Oscilloscope à rayons cathodiques | CRO

Qu'est-ce qu'un Oscilloscope à Rayons Cathodiques?

Un Oscilloscope à Rayons Cathodiques (ORC) est un instrument généralement utilisé en laboratoire pour afficher, mesurer et analyser diverses formes d'onde de circuits électriques. Un oscilloscope à rayons cathodiques est un traceur X-Y très rapide qui peut afficher un signal d'entrée en fonction du temps ou d'un autre signal.

Les oscilloscopes à rayons cathodiques utilisent des points lumineux produits par le faisceau d'électrons, et ce point lumineux se déplace en réponse aux variations de la quantité d'entrée. À ce moment, une question doit nous venir à l'esprit : pourquoi n'utilisons-nous qu'un faisceau d'électrons ? La raison en est les faibles effets du faisceau d'électrons qui peuvent être utilisés pour suivre les changements dans les valeurs instantanées d'une quantité d'entrée rapidement variable. Les formes générales d'oscilloscopes à rayons cathodiques fonctionnent sur des tensions.

La quantité d'entrée dont nous avons parlé ci-dessus est donc la tension. De nos jours, grâce aux transducteurs, il est possible de convertir diverses grandeurs physiques comme le courant, la pression, l'accélération, etc., en tension, ce qui nous permet d'avoir des représentations visuelles de ces différentes grandeurs sur un oscilloscope à rayons cathodiques. Examinons maintenant les détails de construction de l'oscilloscope à rayons cathodiques.

Construction de l'Oscilloscope à Rayons Cathodiques

La partie principale de l'oscilloscope à rayons cathodiques est le tube à rayons cathodiques, également connu sous le nom de cœur de l'oscilloscope à rayons cathodiques.

Examinons la construction du tube à rayons cathodiques afin de comprendre la construction de l'oscilloscope à rayons cathodiques. Le tube à rayons cathodiques se compose essentiellement de cinq parties principales :

1. Canon électronique

2. Système de plaques de déviation

3. Écran fluorescent

4. Enveloppe de verre

5. Base

Vous aurez besoin de ces 5 composants pour construire votre propre oscilloscope DIY. Nous allons maintenant discuter en détail de ces 5 composants :

Canon Électronique :
C'est la source du faisceau d'électrons accéléré, énergisé et focalisé. Il se compose de six parties, à savoir : le chauffage, la cathode, la grille, l'anode pré-accélérateur, l'anode de focalisation et l'anode d'accélération. Afin d'obtenir une émission élevée d'électrons, la couche d'oxyde de baryum (qui est déposée sur l'extrémité de la cathode) est chauffée indirectement à température modérée. Les électrons passent ensuite à travers un petit trou appelé grille de contrôle, fabriqué en nickel. Comme son nom l'indique, la grille de contrôle, avec sa polarisation négative, contrôle le nombre d'électrons ou, indirectement, l'intensité des électrons émis par la cathode. Après avoir passé la grille de contrôle, ces électrons sont accélérés avec l'aide des anodes pré-accélérateur et d'accélération. Les anodes pré-accélérateur et d'accélération sont connectées à un potentiel positif commun de 1500 volts.

Maintenant, après cela, la fonction de l'anode de focalisation est de focaliser le faisceau d'électrons ainsi produit. L'anode de focalisation est connectée à une tension ajustable de 500 volts. Il existe deux méthodes de focalisation du faisceau d'électrons, qui sont décrites ci-dessous :

1. Focalisation électrostatique.

2. Focalisation électromagnétique.

Nous allons maintenant discuter en détail de la méthode de focalisation électrostatique.

Focalisation Électrostatique
Nous savons que la force sur un électron est donnée par – qE, où q est la charge de l'électron (q = 1,6 × 10-19 C), E est l'intensité du champ électrique, et le signe négatif indique que la direction de la force est opposée à celle du champ électrique. Utilisons maintenant cette force pour dévier le faisceau d'électrons sortant du canon électronique. Considérons deux cas :

Cas Un
Dans ce cas, nous avons deux plaques A et B comme montré dans la figure.

La plaque A est à un potentiel +E tandis que la plaque B est à un potentiel –E. La direction du champ électrique va de la plaque A à la plaque B, perpendiculairement aux surfaces des plaques. Les surfaces équipotentielles sont également montrées dans le diagramme, qui sont perpendiculaires à la direction du champ électrique. Lorsque le faisceau d'électrons passe à travers ce système de plaques, il se dévie dans la direction opposée au champ électrique. L'angle de déviation peut être facilement modifié en changeant le potentiel des plaques.

Cas Deux
Ici, nous avons deux cylindres concentriques avec une différence de potentiel appliquée entre eux, comme montré dans la figure.

La direction résultante du champ électrique et les surfaces équipotentielles sont également montrées dans la figure. Les surfaces équipotentielles sont marquées par des lignes en pointillés, qui sont courbes. Maintenant, nous sommes intéressés à calculer l'angle de déviation du faisceau d'électrons lorsqu'il passe à travers cette surface équipotentielle courbe. Considérons la surface équipotentielle S comme montrée ci-dessous. Le potentiel à droite de la surface est +E tandis que le potentiel à gauche de la surface est –E. Lorsqu'un faisceau d'électrons est incident à un angle A par rapport à la normale, il se dévie d'un angle B après avoir passé la surface S, comme montré dans la figure ci-dessous. La composante normale de la vitesse du faisceau augmentera car la force agit dans la direction normale à la surface. Cela signifie que les vitesses tangentielles resteront les mêmes, donc en égalant les composantes tangentielles, nous avons V1sin(A) = V2sin(B), où V1 est la vitesse initiale des électrons, V2 est la vitesse après avoir passé la surface. Nous avons donc la relation sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Nous pouvons voir, à partir de l'équation ci-dessus, qu'il y a un pliage du faisceau d'électrons après avoir passé la surface équipotentielle. Par conséquent, ce système est également appelé système de focalisation.

Déviation Électrostatique
Pour trouver l'expression de la déviation, considérons un système comme celui montré ci-dessous:


Dans le système ci-dessus, nous avons deux plaques A et B qui sont à un potentiel +E et 0 respectivement. Ces plaques sont également appelées plaques de déviation. Le champ produit par ces plaques est dans la direction de l'axe y positif et il n'y a pas de force le long de l'axe x. Après les plaques de déviation, nous avons un écran à travers lequel nous pouvons mesurer la déviation nette du faisceau d'électrons. Considérons maintenant un faisceau d'électrons venant le long de l'axe x, comme montré dans la figure. Le faisceau se dévie d'un angle A, en raison de la présence du champ électrique, et la déviation est dans la direction positive de l'axe y, comme montré dans la figure. Déduisons maintenant une expression pour la déviation de ce faisceau. Par conservation de l'énergie, nous avons la perte d'énergie potentielle lorsque l'électron se déplace de la cathode à l'anode d'accélération qui doit être égale à la gaine d'énergie cinétique de l'électron. Mathématiquement, nous pouvons écrire,

Où, e est la charge de l'électron,
E est la différence de potentiel entre les deux plaques,
m est la masse de l'électron,
et v est la vitesse de l'électron.
Ainsi, eE est la perte d'énergie potentielle et 1/2mv1/2 est la gaine d'énergie cinétique.
À partir de l'équation (1), nous avons la vitesse v = (2eE/m)1/2.
Maintenant, nous avons l'intensité du champ électrique le long de l'axe y qui est E/d, donc la force agissant le long de l'axe y est donnée par F = eE/d, où d est la séparation entre les deux plaques de déviation.
En raison de cette force, l'électron se déviera le long de l'axe y et laiss