Kathodestraloskop | CRO
Hva er et katodestraloskop?
Et katodestraloskop (CRO) er et instrument som generelt brukes i laboratorier for å vise, måle og analysere ulike bølgeformer i elektriske kretser. Et katodestraloskop er en svært rask X-Y plotter som kan vise et inngangssignal mot tid eller et annet signal.
Katodestraloskop bruker lysende punkter som produseres ved å treffe elektronstrålen, og dette lysende punktet beveger seg i respons til variasjonen i inngangsverdien. Det kan oppstå et spørsmål i hodet vårt om hvorfor vi kun bruker en elektronstråle. Grunnen til dette er de lave effektene av elektronstrålen som kan brukes for å følge endringene i de øyeblikkelige verdiene av raskt endrende inngangsverdier. De generelle formene for katodestraloskop fungerer med spenninger.
Så den inngangsverdien vi har snakket om over er spenning. Nå til dags, med hjelp av transducere, er det mulig å konvertere ulike fysiske størrelser som strøm, trykk, akselerasjon osv. til spenning, slik at det lar oss ha visuelle representasjoner av disse ulike størrelsene på katodestraloskop. La oss nå se nærmere på konstruksjonens detaljer for katodestraloskopet.
Konstruksjon av katodestraloskop
Det hovedviktige delen av katodestraloskopet er katodestralrøret, også kjent som hjertet av katodestraloskopet.
La oss diskutere konstruksjonen av katodestralrøret for å forstå konstruksjonen av katodestraloskopet. I utgangspunktet består katodestralrøret av fem hoveddeler:
Elektronkanon
Avviklingsplate-system
Fluorescerende skjerm
Glassomhuvel
Base
Du trenger alle 5 av disse komponentene for å bygge ditt eget DIY-osiloskop. Vi skal nå diskutere disse 5 komponentene i detalj:
Elektronkanon:
Dette er kilden til den akselererte, energifullte og fokuserte elektronstrålen. Den består av seks deler, nemlig varmelement, katode, gitter, forhastingsanode, fokusanode og akselereringsanode. For å få høy emisjon av elektroner blir laget av bariumoksid (som er deponeert på slutten av katoden) indirekte oppvarmet til moderat temperatur. Elektronene passer deretter gjennom et lite hull kalt kontrollgitter som er laget av nikkel. Som navnet antyder, kontrollerer kontrollgitteret med sin negative polaritet, antallet elektroner eller indirekte kan vi si intensiteten av de utslippne elektronene fra katoden. Etter å ha passert kontrollgitteret blir disse elektronene akselerert med hjelp av forhastings- og akselereringsanoder. Forhastings- og akselereringsanodene er koblet til et felles positiv potensial på 1500 volt.
Nå etter dette er funksjonen til fokusanoden å fokusere strålen av de produserte elektronene. Fokusanoden er koblet til justerbart spenning på 500 volt. Det finnes to metoder for fokusering av elektronstrålen, og de er skrevet nedenfor:
Elektrostatiske fokusering.
Elektromagnetisk fokusering.
Her vil vi diskutere elektrostatiske fokuseringsmetoden i detalj.
Elektrostatiske fokusering
Vi vet at kraften på et elektron er gitt av – qE, der q er ladningen på elektronet (q = 1,6 × 10-19 C), E er elektrisk felt styrken, og negativ tegn viser at retningen av kraften er motsatt av elektrisk felt. Nå vil vi bruke denne kraften for å defektere strålen av elektroner som kommer ut av elektronkanonen. La oss betrakte to tilfeller:
Tilfelle ett
I dette tilfellet har vi to plater A og B som vist i figuren.
Platen A er på potensial +E mens platen B er på potensial –E. Retningen av elektrisk felt er fra A-platen til B-platen vinkelrett på overflater av plater. Likpotensialet er også vist i diagrammet, som er vinkelrett på retningen av elektrisk felt. Når strålen av elektron passerer gjennom dette platesystemet, defekterer den i motsatt retning av elektrisk felt. Avviklingsvinkelen kan lett variere ved å endre potensialet av platene.
Tilfelle to
Her har vi to sentriske sylindere med en potensialforskjell anvendt mellom dem som vist i figuren.
Den resulterende retningen av elektrisk felt og likpotensialet er også vist i figuren. Likpotensialet er merket med prikkede linjer, som er buede i form. Nå her er vi interessert i å beregne avviklingsvinkelen av elektronstrålen når den passerer gjennom denne buede likpotensiell overflate. La oss betrakte buede likpotensiell overflate S som vist nedenfor. Potensialet på høyre side av overflaten er +E mens potensialet på venstre side av overflaten –E. Når en stråle av elektron er incident på vinkel A til normalen, så defekterer den med vinkel B etter å ha passert overflaten S som vist i figuren under. Normalkomponenten av hastigheten til strålen vil øke da kraften virker i retning normal til overflaten. Dette betyr at tangentielle hastigheter vil forbli samme, så ved å likestille tangensielle komponenter har vi V1sin (A) = V2sin(B), hvor V1 er den initielle hastigheten av elektronene, V2 er hastigheten etter å ha passert overflaten. Nå har vi relasjonen som sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Vi kan fra den ovennevnte ligningen se at det er bueting av elektronstrålen etter å ha passert gjennom likpotensiell overflate. Derfor kalles dette systemet også fokuseringssystem.
Elektrostatisk avvikling
For å finne ut uttrykket for avviklingen, la oss betrakte et system som vist nedenfor:
I det ovennevnte systemet har vi to plater A og B som er på potensial +E og 0 henholdsvis. Disse platene kalles også avviklingsplater. Feltet produsert av disse platene er i retning av positiv y-akse, og det er ingen kraft langs x-aksen. Etter avviklingsplatene har vi skjerm gjennom hvilken vi kan måle nettoavviklingen av elektronstrålen. La oss nå betrakte en stråle av elektron som kommer langs x-aksen som vist i figuren. Strålen avvikler med vinkel A, på grunn av tilstedeværelsen av elektrisk felt, og avviklingen er i den positive retningen av y-aksen som vist i figuren. La oss nå utlede et uttrykk for avviklingen av denne strålen. Ved energibevarelse, har vi tap av potensiell energi når elektronet beveger seg fra katode til akselereringsanode bør være lik vinning i kinetisk energi av elektronet. Matematisk kan vi skrive,
Der, e er ladningen på elektronet,
E er potensialforskjellen mellom de to platene,
m er massen av elektronet,
og v er hastigheten av elektronet.
Slik, eE er tap av potensiell energi og 1/2mv1/2 er vinning i kinetisk energi.
Fra ligning (1) har vi hastighet v = (2eE/m)1/2.
Nå har vi elektrisk felt intensitet langs y-aksen er E/d, derfor kraften som virker langs y-aksen er gitt av F = eE/d hvor d er avstanden mellom de to avviklingsplatene.
På grunn av denne kraften vil elektronet avvikle langs y-aksen, og la avviklingen langs y-aksen være lik D som er markert på skjermen som vist i figuren. På grunn av kraften F er det en netto oppoverakselerasjon av elektronet langs positiv y-aksen, og denne akselerasjonen er gitt av Ee/(d × m). Siden den initielle hastigheten langs positiv y-retning er null, kan vi ved ligning av bevegelse skrive uttrykket for forskyvning langs y-aksen som,
Da hastigheten langs x-retningen er konstant, kan vi skrive forskyvningen som,
Der, u er hastigheten av elektronet langs x-aksen.
Fra ligninger 2 og 3 har vi,
Som er ligningen for banen til elektronet. Nå ved å derivere ligning 4 har vi helningsgrad altså.
Der, l er lengden av platen.
Avviklingen på skjermen kan beregnes som,
Avstand L er vist i figuren over. Sluttuttrykket for D kan skrives som,
Fra uttrykket for avviklingen, beregner vi avviklingsfølsomheten som,
