые характеристики электронного и ионного фотоэлементов. Световая характеристика электронного фотоэлемента подчиняется закону Столетова и является прямой линией (1).

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 15.5.

 

Следовательно, электронные фотоэлементы преобразовывают колебания светового потока в электрические без искажений.

Ионный фотоэлемент имеет нелинейную характеристику (2) – увеличение фототока сопровождается более интенсивной ионизацией и непропорциональным увеличением фототока.

Способность фотоэлементов реагировать на изменения освещенности, происходящие с большой скоростью, иллюстрирует частотная характеристика (рис. 15.6).

 

 

 

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 15.6.

 

Электронные фотоэлементы менее инерционны, чем ионные. Это объясняется тем, что процессы ионизации и деионизации требуют конечного времени. Ионные фотоэлементы удовлетворительно работают на частотах, не превышающих 10 кГц.

Спад частотной характеристики электронного фотоэлемента объясняется наличием у прибора междуэлектродной емкости.

 

15.5. Фотоумножители

 

Приборы, в которых усиление слабых фототоков осуществляется с помощью вторичной электронной эмиссии, называются фотоэлектронными умножителями.

Простейший однокаскадный умножитель содержит катод, анод и динод, заключенные в  стеклянном вакуумном баллоне. Катод и динод наносятся на внутреннюю поверхность стекла. Анодом служит кольцо, расположенное перед динодом.

На рисунке 15.7.  показана схема включения однокаскадного фотоумножителя.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 15.7.

 

Испускаемые фотокатодом электроны направляются под действием электрического поля на динод и выбивают из динода вторичные электроны.

Число вторичных электронов в s раз больше числа первичных электронов. Таким образом, ток на анод равен:

vak_Pr3,                                       (15.6)

где s - коэффициент вторичной эмиссии;

IK – ток фотокатода.

 

Вольтамперные характеристики однокаскадного ФЭУ (рис.15.8) показывают зависимости тока в цепи катода и тока анода от общего напряжения питания ФЭУ (рис.15.7).

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 15.8.

 

Характеристика Ia = f(U0) отражает  изменение коэффициента вторичной эмиссии динода при увеличении энергии первичных электронов. Ток фотокатода остается постоянным. Чувствительность однокаскадного ФЭУ составляет порядка 400 мкА/лм.

Принципиальная схема многокаскадного ФЭУ приведена на рис.15.9. Прибор состоит из фотокатода ФК, нескольких динодов Д1 – Дn и анода А.

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 15.9.

Ток в анодной цепи ФЭУ, имеющего n каскадов, при условии, что коэффициент вторичной эмиссии s всех динодов одинаков, определяется по формуле:

vak_Pr3,                                        (15.7)

где I0 – ток с фотокатода;

s - коэффициент вторичной эмиссии.

 

Коэффициент усиления ФЭУ по току:

vak_Pr3.                                            (15.8)

 

При 10-14 каскадах можно легко получить коэффициент усиления по току М = 106.

Динодные системы умножителя бывают самых разнообразных конструкций: жалюзийные, коробчатые, ковшеобразные, канальные и микроканальные пластины.

 

Основными характеристиками фотоумножителей являются:

1. Зависимость коэффициента усиления о напряжения питания М = f(U0);

2. Анодная характеристика, выражающая зависимость анодного тока от разности потенциалов между последним динодом и анодом Ia = f(Ua);

3. Световая характеристика, выражающая зависимость анодного тока от светового потока  Ia = f(Ф);

 

Фотоумножители широко используются в ядерной физике, в фотометрах, в астрономии, в пеленгаторах и т.п.

 

 

16. Рентгеновские трубки

 

16.1. Рентгеновские лучи, их природа и свойства

 

В 1895 г., изучая свойства катодных лучей (ускоренных электронов), Рентген обнаружил, что из тех мест стеклянной трубки, на которые попадают электроны, испускаются невидимые глазом лучи. Новые лучи, свойства и природа которых еще не были известны, Рентген назвал х-лучами. Позже в честь Рентгена они были названы рентгеновскими лучами.

Рентгеновские лучи возникают всякий раз, когда поток ускоренных электронов встречает на своем пути какие-либо тела. Особенно интенсивные рентгеновские лучи возникают в том случае, когда ускоренные электроны на своем пути встречают такие тяжелые металлы, как вольфрам, платину и др.

Изучение рентгеновских лучей позволило установить их свойства. Рентгеновские лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение. Следовательно, рентгеновские лучи обладают очень большой энергией кванта  Е = hn.

Рентгеновские лучи проникают через непрозрачные для видимого света тела, производят ионизацию газов, действуют на фотографическую пластинку (пленку), вызывают флуоресценцию некоторых веществ, разрушают живые клетки организма. Наконец, рентгеновские лучи не несут заряда и поэтому не отклоняются ни магнитными, ни электрическими полями и, следовательно, всегда распространяются прямолинейно.

Длина волны рентгеновских лучей зависит от условий их возбуждения. Различают мягкие рентгеновские лучи длиной волны от нескольких ангстрем до 20vak_Pr3  и  жесткие лучи с длиной волны десятые и сотые доли ангстрема. Установлено, что чем короче длина волны, тем жестче рентгеновские лучи и тем глубже они проникают в тела.

Законы отражения и преломления световой оптики неприменимы к рентгеновским лучам.

 

Возбуждение рентгеновских лучей.

При попадании ускоренных электронов на анод они встречают на своем пути свободные и связанные электроны металла и, взаимодействуя с ними, резко затормаживаются. При торможении кинетическая энергия электронов превращается в энергию рентгеновского излучения (hn). При полном превращении кинетической энергии электронов в энергию излучения получим равенство:

vak_Pr3.                                    (16.1)

 

Из равенства следует, что минимальная длина волны

vak_Pr3,                                (16.2)

где lmin – длина волны рентгеновского излучения, vak_Pr3;

Ua – ускоряющее напряжение, кВ.

 

Такое излучение называют тормозным рентгеновским излучением.

Распределение интенсивности тормозного рентгеновского излучения соответствует сплошному спектру.

На рисунке 16.1. показано распределение интенсивности тормозного излучения для вольфрамового анода при различных анодных напряжениях.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 16.1.

 

Как следует из рисунка, с увеличением анодного напряжения их максимумы сдвигаются влево, т.е. в сторону более коротких длин волн. Интенсивность тормозного излучения зависит от тока луча Iл, ускоряющего напряжения Ua и атомного номера материала анода Z:

vak_Pr3.                                     (16.3)

 

При очень высоких анодных напряжениях электроны приобретают огромные скорости, проникают вглубь атомов и вызывают наряду с тормозным рентгеновским излучением характеристическое рентгеновское излучение.

Для характеристического излучения величина анодного напряжения должна быть не менее критического значения Ua.K, которое определяется из равенства:

vak_Pr3,                                          (16.4)

где lК – наименьшая длина волны при критическом анодном напряжении.

 

Характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр. На рисунке 16.2. показано распределение интенсивности в спектре тормозного и характеристического излучений.

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 16.2.

 

С увеличением анодного напряжения интенсивность характеристического излучения также растет, а длина волны остается неизменной.

Характеристическое рентгеновское излучение используется в рентгеноструктурном и рентгеноспектральном анализах.

 

 

16.2. Устройство рентгеновской трубки

 

Рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона, внутри которого расположен катод, фокусирующий электрод и анод.

В качестве источника электронов в рентгеновских трубках применяют термокатоды из чистого или карбидированного вольфрама. Рабочая температура катода 2300-26500К. Плотность тока эмиссии 0,3-0,7 А/см2. Эффективность 2-10 мА/Вт.

От формы и размеров катода зависит размер и форма фокусного пятна. Применяются катоды в виде спирали, в виде плоской спирали Архимеда, а также в виде шпильки. Для изготовления спиралей используется вольфрамовая проволока диаметром 0,3 мм.

Катод монтируется в полости фокусирующего электрода, который изготавливается из молибдена или вольфрама.

Анод рентгеновской трубки изготавливают из вольфрама или платины. Однако практически во многих случаях оказалось, что выгоднее изготавливать тело анода из меди, а в его водоохлаждаемое тело впаивать «зеркало», представляющее собой пластинку из вольфрама.

 

На рисунке 16.3. показано устройство анода трубки.

 

 

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 


Рис. 16.3.

 

Фокус трубки (зеркало) может иметь круглую или прямоугольную форму, которая определяется формой катода. Во время работы трубки анод сильно нагревается. Поэтому для охлаждения анода применяется принудительное охлаждение проточной водой.

Рентгеновская трубка по существу представляет собой двухэлектродную электронную лампу. Поэтому вольтамперная характеристика ее подобна вольтамперной характеристике обычного диода.

Для выхода рентгеновских лучей из трубки в некоторых трубках применяют бериллиевые окна.

 

 

17. Газоразрядные приборы и устройства

 

17.1. Физика газоразрядных приборов

 

Газоразрядным или ионным прибором называется электронный прибор с электрическим разрядом в газе или парах ртути. В качестве газового наполнителя применяются инертные газы или водород.

По типу разряда ионные приборы делятся на приборы темного, тлеющего, коронного, дугового и высокочастотного разрядов.

По типу катодов различают приборы с холодным катодом (неоновые лампы, стабилитроны, декатроны, индикаторная панель, тиратрон тлеющего разряда, аркотрон, игнитрон и др.) и приборы с термокатодом (газотрон, тиратрон дугового разряда, таситрон и др.).

В последние годы разработаны новые ионные приборы с холодным катодом, способные заменить полупроводниковые приборы и электронные лампы и выполняющие несвойственные последним функции: индикация электрического состояния, стабилизация напряжения, счет импульсов, счет ядерных частиц, переключение и защита электрических цепей, память и логические операции, выпрямление высокого напряжения большой мощности, детектирование СВЧ-колебаний, освещение и т.д.

С связи с развитием ресурсо- и энергосберегающих технологий созданы газоразрядные устройства технологического назначения: генераторы и ускорители плазмы для нанесения упрочняющих покрытий на изделия, магнетронные распылительные системы для нанесения пленок, источники электронов и ионов для выполнения различных технологических операций.

 

Элементарные процессы в газе при электрическом разряде.  В электрическом поле, создаваемом между электродами прибора, имеющиеся в газе электроны ускоряются и сталкиваются с молекулами и атомами газа. Эти столкновения могут носить характер упругих столкновений, когда происходит простой обмен энергиями без изменения внутреннего состояния атома, и неупругих столкновений, когда частицы не только обмениваются энергиями, но и происходит изменение внутреннего состояния атома или молекулы.

К неупругим столкновениям относятся:

- возбуждение атомов (молекул), при котором налетающий электрон передает энергию электрону, находящемуся на одном из нижних уровней электронной оболочки атома. Получивший эту энергию электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Такой атом называют возбужденным атомом. Энергия, которую должен иметь налетающий электрон, выраженная в электрон-вольтах, называется потенциалом возбуждения. Для большинства газов эта энергия не превышает десяти электрон-вольт. Из возбужденного состояния через некоторое время (10-8с) атом переходит в нормальное состояние, излучая при этом квант света. Некоторые атомы могут находиться  в возбужденном состоянии от 10-3 до 1 с. Их называют метастабильными атомами.

- Ионизация атомов – процесс выбивания электрона из оболочки атома, в результате чего атом становится положительным ионом. Энергия, которую должен иметь налетающий электрон, называется потенциалом ионизации. Выбитый и налетевший электроны могут ускориться в электрическом поле и вызвать ионизацию еще двух атомов, обеспечивая начало лавинной ионизации.

 

Некоторые положительные ионы могут захватить свободный электрон и превратиться в нейтральный атом. Такой  процесс называется рекомбинацией или деионизацией. В процессах ионизации и рекомбинации могут участвовать и электроны, выбиваемые из поверхностного слоя катода при бомбардировке его положительными ионами (g-процессы). Когда скорости ионизации и рекомбинации выравниваются, пространство между электродами оказывается заполненным смесью нейтральных атомов, ионов и электронов, которая называется газоразрядной плазмой или плазмой. Плазму называют равновесной, если концентрации электронов и ионов одинаковы и потенциал по ее объему не изменяется. Таким образом, при наличии разности потенциалов между электродами может наблюдаться лавинное нарастание актов ионизации, которое называется режимом лавинного разряда. А равновесие между ионизацией  и рекомбинацией называют режимом газоразрядной плазмы. Эти процессы составляют основу электрического разряда в газе или газового разряда.

 

Электрический разряд в газе может существовать в двух формах: самостоятельный и несамостоятельный. Если при наличии разности потенциалов между электродами разряд может существовать только при воздействии внешнего ионизирующего фактора (свет, радиационное излучение, электронная эмиссия и т.д.), то такой разряд называется несамостоятельным. С прекращением этого воздействия разряд гаснет.

Если каждый эмиттируемый с катода электрон под действием всех видов ионизации создаст еще один новый электрон, то разряд будет поддерживаться без воздействия внешних ионизирующих факторов только за счет энергии электрического поля. Такой разряд называется самостоятельным. Напряжение, при котором развивается самостоятельный разряд, называется напряжением зажигания. Напряжение зажигания, связанное с  интенсивностью ионизации, зависит от рода газа, а также от давления и температуры газа в баллоне.

В тех или иных газоразрядных приборах может использоваться как самостоятельный, так и несамостоятельный виды разряда.

Обобщенная вольтамперная характеристика разряда для одинаковых условий, кроме давления, приведена на рис. 17.1.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 17.1.

Аргументом характеристики является ток через прибор, поскольку падение потенциала зависит от вида и состояния ионизированного газа. Участок АВ соответствует несамостоятельному лавинному разряду. Напряжение на приборе мало, мала и интенсивность ионизации, а ток ограничивается большим сопротивлением резистора в разрядной цепи. При повышении напряжения на электродах развивается самостоятельный лавинный разряд, который называется темным или тихим разрядом (область ВС).

Темный или тихий самостоятельный разряд не светится, а электрическое поле в разрядном промежутке определяется в основном потенциалами на электродах и незначительно искажается объемными зарядами.

Вблизи катода возникает область катодного падения, обусловленная возникновением положительного пространственного заряда, создаваемого ионами с малыми скоростями, движущимися к катоду.

Небольшая область отрицательного падения потенциала возникает вблизи анода, создаваемого пространственным зарядом электронов. Эти заряды искажают поле и распределение потенциала между электродами. Можно считать, что почти все приложенное к ним напряжение падает на узкой области катодного падения. В  этой области и происходит ускорение электронов и основная ионизация газа. Интенсивность ионизации при этом выше, чем в начальный момент, и поэтому напряжение горения ниже, чем напряжение зажигания.

Тлеющий разряд – электрический разряд, характеризующийся свечением прикатодной области плазмы, большим катодным падением потенциала, превышающим потенциал ионизации, и высокой интенсивностью g-процессов, обуславливающих эмиссию электронов с катода. Этот разряд бывает трех видов: поднормальный, нормальный и аномальный.

Поднормальный тлеющий разряд является переходным (BD) от тихого к нормальному тлеющему разряду. Этот переход может происходить скачком. Этот вид практически в каких-либо приборах не используется.

Нормальный тлеющий разряд (область DE) горит устойчиво в интервале токов от 10-3 до 10-1 А. Для этого разряда характерно постоянство напряжения горения в указанном диапазоне токов. При этом плотность тока сохраняется неизменной, а общий ток изменяется за счет увеличения столба разряда и размеров площади катодного свечения. Напряжение горения, которое часто называют Uнорм, зависит от материала катода и рода газа, наполняющего прибор, параметры которых характеризуют условия существования тлеющего разряда. Например, для марганца в аргоне Uнорм = 103 В. Максимальный ток через прибор определяется площадью поверхности катода. Свойство разряда поддерживать постоянным напряжение горения применяют в ряде приборов для стабилизации напряжения, а пропорциональность площади свечения тока разряда используют в аналоговых линейных измерителях тока. При увеличении тока разряда после того, как вся поверхность катода охвачена свечением, нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный.

Аномальный тлеющий разряд (область  EG) характеризуется более высокой по сравнению с нормальной плотностью тока, возрастанием напряжения горения с увеличением тока, а также повышенной интенсивностью ионизации, обусловленной возросшей напряженностью электрического поля в катодном падении. Дальнейшее увеличение тока приводит к  переходу разряда в дуговой разряд.

Дуговой разряд (область ОН) – электрический разряд, для которого характерно малое катодное падение потенциала на малом промежутке катодного падения и как результат  - интенсивное испускание электронов катодом из-за термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии. Дуговой разряд шнуруется, стягиваясь с катода в яркую точку, называемую катодным пятном. Катодное пятно характеризуется повышенной температурой и является мощным источником электронов, поэтому токи дугового разряда могут достигать сотен ампер. Дуговой разряд имеет много разновидностей, определяемых материалом и температурой катода, родом газа и его давлением. На основе дугового разряда разработано много ионных приборов различного назначения.

 

17.2. Стабилитроны

 

Стабилитрон тлеющего разряда – двухэлектродный прибор, работающий в режиме нормального тлеющего разряда. Для увеличения тока катод изготавливают в виде цилиндра с большой поверхностью, снабженного небольшим электродом, снижающим напряжение зажигания. На оси катода размещают проволочный анод. Промышленностью выпускается большое количество стабилитронов с октальным цоколем, пальчиковых, миниатюрных, сверхминиатюрных и металлокерамических на различные напряжения.

Основной характеристикой стабилитронов является вольтамперная характеристика, показывающая зависимость напряжения на стабилитроне от тока разряда, изображенная на рис.17.2. Здесь же показана простейшая схема стабилизации.

Приведенная схема благодаря характеристике стабилитрона обеспечивает стабилизацию напряжения на нагрузке как при колебаниях напряжения источника питания, так и при изменении тока нагрузки.

 

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 17.2.

 

В первом случае, например, при увеличении напряжения источника должно возрасти напряжение на стабилитроне, что в соответствии с характеристикой неизбежно повлечет увеличение за собой увеличение тока через стабилитрон и приведет к увеличению падения напряжения на балластном резисторе, а напряжение на нагрузке останется неизменным. Аналогичный процесс произойдет и при уменьшении напряжения источника, только в обратном порядке.

Во втором случае изменение тока через нагрузку, например, увеличение вызовет увеличение падения напряжения на балластном резисторе и уменьшение напряжения на стабилитроне, что приведет к уменьшению тока через последний, т.е. увеличение тока нагрузки компенсируется уменьшением тока через стабилитрон, и падение напряжения на балластном резисторе останется неизменным, а напряжение на нагрузке – стабильным.

На вольтамперной характеристике граничные значения токов и напряжений зажигания и стабилизации, которые приняты в качестве  параметров стабилитрона: напряжение зажигания Uз; напряжение стабилизации Uст; минимальный Iмин и максимальный Iмакс  токи, при которых происходит стабилизация; сопротивление переменному току на рабочем участке характеристики Ri = DUст / DIст. В качестве параметров указываются также максимально допустимый ток Iдоп через стабилитрон и, иногда, изменение напряжения стабилизации при изменении тока от Iмакс  до Iмин, а также сопротивление постоянному току R0 = U/I на среднем участке рабочей характеристики.

 

Стабилитроны коронного разряда имеют напряжение стабилизации 0,5-30 кВ. Коронный разряд отличается от тлеющего тем, что ионизация и возбуждение газа происходит в области анодного падения потенциала и образуется светящаяся корона вокруг анода. Особенностью таких стабилитронов является наличие утечки тока до 0,5 мкА в напроводящем направлении и длительное время разгорания коронного разряда 15-30 с.

 

17.3. Неоновые лампы

 

Неоновые лампы – двухэлектродные приборы тлеющего разряда, предназначенные для индикации электрического напряжения. Они обычно работают в режиме аномального тлеющего разряда. В качестве параметров для них дают напряжение зажигания Uз, напряжение горения Uг и номинальный ток IН обычно порядка нескольких десятков вольт, но не более 300 В. Условное обозначение и некоторые типы неоновых ламп показаны на рис.17.3.

vak_Pr3

 

Рис. 17.3.

 

Сигнальная и миниатюрная лампы используются для индикации напряжения в трехфазных и однофазных цепях. Неоновая модуляторная лампа применяется в фототелеграфных аппаратах. Ее анод имеет отверстие напротив торца цилиндрического катода. Со стороны анода видна только яркая светящаяся точка. При изменении тока через лампу изменяется яркость свечения катода.

 

17.4. Линейный ионный индикатор

 

Прибор представляет собой стеклянную трубку, по длине которой расположены цилиндрический анод с окном, затянутым сеткой, и стержневой катод, он работает в режиме нормального тлеющего разряда. При изменении тока через прибор линейно меняется длина наблюдаемого через окно светящегося участка катода (изменяется площадь катодного свечения). Имеются индикаторы ИН10, ИН12 с длиной светящейся части 100 мм. и потенциалом зажигания 115 В, измеряющие ток 0¸5 мА. Эти индикаторы могут измерять как переменный ток, так и постоянный ток, имеют яркую световую индикацию, дешевле стрелочных, меньше по весу и габаритам, хотя и уступают стрелочным по точности.

 

17.5. Цифровые индикаторные неоновые лампы

 

Цифровые лампы представляют собой многоэлектродные приборы, катоды выполнены из проволоки, согнутой в форме знаков или арабских цифр от 0 до 9, и один или несколько сетчатых анодов.

Лампы предназначены для индикации выходных данных счетных машин цифровых приборов и т.д. Светящийся катод просвечивает сквозь сетчатый анод. Двуханодная индикаторная лампа ИН6 имеет 10 попарно соединенных катодов. Каждой группе из пяти изолированных катодов соответствует свой анод, что значительно упрощает дешифровку двоичного кода, в котором работает ЭВМ, и отображение в десятичной системе считывания. Лампа ИН14 кроме цифр имеет запятую. Напряжение горения цифровых ламп порядка сотни вольт пр токе 1¸3 мА.

Для работы совместно с полупроводниковыми схемами разработаны цифровые индикаторы с напряжением управления порядка 5 В. Низкое напряжение зажигания обеспечивается специальной технологией изготовления и малым зазором между электродами.

 

17.6. Тиратроны тлеющего разряда

 

Тиратрон тлеющего разряда – это прибор, у которого кроме катода и анода имеются одна или две сетки, управляющих моментом зажигания разряда.

Существует два типа таких тиратронов: тиратрон с управлением по току и тиратрон с управлением по напряжению.

vak_Pr3Принцип устройства тиратрона с управлением по току показан на рис.17.4.

Катод тиратрона выполнен в виде цилиндра, полость которого с одного конца закрыта диафрагмой, выполняющей роль сетки, напротив отверстия которой установлен проволочный анод. Принцип работы тиратрона состоит в следующем. Вначале при подаче на сетку положительного потенциала зажигается разряд между катодом и сеткой. И только когда ток разряда достигнет достаточного значения, разряд перебрасывается на анод. При этом сетка теряет свое управляющее действие, т.к. положительные ионы притягиваются полем сетки и компенсируют ее заряд. Попытки восстановить управляющее действие путем изменения потенциала сетки приводят только к увеличению объемного заряда ионов, а разряд продолжает гореть.

Принцип устройства тиратрона с управлением по току и его характеристика зажигания показаны на рис.17.4. Каждому значению напряжения на аноде соответствует свое значение тока сетки, который растет с уменьшением анодного напряжения.

Тиратроны с управлением по напряжению кроме катода и анода содержат две сетки, одна из которых выполняет роль вспомогательного анода. Катод тиратрона представляет собой пластинку, у которой приварена проволока, изогнутая в центральной части в виде петли. Край петли приходится против отверстия в сетках, изготовленных из никелевых пластин. За сетками размещен анод, выполненный из никелевой проволоки. Все электроды крепятся в слюдяных дисках параллельно оси. Для зажигания основного разряда (катод-анод) необходимо зажечь вспомогательный разряд между катодом и первой сеткой и подать небольшой положительный потенциал на вторую сетку. При этом электроны из плазмы вспомогательного разряда ускоряются полем анода и обеспечивают перебрасывание разряда на анод.

Принцип устройства и характеристика зажигания тиратрона ТХЗВ приведены на рис.17.5.

vak_Pr3
vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 17.5.

 

Характеристика имеет вид кривой с максимумом. На спадающем участке ход кривых зависит от тока первой сетки, с увеличением которого уменьшается напряжение зажигания второй сетки. При значительном уменьшении напряжения на второй сетке зажигается разряд между сетками. Разряд в тиратроне можно зажечь либо изменением токов сеток или напряжения на аноде, либо одновременным изменением любой пары этих величин, либо одновременным изменением всех трех величин, что требует тщательного подбора режима тиратрона и затрудняет его применение.

 

17.7. Декатроны

 

Декатрон – многоэлектродный прибор тлеющего разряда для счета импульсов в десятичной системе с одновременной индикацией показаний.

Он состоит из общего цилиндрического анода, окруженного 30 штырями-катодами, соединенными параллельно группами через два по десять в каждой (рис.17.6).

vak_Pr3
vak_Pr3
vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Декатрон: а – конструкция, б – схематическое изображение,

в – схема включения;

1 – анод, 2 – индикационные катоды,

ПК1 и ПК2 – первые и вторые подкатоды, О – «О»-катод.

 

Рис. 17.6.

 

Первая группа 1К-9К являются индикаторными и соответствуют цифрам от 1 до 9. Они соединены общим кольцом с одним выводом, а катод, регистрирующий «О», снабжен отдельным выводом. Справа от каждого индикаторного катода размещен катод первой группы подкатодов ПК1, слева  - катод второй группы подкатодов ПК2. Таким образом, каждый индикаторный катод отделен от следующего первым и вторым подкатодами. Такой декатрон называется двухимпульсным, так как для перебрасывания разряда с одного индикаторного катода на другой необходимо подавать на подкатоды ПК1 и ПК2 два отрицательных импульса с отставанием на 1-2 мс.

Схема включения двухимпульсного декатрона состоит в основном из резисторов, включенных цепи анода и подкатодов, а также индикаторных катодов и «О»-катода. В исходном состоянии горит разряд между «О»-катодом и анодом, при этом напряжение между анодом и другими катодами ниже напряжения зажигания и разряда между ними нет. Для перебрасывания разряда с «О»-катода на 1К необходимо подать последовательно два импульса на 1ПК и 2ПК. При подаче отрицательного импульса на 1ПК разряд зажигается между ним и анодом, вызывая падение потенциала на аноде, приводящее к гашению разряда на «О»-катод. Второй импульс на 2ПК приводит к зажиганию разряда между анодом и 2ПК, расположенным рядом с 1ПК, окруженным плазмой. После прохождения импульса разряд между анодом и 2ПК гаснет, напряжение на аноде скачком становится выше напряжения зажигания на индикаторных катодах. Разряд может зажечься с анода на любой из этих катодов, однако, он зажигается на ближайший к 2ПК, вокруг которого сохраняется распадающаяся плазма.

Таким образом осуществляется переброс заряда с «О»-катода на 1К. Аналогично происходит переброс разряда на второй и последующие катоды. Если импульсы подавать сначала на 2ПК, а затем на 1ПК, разряд будет перебрасываться в обратном направлении, т.е. будет происходить не суммирование, а вычитание импульсов. В устройствах для счета импульсов применяют 4 и более включенных последовательно декатронов, когда один – считает единицы, второй – десятки, третий – сотни импульсов и т.д. Кроме счетных декатронов имеются декатроны для коммутации или бесконтактного переключения электрических цепей с высокой скоростью коммутации.

Коммутаторный декатрон снабжен выводами от каждого индикаторного катода, к которому подключаются коммутируемые цепи.

В качестве параметров декатронов дают напряжение горения, цвет свечения, частоту переключения, амплитуду переключающих импульсов и др.

 

17.8. Газоразрядные индикаторные панели

 

Газоразрядная индикаторная панель – совокупность единичных газоразрядных ячеек, имеющих общую стеклянную матрицу с отверстиями, образующими рабочие объемы ячеек, и системы взаимно перпендикулярных электродов по обе стороны матрицы.

Пересечения электродов совпадают с отверстиями в матрице, как показано на рис.17.7.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 


               

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 17.7.  Структура ГИП постоянного тока с внешней адресацией:

1 – подложки; 2 – катоды-столбцы; 3 – диэлектрическая матрица;

4 – отверстия; 5 – аноды-строки.

 

Анодные электроды выполнены из прозрачного проводящего материала. Панель герметизирована и наполнена смесью неона и аргона при давлении 150-300 мм.рт.ст. В ячейках горит слаботочный тлеющий разряд с яркостью порядка 160 кд/м2. Взаимное влияние соседних ячеек исключается, если последовательно каждой ячейке включить резистор.

Газоразрядные индикаторные панели подразделяются на три группы: ГИП постоянного тока с внешней адресацией, ГИП с самосканированием, ГИП переменного тока с внутренней памятью. В отдельную группу можно выделить ГИП со знаковой индикацией.

Принцип работы ГИП рассмотрим на примере панели постоянного тока. Как показано на рис.17.7, вертикальные электроды-столбцы выполняют роль катодов, а горизонтальные  - строки – выполняют роль анодов. Когда между строкой и столбцом создается разность потенциалов, превышающая напряжение горения, в перекрестии через отверстие в матрице зажигается разряд, катодное свечение которого просматривается через прозрачный столбец (анод) и верхнюю прозрачную пластину. Обеспечивая соответствующую подачу напряжений на столбцы и строки, можно создать световое отображение информации в виде текста, цифр или графиков.

Обычно ГИП постоянного тока работают с внешним сканированием с частотой порядка 25-50 Гц, когда каждая ячейка зажигается соответствующее число раз в секунду. Уже при частоте 25 Гц глаз не ощущает мигания. Для стабилизации разряда в цепь катодов и анодов включают резисторы и изготавливают панели со встроенными резисторами.

Различают три режима работы ГИП:

- функциональный, когда ячейки возбуждаются и поочередно гаснут после прохождения импульсов;

- построчный, когда одновременно возбуждаются ячейки всей строки, сканирование построчное;

- функциональный с запоминанием, когда разряд возбуждается поочередно с продолжительным горением в ячейках (по одной на каждой строке или столбце), пригоден для отображения графической информации.

 

На рисунке 17.8. показана схема включения ГИП.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 17.8. Схема включения ГИП постоянного тока с внешней

адресацией

 

ГИП с самосканированием обеспечивает устойчивое зажигание разряда от импульса к импульсу и сканирование его по строкам. В конструкцию ГИП введены кроме электродов, показанных на рис.17.7, дополнительные аноды сканирования, размещенные в канавках стеклянной пластины (см. рис. 17.9), в катодах выполнены отверстия связи, и введены также дежурные электроды и катод сброса. Сканирование разряда происходит по принципу перебрасывания разряда в декатроне, когда роль подкатодов выполняют аноды и катоды сканирования.

Для формирования изображения используется индикаторный разряд, возникающий в отверстиях диэлектрической матрицы при подаче на аноды положительных импульсов. Дежурные электроды и катод сброса введены, чтобы начать сканирование, когда разряд доходит до последнего катода сканирования.

Наиболее часто ГИП с самосканированием используются для отображения буквенно-цифровой информации.

vak_Pr3

 

Рис. 17.9. Электродная структура ГИП с самосканированием:

1 – аноды сканирования; 2 – электроды дежурного разряда;

3 – катод сброса; 4 – диэлектрическая матрица с отверстиями; 5 – аноды индикации; 6 – переднее стекло;

7 – отверстия связи; 8 – катоды сканирования;

9 – стеклянная пластина; 10 – канавки.

 

ГИП переменного тока представляют такую же матричную конструкцию, что и панели постоянного тока (рис.17.7) с перпендикулярными электродами, но в отличие последних, их катоды и аноды покрыты тонким слоем диэлектрика. Каждая ячейка этих панелей представляет собой структуру металл-диэлектрик-газ-диэлектрик-металл и является последовательно соединенными двумя емкостями, через которые может протекать только переменный ток.

Принцип работы ГИП переменного тока иллюстрируется диаграммами напряжений и токов, приведенных на рис.17.10. В рабочем состоянии между строками и столбцами приложено знакопеременное поддерживающее напряжение, меньшее напряжения возникновения разряда. Возбуждение разряда в ячейке производится подачей на катод отрицательного импульса напряжения, амплитуда которого достаточна для зажигания разряда. В результате протекания тока емкости структуры заряжаются до Uз1, а величина приложенного к газовому промежутку падает, разряд гаснет и ток прекращается.

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 17.10.

 

При возвращении газового промежутка в непроводящее состояние на емкостях сохраняются накопленные заряды, обеспечивающие разность потенциалов Uз1(t2 – t3). В отрезок времени (t3 – t4) к промежутку прикладывается положительное поддерживающее напряжение. В сумме с напряжением Uз1, сохраняющемся на емкостях, оно достаточно для повторного зажигания разряда.

В интервале (t3 – t4) протекание тока приводит к перезарядке емкостей до Uз2 противоположной полярности. При этом напряжение на ячейке изменяется на DUз2. Таким образом, пока к ГИП приложено поддерживающее напряжение в ячейке, возбужденной импульсами записи, существуют серии разнополярных импульсов тока разряда (t5 – t6; tn – tn+1). Наличие емкостей в структуре каждой ячейки обеспечивает электрическую развязку и возможность параллельного разряда в любом числе ячеек. Однако в ГИП переменного тока, как и в любой матричной системе, выборка одновременно может осуществляться только для ограниченного числа строк или столбцов. Для прекращения разряда на данную ячейку (на ее строку или столбец) подается импульс «стирание» UK с амплитудой меньшей, чем при записи. Конечное значение напряжения на емкости Uсост  оказывается  близким к нулю. Очередной импульс поддерживающего напряжения не может вызвать повторного зажигания, и серия разрядов в ячейке прекращается.

 

Кроме рассмотренных типов газоразрядных панелей разрабатываются двух и трехцветные панели. Тот или иной цвет задается режимом разряда в смеси газов и применением люминофора с необходимым цветом свечения, наносимым на аноды или на переднюю пластину в виде точек.

Для визуализации картины дефектов при электронной дефектоскопии разработаны газоразрядные панели нематричного типа, представляющие собой две пластины, покрытые проводящими покрытиями, одно из которых прозрачно. Объем между пластинами герметизирован и наполнен инертным газом. На покрытия подается напряжение, близкое к пробивному, и разряд зажигается только при облучении панели g-лучами, причем яркость свечения пропорциональна интенсивности этих лучей, обеспечивает визуализацию дефектов, обходясь без схем сканирования.

 

 

17.9. Разрядники

 

Разрядники  связи предназначены для защиты от перенапряжений линий связи, обмоток трансформаторов и т.д. Если напряжение на линии становится больше напряжения зажигания, в разряднике развивается тлеющий или дуговой разряд, его сопротивление падает, и весь ток при перенапряжении проходит через разрядник, минуя защищаемую цепь. После снятия перенапряжения разрядник восстанавливает свое сопротивление и может выполнять функции защиты многократно.

В качестве маломощных разрядников тлеющего разряда могут использоваться неоновые лампы. В разрядниках дугового разряда разряд зажигается между стальными полусферами, активированными барием или алюминиевыми пластинами.

Основные параметры разрядника РБ-350: время зажигания 200 мкс, напряжение зажигания 350 В, напряжение горения 10 В, ток разряда 30 А.

 

Резонансные разрядники СВЧ применяются для защиты входа радиолокационного приемника от перегрузки при излучении передатчиком зондирующего импульса мощности в несколько мегаватт. Их устанавливают в антенные переключатели на расстоянии, кратном ¼  длины волны от антенного фидера. Разрядник состоит из стеклянного баллона 1, наполненного парами воды с примесью водорода, и дисков 2 и 3, впаянных в стекло. Диски соединяются с объемным резонатором, настроенным на частоту передатчика. Через петли связи 5 и 6 резонатор связан с антенной и приемником. Дополнительный электрод 7, введенный в разрядник, уменьшает время развития высокочастотного разряда, если между ним и диском зажечь тлеющий разряд.

 

vak_Pr3
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 17.11. Схема включения резонансного разрядника:

1 – баллон; 2,3 – диски; 5,6 – петли связи; 7 – дополнительный электрод.

 

При прохождении импульса от передатчика в объемном резонаторе развивается большое напряжение, зажигается ВЧ-разряд, закорачивая четвертьволновую линию. Эта линия становится участком с большим сопротивлением, через который мощность от передатчика  не  может  пройти  к  приемнику. Время зажигания разряда 10-9с, а время деионизации 1-2 мкс. Если отраженный импульс придет раньше, чем произойдет деионизация, то он не попадет на вход приемника, так как все еще будет  закорочен разрядником. Поэтому время деионизации определяет минимальное расстояние до цели, которое может измерить радиолокационная станция. После деионизации слабый принимаемый сигнал недостаточен для зажигания разряда и пройдет на вход приемника. Допустимый ток разряда 10-20А при напряжении ~100 В. Для перестройки разрядника на другую частоту приходится механически изменять объем резонатора.

 

 

 

 

 

 

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика