Kathodestraloskop | CRO

Hvad er en katodestraloskop?

En katodestraloskop (CRO) er et instrument, der typisk bruges i laboratorier til at vise, måle og analysere forskellige bølgeformer af elektriske kredsløb. En katodestraloskop er en meget hurtig X-Y plotter, der kan vise et indgående signal over for tid eller et andet signal.

Katodestraloskoper anvender lysende punkter, der oprettes ved at ramme strålen af elektroner, og dette lysende punkt bevæger sig i respons på variationer i det indgående mængde. I denne situation skal vi nok undre os, hvorfor vi kun bruger en elektronstråle? Grunden til dette er de lave effekter af elektronstrålen, som kan bruges til at følge ændringer i de øjeblikkelige værdier af hurtigt skiftende indgående mængder. De generelle former for katodestraloskoper fungerer med spændinger.

Så den indgående mængde, vi har talt om ovenfor, er spænding. I dag kan man med hjælp fra overførere konvertere forskellige fysiske størrelser som strøm, tryk, acceleration osv. til spænding, hvilket gør det muligt for os at have visuelle repræsentationer af disse forskellige størrelser på en katodestraloskop. Lad os nu se på konstruktionen af katodestraloskopet.

Konstruktion af katodestraloskop

Den hoveddel af katodestraloskopet er katodestralrøret, også kendt som hjertet af katodestraloskopet.

Lad os diskutere konstruktionen af katodestralrøret for at forstå konstruktionen af katodestraloskopet. Katodestralrøret består grundlæggende af fem hoveddele:

1. Elektronkanon

2. Afledningssystem af plader

3. Fluorescerende skærm

4. Glasomhuus

5. Bund

Du vil have brug for alle 5 af disse komponenter for at bygge din egen DIY-oscilloskop. Vi vil nu diskutere disse 5 komponenter i detaljer:

Elektronkanon:
Det er kilden til den accelererede, energiserede og fokuserede stråle af elektroner. Den består af seks dele, nemlig varmekilde, katode, grid, præ-accelererende anode, fokuserende anode og accelererende anode. For at opnå høj emission af elektroner bliver laget af bariumoksid (som er deponeret på enden af katoden) indirekte opvarmet til moderat temperatur. Elektronerne passer derefter gennem et lille hul kaldet kontrolgrid, der er lavet af nikkel. Som navnet antyder, kontrollerer kontrolgridet med sin negative bias, antallet af elektroner eller indirekte kan vi sige intensiteten af udsendte elektroner fra katoden. Efter at være passerede gennem kontrolgridet bliver disse elektroner accelereret med hjælp fra præ-accelererende og accelererende anoder. Præ-accelererende og accelererende anoder er forbundet til en fælles positiv potentiel på 1500 volt.

Nu efter dette er funktionen af fokuserende anode at fokusere strålen af elektroner, der er produceret. Fokuserende anode er forbundet til justerbart spænding på 500 volt. Nu er der to metoder til at fokusere elektronstrålen, og de er skrevet nedenfor:

1. Elektrostatiske fokusering.

2. Elektromagnetisk fokusering.

Her vil vi diskutere elektrostatisk fokuseringsmetode i detaljer.

Elektrostatisk fokusering
Vi ved, at kraften på en elektron er givet ved – qE, hvor q er ladningen på elektron (q = 1.6 × 10-19 C), E er elektrisk felt intensitet, og negativ fortegn viser, at retningen af kraften er i modsat retning til elektrisk felt. Nu vil vi bruge denne kraft til at defektere strålen af elektroner, der kommer ud af elektronkanonen. Lad os overveje to tilfælde:

Tilfælde Et
I dette tilfælde har vi to plader A og B, som vist på figuren.

Pladen A er ved potentiale +E, mens plade B er ved potentiale –E. Retningen af elektrisk felt er fra A-plade til B-plade vinkelret på overfladerne af pladerne. Ligepotentialoverfladerne er også vist på diagrammet, som er vinkelret på retningen af elektrisk felt. Da strålen af elektron passer gennem dette pladesystem, deflecterer den i modsat retning af elektrisk felt. Deflectionsvinklen kan let variere ved at ændre potentielt af pladerne.

Tilfælde To
Her har vi to concentriske cylindre med en potentiaforskels anvendt mellem dem, som vist på figuren.

Den resulterende retning af elektrisk felt og ligepotentialoverfladerne er også vist på figuren. Ligepotentialoverfladerne er markeret af prikkede linjer, som er buede i form. Her er vi interesseret i at beregne deflectionsvinklen af elektronstrålen, når den passer gennem denne buede ligepotentialoverflade. Lad os overveje den buede ligepotentialoverflade S, som vist nedenfor. Potentialet på højre side af overfladen er +E, mens potentialet på venstre side af overfladen –E. Når en stråle af elektron er incident i vinkel A til normalen, så deflecterer den i vinkel B efter at være passeret gennem overfladen S, som vist på figuren nedenfor. Den normale komponent af hastighed af strålen vil øges, da kraft virker i en retning normal til overfladen. Det betyder, at tangentielle hastigheder vil forblive de samme, så ved at sætte tangentielle komponenter lige, har vi V1sin (A) = V2sin(B), hvor V1 er den initielle hastighed af elektroner, V2 er hastigheden efter at være passeret gennem overfladen. Nu har vi relationen som sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Vi kan fra ovenstående ligning se, at der er bøjning af elektronstrålen efter at være passeret gennem ligepotentialoverfladen. Derfor kaldes dette system også for fokuseringssystem.

Elektrostatiske afledning
For at finde udtrykket for afledning, lad os overveje et system, som vist nedenfor:


I det ovenstående system har vi to plader A og B, som er ved potentiale +E og 0 henholdsvis. Disse plader kaldes også for afledningsplader. Feltet, der er produceret af disse plader, er i retningen af positiv y-akse, og der er ingen kraft langs x-aksen. Efter afledningsplader har vi skærm, gennem hvilken vi kan måle nettoafledning af elektronstrålen. Lad os nu overveje en stråle af elektron, der kommer langs x-aksen, som vist på figuren. Strålen deflecterer i vinkel A, pga. tilstedeværelsen af elektrisk felt, og afledningen er i den positive retning af y-aksen, som vist på figuren. Lad os nu udlede et udtryk for afledning af denne stråle. Ved bevaring af energi, har vi tabet i potentiell energi, når elektronet bevæger sig fra katode til accelererende anode, skal være lig med vindstigningen i kinetisk energi af elektron. Matematisk kan vi skrive,

Hvor, e er ladningen på elektron,
E er potentiaforskel mellem de to plader,
m er massen af elektron,
og v er hastigheden af elektron.
Derved, eE er tabet i potentiell energi, og 1/2mv1/2 er vindstigningen i kinetisk energi.
Fra ligning (1) har vi hastighed v = (2eE/m)1/2.
Nu har vi elektrisk felt intensitet langs y-aksen er E/d, derfor er kraften, der virker langs y-aksen givet ved F = eE/d, hvor d er separationen mellem de to afledningsplader.
Pga. denne kraft vil elektronet deflectere langs y-aksen, og lad afledningen langs y-aksen være lig med D, som er markeret på skærmen, som vist på figuren. Pga. kraften F er der en netto opadgående acceleration af elektronet langs positiv y-akse, og denne acceleration er givet ved Ee/(d × m). Da den initielle hastighed langs positiv y-retning er nul, kan vi ved ligningen for bevægelse skrive udtrykket for forskydning langs y-aksen som,

Da hastigheden langs x-retningen er konstant, kan vi skrive forskydningen som,

Hvor, u er hastigheden af elektron langs x-aksen.
Fra ligninger 2 og 3 har vi,

Som er ligningen for banen af elektron. Nu ved at differentiere ligning 4 har vi hældning dvs.

Hvor, l er længden af pladen.
Afledning på skærmen kan beregnes som,

Afstand L er vist på figuren ovenfor. Det endelige udtryk for D kan skrives som,

Fra udtrykket for afledning, kan vi beregne afledningssensitivitet som,