Oscilograf s katodno-zračnim cijevima | CRO
Što je katodno zracna osciloskopija
Katodno zracna osciloskopija (CRO) je instrument općenito korišten u laboratoriju za prikaz, mjerenje i analizu različitih valnih oblika električnih krugova. Katodno zracna osciloskopija je vrlo brz X-Y plotter koji može prikazati ulazni signal u odnosu na vrijeme ili drugi signal.
Katodne zračne osciloskopije koriste svjetle točke koje se stvaraju udaranjem elektronskog zraka, a ova svjetla točka se pomiče u odgovarajućoj varijaciji ulazne veličine. U ovom trenutku mora se postaviti pitanje zašto koristimo samo elektronski zrak? Razlog za to je nizak utjecaj zraka elektrona koji se može koristiti za praćenje promjena u trenutnim vrijednostima brzo promjenljive ulazne veličine. Opće forme katodne zračne osciloskopije funkcioniraju na naponima.
Dakle, ulazna veličina o kojoj smo govorili iznad je napon. Danas, s pomoću pretvarača, moguće je pretvoriti različite fizikalne veličine poput struje, tlaka, akceleracije itd. u napon, što nam omogućuje vizualne prikaze tih različitih veličina na katodnoj zračnoj osciloskopiji. Sada pogledajmo konstrukcijske detalje katodne zračne osciloskopije.
Konstrukcija katodne zračne osciloskopije
Glavni dio katodne zračne osciloskopije je katodna zračna cijev koja je poznata kao srce katodne zračne osciloskopije.
Razmotrimo konstrukciju katodne zračne cijevi kako bismo razumjeli konstrukciju katodne zračne osciloskopije. Osnovno, katodna zračna cijev sastoji se od pet glavnih dijelova:
Elektronsko oružje
Sustav defleksnih ploča
Fluorescentni zaslon
Staklena omotača
Baza
Potrebit ćete sve 5 ovih komponenti da biste izgradili svoju vlastitu DIY osciloskopiju. Sada ćemo detaljno raspraviti o ovim 5 komponentama:
Elektronsko oružje:
To je izvor ubrzanih, energiziranih i fokusiranih zraka elektrona. Sastoji se od šest dijelova, a to su zagrijivač, katoda, mreža, pre-accelerating anoda, fokusirajuća anoda i ubrzavajuća anoda. Da bi se dobio visok emisija elektrona, sloj barijum oksida (koji je nanet na katodu) se neizravno zagrijava na umjerenu temperaturu. Elektroni nakon toga prođu kroz malu rupu zvana kontrolna mreža koja je izrađena od niklja. Kao što naziv sugerira, kontrolna mreža s negativnim polarnim potencijalom, kontrolira broj elektrona ili indirektno intenzitet emitiranih elektrona sa katode. Nakon prolaska kroz kontrolnu mrežu, ti elektroni se ubrzavaju uz pomoć pre-accelerating i ubrzavajuće anode. Pre-accelerating i ubrzavajuća anoda su spojene na zajednički pozitivni potencijal od 1500 volti.
Sada, nakon toga, funkcija fokusirajuće anode je fokusirati zrak elektrona koji je proizveden. Fokusirajuća anoda je spojena na prilagodljivi napon od 500 volti. Sada postoje dvije metode fokusiranja elektronskog zraka, a one su navedene ispod:
Elektrostatičko fokusiranje.
Elektromagnetsko fokusiranje.
Ovdje ćemo detaljno raspraviti o elektrostatičkom metodu fokusiranja.
Elektrostatičko fokusiranje
Znamo da je sila na elektron dana s -qE, gdje q predstavlja naboj na elektronu (q = 1,6 × 10-19 C), E je intenzitet električnog polja, a negativan znak pokazuje da je smjer sile suprotan smjeru električnog polja. Sada ćemo tu silu koristiti za defleksiju zraka elektrona koji dolaze iz elektronskog oružja. Razmotrimo dva slučaja:
Slučaj jedan
U ovom slučaju imamo dvije ploče A i B kao što je prikazano na slici.
Ploča A je na potencijalu +E dok je ploča B na potencijalu –E. Smjer električnog polja ide od ploče A do ploče B pod pravim kutom prema površinama ploča. Ekvi-potencijalne površine također su prikazane na dijagramu, okomite na smjer električnog polja. Kako zrak elektrona prođe kroz ovaj sustav ploča, defleksi se u suprotnom smjeru električnog polja. Kut defleksije lako se može mijenjati mijenjanjem potencijala ploča.
Slučaj drugi
Ovdje imamo dva koncentrična cilindra s potencijalnom razlikom primjenjenom između njih, kao što je prikazano na slici.
Rezultantni smjer električnog polja i ekvi-potencijalne površine također su prikazani na slici. Ekvipotencijalne površine su označene točkastim linijama koje su zakrivljene. Sada smo zainteresirani za izračunavanje kuta defleksije zraka elektrona kad prođe kroz ovu zakrivljenu ekvipotencijalnu površinu. Razmotrimo zakrivljenu ekvipotencijalnu površinu S prikazanu ispod. Potencijal desne strane površine je +E, dok je potencijal lijeve strane površine –E. Kada zrak elektrona padne pod kutom A na normalu, defleksira će se pod kutom B nakon prolaska kroz površinu S, kao što je prikazano na donjem dijagramu. Normalna komponenta brzine zraka će porasti jer se sila javlja u smjeru normalnom površini. To znači da tangencijalne brzine ostaju iste, pa jednakost tangencijalnih komponenti imamo V1sin (A) = V2sin(B), gdje V1 predstavlja početnu brzinu elektrona, V2 je brzina nakon prolaska kroz površinu. Sada imamo relaciju sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Iz gornje jednadžbe vidimo da se događa savijanje zraka elektrona nakon prolaska kroz ekvipotencijalnu površinu. Stoga se ovaj sustav također naziva fokusirajući sustav.
Elektrostatička defleksija
Kako bismo pronašli izraz za defleksiju, razmotrimo sustav prikazan ispod:
U gornjem sustavu imamo dvije ploče A i B koje su na potencijalu +E i 0 redom. Ove ploče se također zovu defleksione ploče. Polje proizvedeno ovim pločama smjeruje se u smjeru pozitivne y osi, a nema sile duž x osi. Nakon defleksionih ploča imamo zaslon kroz koji možemo mjeriti neto defleksiju zraka elektrona. Sada razmotrimo zrak elektrona koji dolazi duž x osi, kao što je prikazano na slici. Zrak defleksira pod kutom A zbog prisutnosti električnog polja, a defleksija je u pozitivnom smjeru y osi, kao što je prikazano na slici. Sada izvedimo izraz za defleksiju ovog zraka. Konzervacijom energije, imamo gubitak u potencijalnoj energiji kada elektron pomakne s katode na ubrzavajuću anodu treba biti jednak dobiti u kinetičkoj energiji elektrona. Matematički možemo napisati,
Gdje, e je naboj na elektronu,
E je potencijalna razlika između dvije ploče,
m je masa elektrona,
i v je brzina elektrona.
Dakle, eE je gubitak u potencijalnoj energiji, a 1/2mv1/2 je dobit u kinetičkoj energiji.
Iz jednadžbe (1) imamo brzinu v = (2eE/m)1/2.
Sada imamo intenzitet električnog polja duž y osi je E/d, stoga je sila koja djeluje duž y osi dana s F = eE/d, gdje d je razmak između dvije defleksione ploče.
Zbog te sile elektron će defleksirati duž y osi, a neka defleksija duž y osi bude jednaka D, koja je označena na zaslonu, kao što je prikazano na slici. Zbog sile F postoji neto uspon elektrona duž pozitivne y osi, a ta akceleracija je dana s Ee/(d × m). Budući da je početna brzina duž pozitivne y osi nula, jednadžbom gibanja možemo napisati izraz za pomak duž y osi kao,
Kako je brzina duž x osi konstantna, možemo napisati pomak kao,
Gdje, u je brzina elektrona duž x osi.
Iz jednadžbi 2 i 3 imamo,
To je jednadžba putanje elektrona. Sada diferenciranjem jednadžbe 4 imamo nagib tj.
Gdje, l je duljina ploče.
Defleksiju na zaslonu možemo izračunati kao,
