Катоден лъчев осцилоскоп | CRO
Какво е катоден лъчев осцилоскоп?
Катоден лъчев осцилоскоп (CRO) е инструмент, обикновено използван в лабораторията за показване, измерване и анализ на различни форми на сигнали в електрически цепи. Катодният лъчев осцилоскоп е много бърз X-Y чертежник, който може да показва входящ сигнал спрямо времето или друг сигнал.
Катодните лъчеви осцилоскопи използват светещи точки, които се произвеждат от удара на електронния лъч, и тази светеща точка се движи в отговор на вариациите в входящата величина. В този момент трябва да се постави въпрос, защо използваме само електронен лъч? Причината зад това е ниския ефект на лъча от електрони, който може да се използва за следване на промените в моментните стойности на бързо променящата се входяща величина. Общите форми на катодния лъчев осцилоскоп работят на направления.
Така че входящата величина, за която говорихме по-горе, е напрежение. Днес, с помощта на преобразуватели, е възможно да се конвертират различни физически величини като ток, налягане, ускорение и др. в напрежение, което ни позволява да имаме визуални представяния на тези различни величини на катоден лъчев осцилоскоп. Сега нека разгледаме конструктивните детайли на катодния лъчев осцилоскоп.
Конструкция на катоден лъчев осцилоскоп
Основната част на катодния лъчев осцилоскоп е катодната лъчева тръба, която е известна и като сърцето на катодния лъчев осцилоскоп.
Нека разгледаме конструкцията на катодната лъчева тръба, за да разберем конструкцията на катодния лъчев осцилоскоп. Основно катодната лъчева тръба се състои от пет основни части:
Електронна пушка
Система от отклоняващи платки
Флуоресцентен екран
Стъклена обвивка
База
Ще ви трябват всички 5 от тези компоненти, за да изградите собствения си DIY осцилоскоп. Ще обсъдим сега тези 5 компонента подробно:
Електронна пушка:
Тя е източника на ускорени, заредени и фокусирани електронни лъчи. Тя се състои от шест части, а именно нагревател, катод, решетка, предварително ускоряващ анод, фокусиращ анод и ускоряващ анод. За да се получи висока емисия на електрони, слой от бариев оксид (който е нанесен в края на катода) се нагрява непосредствено при умерена температура. Електроните след това преминават през малка дупка, наречена контролна решетка, която е направена от никел. Както подсказва името, контролната решетка с нейното отрицателно напрежение контролира броя на електроните или, косвено, интензитета на емитирания от катода поток от електрони. След преминаването през контролната решетка тези електрони се ускоряват с помощта на предварително ускоряващ и ускоряващ анод. Предварително ускоряващият и ускоряващият анод са свързани с обща положителна потенциала от 1500 волта.
Сега, след това функцията на фокусиращия анод е да фокусира произведените електронни лъчи. Фокусиращият анод е свързан с регулируемо напрежение от 500 волта. Сега има два метода за фокусиране на електронния лъч, които са описани по-долу:
Електростатично фокусиране.
Електромагнитно фокусиране.
Тук ще обсъдим подробно електростатичния метод на фокусиране.
Електростатично фокусиране
Знаем, че силата върху един електрон е дадена от – qE, където q е зарядът на електрона (q = 1.6 × 10-19 C), E е електричното поле и отрицателният знак показва, че посоката на силата е в противоположна посока на електричното поле. Сега ще използваме тази сила, за да деформираме лъча от електрони, излизащ от електронната пушка. Нека разгледаме два случая:
Първи случай
В този случай имаме две платки A и B, както е показано на фигурата.
Платката A е на потенциал +E, докато платката B е на потенциал –E. Посоката на електричното поле е от платка A към платка B, перпендикулярна към повърхностите на платките. Еквипотенциалните повърхности също са показани на диаграмата, които са перпендикулярни на посоката на електричното поле. Когато лъчът от електрони преминава през тази система от платки, той се деформира в противоположна посока на електричното поле. Угълът на деформация лесно може да се промени, като се промени потенциалът на платките.
Втори случай
Тук имаме два концентрични цилиндъра с потенциална разлика, приложена между тях, както е показано на фигурата.
Резултантната посока на електричното поле и еквипотенциалните повърхности също са показани на фигурата. Еквипотенциалните повърхности са маркирани с пунктираните линии, които са извити. Сега тук сме заинтересовани да изчислим ъгъла на деформация на електронния лъч, когато той преминава през тази извита еквипотенциална повърхност. Нека разгледаме извитата еквипотенциална повърхност S, както е показано по-долу. Потенциалът от дясната страна на повърхността е +E, докато потенциалът от лявата страна на повърхността е –E. Когато лъч от електрони попада под ъгъл A към нормалата, той се деформира под ъгъл B след преминаването през повърхността S, както е показано на фигурата по-долу. Нормалната компонента на скоростта на лъча ще се увеличи, тъй като силата действа в посока, нормална към повърхността. Това означава, че тангенциалните скорости ще останат същите, така че, като приравним тангенциалните компоненти, имаме V1sin (A) = V2sin(B), където V1 е началната скорост на електроните, V2 е скоростта след преминаването през повърхността. Сега имаме връзка като sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
От горното уравнение виждаме, че има изкривяване на електронния лъч след преминаването през еквипотенциалната повърхност. Затова тази система също се нарича фокусираща система.
Електростатично отклонение
За да намерим израза за отклонението, нека разгледаме система, както е показано по-долу:
В горната система имаме две платки A и B, които са на потенциал +E и 0 съответно. Тези платки също се наричат отклоняващи платки. Полето, произведено от тези платки, е в посока на положителната y ос, и няма сила във посока на x-ос. След отклоняващите платки имаме екран, чрез който можем да измерим общото отклонение на електронния лъч. Сега нека разгледаме лъч от електрони, идващ по x-ос, както е показано на фигурата. Лъчът се отклонява под ъгъл A, поради наличието на електрично поле, и отклонението е в положителната посока на y-ос, както е показано на фигурата. Сега нека изведем израз за отклонението на този лъч. По законите на запазване на енергията, загубата на потенциална енергия, когато електронът се движи от катод до ускоряващия анод, трябва да е равна на печелившата кинетична енергия на електрона. Математически можем да запишем,
Където, e е зарядът на електрона,
E е потенциалната разлика между двете платки,
m е масата на електрона,
и v е скоростта на електрона.
Така, eE е загубата в потенциална енергия, а 1/2mv1/2 е печелившата кинетична енергия.
От уравнение (1) имаме скоростта v = (2eE/m)1/2.
Сега имаме електрично поле по y-ос, което е E/d, затова силата, действаща по y-ос, е дадена от F = eE/d, където d е разстоянието между двете отклоняващи платки.
В резултат на тази сила електронът ще се отклони по y-ос, и нека отклонението по y-ос е равно на D, което е маркирано на екрана, както е показано на фигурата. В резултат на силата F има общо вертикално ускорение на електрона по положителната y-ос, и това ускорение е дадено от Ee/(d × m). Тъй като началната скорост по положителната y-ос е нула, то по уравненията на движението можем да запишем израза за преместването по y-ос, като,
Тъй като скоростта по x-ос е постоянна, то можем да запишем преместването, като,
