양극선 오실로스코프 | CRO

캐소드 레이 오실로스코프란?

캐소드 레이 오실로스코프(CRO)는 일반적으로 실험실에서 다양한 전기 회로의 파형을 표시하고 측정하며 분석하는 데 사용되는 기기입니다. 캐소드 레이 오실로스코프는 입력 신호를 시간이나 다른 신호에 대해 표시할 수 있는 매우 빠른 X-Y 플로터입니다.

캐소드 레이 오실로스코프는 전자빔으로 인해 생성된 빛나는 점을 사용하며, 이 빛나는 점은 입력량의 변화에 따라 움직입니다. 이 시점에서 왜 우리는 전자빔만 사용하는지 의문이 들 수 있습니다. 그 이유는 전자빔의 영향이 적어 즉각적인 값의 변화를 추적하는 데 적합하기 때문입니다. 일반적인 형태의 캐소드 레이 오실로스코프는 전압을 기반으로 작동합니다.

따라서 우리가 위에서 언급한 입력량은 전압입니다. 이제 변환기를 통해 다양한 물리적 양(전류, 압력, 가속도 등)을 전압으로 변환하여 캐소드 레이 오실로스코프 상에서 시각적으로 표현할 수 있게 되었습니다. 이제 캐소드 레이 오실로스코프의 구조적 세부 사항을 살펴보겠습니다.

캐소드 레이 오실로스코프의 구조

캐소드 레이 오실로스코프의 주요 부분은 캐소드 레이 튜브입니다. 이는 캐소드 레이 오실로스코프의 핵심이라고 할 수 있습니다.

캐소드 레이 튜브의 구조를 이해하면 캐소드 레이 오실로스코프의 구조를 이해하는 데 도움이 됩니다. 기본적으로 캐소드 레이 튜브는 다섯 개의 주요 부품으로 구성됩니다:

1. 전자건

2. 편향 판 시스템

3. 발광 화면

4. 유리 베젤

5. 베이스

자신만의 DIY 오실로스코프를 만들기 위해서는 이 5가지 구성 요소가 필요합니다. 이제 이 5가지 구성 요소에 대해 자세히 설명하겠습니다:

전자건:
이것은 가속되고 집중된 전자빔의 소스입니다. 히터, 캐소드, 그리드, 프리-가속 아노드, 포커싱 아노드, 가속 아노드로 구성됩니다. 전자의 고출력을 얻기 위해 캐소드 끝에 바륨산화물층이 중온에서 간접적으로 가열됩니다. 전자는 니켈로 만들어진 작은 구멍인 제어 그리드를 통과합니다. 제어 그리드는 음의 바이어스를 통해 전자의 수 또는 간접적으로 캐소드로부터 방출된 전자의 강도를 제어합니다. 제어 그리드를 통과한 후에는 프리-가속 및 가속 아노드를 통해 가속됩니다. 프리-가속 및 가속 아노드는 공통의 1500볼트 양의 전위에 연결됩니다.

이제 포커싱 아노드의 역할은 생성된 전자빔을 집중시키는 것입니다. 포커싱 아노드는 조정 가능한 500볼트에 연결됩니다. 전자빔을 집중시키는 두 가지 방법이 있으며 아래에 작성되어 있습니다:

1. 정전기 집중

2. 자기 집중

여기서 정전기 집중 방법에 대해 자세히 논의하겠습니다.

정전기 집중
우리는 전자가 받는 힘이 -qE임을 알고 있습니다. 여기서 q는 전자의 전하(1.6 × 10-19 C), E는 전기장의 세기이며 음수 부호는 힘의 방향이 전기장의 방향과 반대임을 나타냅니다. 이제 이 힘을 이용하여 전자건에서 나오는 전자빔을 편향시킵니다. 두 가지 경우를 고려해 보겠습니다:

첫 번째 경우
이 경우 A와 B 두 개의 판이 있습니다.

판 A는 +E의 전위를, 판 B는 -E의 전위를 가지고 있습니다. 전기장의 방향은 A 판에서 B 판으로 표면에 직각으로 진행합니다. 등전위 면은 또한 그림에 표시되어 있으며, 이는 전기장의 방향과 수직입니다. 전자빔이 이 판 시스템을 통과하면서 전기장의 반대 방향으로 편향됩니다. 편향 각도는 판의 전위를 변경하여 쉽게 조정할 수 있습니다.

두 번째 경우
여기서는 두 개의 동심 원통 사이에 전위 차가 적용되어 있습니다.

결과적인 전기장의 방향과 등전위 면도 그림에 표시되어 있습니다. 등전위 면은 점선으로 표시되어 있으며, 곡선 형태입니다. 이제 곡선 형태의 등전위 면을 통과할 때 전자빔의 편향 각도를 계산해 보겠습니다. S라는 곡선 형태의 등전위 면을 고려해 보겠습니다. 표면의 오른쪽 부분은 +E의 전위를, 왼쪽 부분은 -E의 전위를 가지고 있습니다. 전자빔이 표면 S를 통과하면서 A각도로 입사하면 B각도로 편향됩니다. 표면에 수직으로 작용하는 힘 때문에 빔의 법선 성분의 속도가 증가합니다. 즉, 접선 성분의 속도는 동일하게 유지되므로, 접선 성분을 같게 하면 V1sin(A) = V2sin(B)가 됩니다. 여기서 V1은 전자의 초기 속도, V2는 표면을 통과한 후의 속도입니다. 이제 sin(A)/sin(B) = V2/V1이라는 관계식을 얻습니다.
위의 식에서 볼 수 있듯이, 등전위 면을 통과한 후 전자빔이 굽힙니다. 따라서 이 시스템은 집중 시스템이라고도 합니다.

정전기 편향
편향을 찾기 위한 식을 도출하기 위해 아래와 같은 시스템을 고려해 보겠습니다:


위의 시스템에서 A와 B 두 개의 판이 +E와 0의 전위를 가지고 있습니다. 이 판들은 또한 편향 판이라고도 합니다. 이 판들에 의해 생성된 전기장은 y축의 양방향으로 진행하며, x축에는 힘이 없습니다. 편향 판 다음에는 스크린이 있어 전자빔의 전체 편향을 측정할 수 있습니다. 이제 그림에서 보듯이 x축을 따라 오는 전자빔을 고려해 보겠습니다. 전기장의 존재로 인해 전자빔은 A각도로 편향되며, y축의 양방향으로 편향됩니다. 이제 이 빔의 편향에 대한 식을 도출해 보겠습니다. 에너지 보존에 따르면, 전자가 캐소드에서 가속 아노드로 이동하면서 잃은 위치 에너지는 전자의 운동 에너지 증가와 같아야 합니다. 수학적으로 다음과 같이 쓸 수 있습니다:

여기서, e는 전자의 전하,
E는 두 판 사이의 전위 차,
m은 전자의 질량,
v는 전자의 속도입니다.
따라서, eE는 위치 에너지의 손실이고, 1/2mv1/2는 운동 에너지의 증가입니다.
식 (1)에서 v = (2eE/m)1/2를 얻습니다.
이제 y축 방향의 전기장 세기는 E/d이므로, 편향 판 사이의 간격 d에 따른 힘 F = eE/d입니다.
이 힘으로 인해 전자는 y축 방향으로 편향되며, 스크린에 표시된 D만큼 y축 방향으로 편향됩니다. 이 힘 F로 인해 전자는 y축 방향으로 상승 가속을 받으며, 이 가속은 Ee/(d × m)로 주어집니다. y축 방향의 초기 속도가 0이므로, 운동 방정식을 사용하여 y축 방향의 변위를 다음과 같이 쓸 수 있습니다:

x축 방향의 속도가 일정하므로, 변위를 다음과 같이 쓸 수 있습니다:

여기서, u는 x축 방향의 전자의 속도입니다.
식 2와 3에서 다음과 같습니다:

이는 전자의 궤적 방정식입니다. 이제 식 4를 미분하면 경사, 즉

여기서, l은 판의 길이입니다.
스크린에서의 편향은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

L은 위의 그림에 표시되어 있습니다. D의 최종 식은 다음과 같습니다:

편향 식에서 편향 감도를 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

그리케일: 이는 격자 모양의 선으로, 캐소드 레이 오실로스코프가 진폭 측정에 사용될 때 척도로 활용됩니다. 그리케일은 세 가지 유형이 있으며, 아래에 나열되어 있습니다:

1. 내부 그리케일:
   내부 그리케일은 이름에서 알 수 있듯이 캐소드 레이 튜브의 내부 표면에 도포되어 있습니다. 패러랙스 오차 문제가 없지만, 고정되어 있기 때문에 내부 그리케일을 변경할 수 없습니다.

2. 외부 그리케일:

다음은 캐소드 레이 오실로스코프의 회로도입니다:

팁