Kathodestraaloscilloscoop | CRO

Wat is een Cathode Ray Oscilloscope?

Een Cathode Ray Oscilloscope (CRO) is een instrument dat over het algemeen in een laboratorium wordt gebruikt om verschillende golfformen van elektrische circuits weer te geven, te meten en te analyseren. Een cathode ray oscilloscope is een zeer snelle X-Y plotter die een ingangssein ten opzichte van de tijd of een ander signaal kan weergeven.

Cathode ray oscilloscopes gebruiken lichtgevende punten die worden geproduceerd door de elektronenstraal te raken, en dit lichtgevende punt beweegt in reactie op variaties in de ingangsgrootte. Op dit moment moet er wel een vraag in ons opkomen: waarom gebruiken we alleen een elektronenstraal? Het antwoord hierop is dat de effecten van de elektronenstraal laag zijn en kunnen worden gebruikt voor het volgen van veranderingen in de instantane waarden van snel veranderende ingangsgrootheden. De algemene vormen van cathode ray oscilloscopes werken op spanningen.

Dus de ingangsgrootte waarover we het hierboven hebben, is spanning. Tegenwoordig is het mogelijk, met behulp van transducers, om verschillende fysische grootheden zoals stroom, druk, versnelling, enz. om te zetten naar spanning, waardoor we visuele weergaven van deze verschillende grootheden op een cathode ray oscilloscope kunnen krijgen. Laten we nu kijken naar de constructiedetails van de cathode ray oscilloscope.

Constructie van Cathode Ray Oscilloscope

Het belangrijkste deel van de cathode ray oscilloscope is de cathode ray tube, ook bekend als het hart van de cathode ray oscilloscope.

Laten we de constructie van de cathode ray tube bespreken om de constructie van de cathode ray oscilloscope te begrijpen. Basisbestanddelen van de cathode ray tube zijn:

1. Elektronenkanon

2. Afleidingsplaatensysteem

3. Fluorescerend scherm

4. Glasomhulling

5. Basis

Je hebt al deze 5 componenten nodig om je eigen DIY oscilloscope te bouwen. We zullen nu deze 5 componenten in detail bespreken:

Elektronenkanon:
Het is de bron van de versnelde, geënergiseerde en gefocusseerde straal van elektronen. Het bestaat uit zes delen, namelijk verwarming, kathode, rooster, pre-versnellingsanode, focusanode en versnellingsanode. Om een hoge emissie van elektronen te verkrijgen, wordt de laag bariumoxide (die op het uiteinde van de kathode is aangebracht) indirect verwarmd tot een matige temperatuur. De elektronen passeren vervolgens door een klein gat genaamd controle-rooster, dat gemaakt is van nikkel. Zoals de naam suggereert, reguleert het controle-rooster, met zijn negatieve bias, het aantal elektronen of indirect de intensiteit van de uitgestraalde elektronen van de kathode. Na het passeren van het controle-rooster worden deze elektronen versneld met behulp van de pre-versnellings- en versnellingsanodes. De pre-versnellings- en versnellingsanodes zijn verbonden met een gemeenschappelijke positieve spanning van 1500 volt.

Nu is de functie van de focusanode om de zo geproduceerde elektronenstraal te focussen. De focusanode is verbonden met een instelbare spanning van 500 volt. Er zijn twee methoden om de elektronenstraal te focussen, en deze staan hieronder beschreven:

1. Elektrostatische focussing.

2. Elektromagnetische focussing.

Hier zullen we de elektrostatische focussingmethode in detail bespreken.

Elektrostatische Focussing
We weten dat de kracht op een elektron wordt gegeven door – qE, waarbij q de lading op het elektron is (q = 1,6 × 10-19 C), E is de elektrisch veld intensiteit en het minteken toont aan dat de richting van de kracht tegengesteld is aan dat van het elektrisch veld. Nu zullen we deze kracht gebruiken om de straal van elektronen die uit het elektronenkanon komt, af te buigen. Laten we twee gevallen overwegen:

Geval Een
In dit geval hebben we twee platen A en B, zoals getoond in de figuur.

De plaat A staat onder een potentiaal +E terwijl de plaat B staat onder een potentiaal –E. De richting van het elektrisch veld loopt van plaat A naar plaat B, loodrecht op de oppervlakken van de plaat. De equipotentiaaloppervlakken zijn ook in de diagram getoond, die loodrecht staan op de richting van het elektrisch veld. Als de straal van elektronen door dit platenstelsel gaat, buigt hij in de tegengestelde richting van het elektrisch veld af. De deflectiehoek kan eenvoudig worden gewijzigd door de potentiaal van de platen te veranderen.

Geval Twee
Hier hebben we twee concentrische cilinders met een potentiaalverschil tussen hen toegepast, zoals getoond in de figuur.

De resulterende richting van het elektrisch veld en de equipotentiaaloppervlakken zijn ook in de figuur getoond. De equipotentiaaloppervlakken zijn aangeduid door de gestippelde lijnen, die gebogen zijn. Nu zijn we geïnteresseerd in het berekenen van de deflectiehoek van de elektronenstraal wanneer deze door dit gebogen equipotentiaaloppervlak gaat. Laten we het gebogen equipotentiaaloppervlak S overwegen, zoals hieronder getoond. Het potentiaal aan de rechterkant van het oppervlak is +E terwijl het potentiaal aan de linkerkant van het oppervlak –E is. Wanneer een straal van elektronen onder hoek A ten opzichte van de normaal valt, dan buigt deze na het passeren van het oppervlak S onder hoek B, zoals getoond in de figuur hieronder. De normale component van de snelheid van de straal zal toenemen omdat de kracht in de richting loodrecht op het oppervlak werkt. Dit betekent dat de tangentiële snelheden hetzelfde blijven, dus door de tangentiële componenten gelijk te stellen hebben we V1sin (A) = V2sin(B), waarbij V1 de initiële snelheid van de elektronen is, V2 is de snelheid na het passeren van het oppervlak. Nu hebben we de relatie sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
We kunnen uit de bovenstaande vergelijking zien dat er een buiging van de elektronenstraal plaatsvindt na het passeren van het equipotentiaaloppervlak. Daarom wordt dit systeem ook wel focussysteem genoemd.

Elektrostatische Deflectie
Om de expressie voor de deflectie te vinden, laten we een systeem overwegen zoals hieronder getoond:


In het bovenstaande systeem hebben we twee platen A en B die respectievelijk op potentiaal +E en 0 staan. Deze platen worden ook wel deflectieplaten genoemd. Het veld dat door deze platen wordt geproduceerd, is in de richting van de positieve y-as en er is geen kracht langs de x-as. Na de deflectieplaten hebben we een scherm waarmee we de netto-deflectie van de elektronenstraal kunnen meten. Laten we nu een straal van elektronen overwegen die langs de x-as komt, zoals getoond in de figuur. De straal buigt onder hoek A, door de aanwezigheid van het elektrisch veld en de deflectie is in de positieve richting van de y-as, zoals getoond in de figuur. Laten we nu een expressie afleiden voor de deflectie van deze straal. Volgens de energiebehoudswet, moeten het verlies aan potentiële energie wanneer het elektron van de kathode naar de versnellingsanode beweegt, gelijk zijn aan het winst aan kinetische energie van het elektron. Wiskundig kunnen we schrijven,

Waarbij, e de lading op het elektron is,
E is het potentiaalverschil tussen de twee platen,
m is de massa van het elektron,
en v is de snelheid van het elektron.
Dus, eE is het verlies aan potentiële energie en 1/2mv1/2 is de winst aan kinetische energie.
Uit vergelijking (1) hebben we de snelheid v = (2eE/m)1/2.
Nu hebben we de elektrisch veld intensiteit langs de y-as is E/d, daarom is de kracht die langs de y-as werkt gegeven door F = eE/d waarbij d de afstand tussen de twee deflectieplaten is.
Omdat de elektronen door deze kracht langs de positieve y-as omhoog zullen versnellen, wordt deze versnelling gegeven door Ee/(d × m). Aangezien de initiële snelheid langs de positieve y-richting nul is, kunnen we door de bewegingsvergelijking de uitdrukking voor de verplaatsing langs de y-as schrijven als,

Omdat de snelheid langs de x-richting constant is, kunnen we de verplaatsing schrijven als,

Waarbij, u de snelheid van het elektron langs de x-as is.
Uit vergelijkingen 2 en 3 hebben we,

Welke de vergelijking is van de baan van het elektron. Door de vergelijking 4 te differentiëren hebben we de helling, namelijk

Waarbij, l de lengte van de plaat is.
De deflectie op het scherm kan worden berekend als,

Afstand L is getoond in de bovenstaande figuur. De finale uitdrukking van D kan worden geschreven als,

Uit de uitdrukking van de deflectie, berekenen we de deflectiesensitiviteit als,