カソード線オシロスコープ | CRO

カソード線オシロスコープとは

カソード線オシロスコープ（CRO）は、一般的に実験室で使用され、さまざまな波形を表示、測定、分析するための装置です。電気回路の。カソード線オシロスコープは非常に高速なX-Yプロッターであり、入力信号と時間または他の信号との関係を表示することができます。

カソード線オシロスコープは、電子ビームが衝突して発生する輝点を使用し、この輝点は入力量の変化に応じて動きます。ここで、なぜ電子ビームのみを使用するのかという疑問が生じるかもしれません。その理由は、電子ビームの影響が低く、瞬時に変化する入力量の変化を追跡するために使用できるからです。一般的なカソード線オシロスコープは、電圧で動作します。

したがって、上で述べた入力量は電圧です。現在では、変換器を使用することで、電流、圧力、加速度などの様々な物理量を電圧に変換することが可能になり、これによりこれらの様々な量の視覚的な表現をカソード線オシロスコープ上に表示することができます。次に、カソード線オシロスコープの構造について見てみましょう。

カソード線オシロスコープの構造

カソード線オシロスコープの主要部分はカソード線管であり、これはカソード線オシロスコープの心臓部とも呼ばれます。

カソード線オシロスコープの構造を理解するために、カソード線管の構造について説明しましょう。基本的に、カソード線管は以下の5つの主要な部分で構成されています：

1. 電子銃

2. 偏向板システム

3. 蛍光屏

4. ガラス封止

5. ベース

これら5つのコンポーネントすべてが必要です。DIYオシロスコープを自分で作るには。以下でこれらの5つのコンポーネントについて詳しく説明します：

電子銃：
これは加速された電子ビームの源です。ヒータ、カソード、グリッド、前段加速アノード、フォーカスアノード、加速アノードの6つの部分で構成されています。高い電子放出を得るために、カソードの端にバリアム酸化物層が塗布され、適度な温度で間接的に加熱されます。その後、電子はニッケル製の制御グリッドという小さな穴を通ります。名前の通り、制御グリッドは負バイアスにより、カソードからの電子の数または電子の強度を制御します。制御グリッドを通過した後、これらの電子は前段加速アノードと加速アノードによって加速されます。前段加速アノードと加速アノードは共通の正電位1500Vに接続されています。

次に、フォーカスアノードの機能は生成された電子ビームを焦点合わせすることです。フォーカスアノードは調整可能な電圧500Vに接続されています。電子ビームの焦点合わせには2つの方法があります：

1. 静電気焦点合わせ。

2. 電磁気焦点合わせ。

ここでは、静電気焦点合わせ法について詳しく説明します。

静電気焦点合わせ
電子にかかる力は-qEで与えられ、qは電子の電荷（q = 1.6 × 10-19 C）、Eは電場の強度であり、マイナス符号は力の方向が電場の方向と反対であることを示しています。この力を用いて電子銃から出る電子ビームを偏向させます。以下の2つのケースを考えてみましょう：

ケース1
この場合、図のように2枚のプレートAとBがあります。

プレートAは+ Eの電位で、プレートBは-Eの電位です。電場の方向はプレートAからプレートBへと直角に表面に対して向かっています。等電位面も図に示されており、電場の方向に対して垂直です。電子ビームがこのプレートシステムを通過すると、電場の反対方向に偏向します。偏向角度はプレートの電位を変えることで簡単に調整できます。

ケース2
ここでは、それらの間に電位差が適用された2つの同心円筒があります。

結果として得られる電場の方向と等電位面も図に示されています。等電位面は曲線で表され、点線で示されています。ここでは、電子ビームがこの曲線状の等電位面を通過したときの偏向角度を計算することに興味があります。図に示すように、曲線状の等電位面Sを考えてみましょう。表面の右側の電位は+Eで、左側の電位は-Eです。電子ビームが表面の法線に対して角度Aで入射すると、表面Sを通過した後、角度Bで偏向します。電子ビームの法線成分の速度は増加しますが、接線成分の速度は同じままで、接線成分を等しくすることで、V1sin (A) = V2sin(B)となり、V1は電子の初期速度、V2は表面を通過した後の速度です。sin(A)/sin(B)=V2 / V1という関係があります。
上の式から、電子ビームが等電位面を通過した後に曲がることがわかります。したがって、このシステムは焦点合わせシステムとも呼ばれます。

静電気偏向
偏向の式を導出するために、以下のシステムを考えてみましょう：


上記のシステムでは、+Eと0の電位を持つ2つのプレートAとBがあります。これらのプレートは偏向プレートとも呼ばれています。これらのプレートによって生じる電場は正のy軸方向に向かってあり、x軸方向には力が働きません。偏向プレートの後には画面があり、電子ビームのネット偏向を測定することができます。図に示すように、x軸に沿って進行する電子ビームを考えます。電子ビームは電場の存在により角度Aで偏向し、偏向は正のy軸方向になります。今、このビームの偏向の式を導出してみましょう。エネルギー保存則により、電子がカソードから加速アノードまで移動する際のポテンシャルエネルギーの損失は、電子の運動エネルギーの増加に等しいと書けます。数学的には、

ここで、eは電子の電荷、
Eは2つのプレート間の電位差、
mは電子の質量、
vは電子の速度です。
従って、eEはポテンシャルエネルギーの損失、1/2mv1/2は運動エネルギーの増加です。
式(1)から、速度v = (2eE/m)1/2となります。
次に、y軸方向の電場強度はE/dですので、y軸方向に働く力FはF = eE/dで与えられます。dは2つの偏向プレート間の距離です。
この力により、電子はy軸方向に偏向し、y軸方向の偏向をDとします。これは図に示す画面でマークされます。力Fにより、電子は正のy軸方向に上向きの加速度を持ち、この加速度はEe/(d × m)で与えられます。正のy方向の初期速度は0なので、運動方程式からy軸方向の変位を次の式で表すことができます。

x方向の速度は一定なので、変位は次の式で表すことができます。

ここで、uはx軸方向の電子の速度です。
式2と3から、

これが電子の軌道の式です。式4を微分すると、傾きが得られます。

ここで、lはプレートの長さです。
画面での偏向は、

距離Lは上記の図に示されています。最終的なDの式は、

偏向の式から、偏向感度を計算すると、

グリティクル：これらは、カソード線オシロスコープが振幅測定に使用されるときにスケールとして機能する線のグリッドです。グリティクルには3種類があり、以下に示します。

1. 内部グリティクル：
   名前の通り、内部グリティクルはカソード線管の前面の内部表面に配置されています。パララックスエラーの問題はありませんが、内部グリティクルは固定されているため変更できません。

2. 外部グリティクル：

以下はカソード線オシロスコープの回路図です：