Oscyloskop z promieniowaniem katodowym | CRO
Co to jest oscyloskop promieni katodowych
Oscyloskop promieni katodowych (CRO) to urządzenie powszechnie używane w laboratoriach do wyświetlania, mierzenia i analizowania różnych form falowych obwodów elektrycznych. Oscyloskop promieni katodowych to bardzo szybki plotter X-Y, który może wyświetlać sygnał wejściowy w zależności od czasu lub innego sygnału.
Oscyloskopy promieni katodowych wykorzystują luminofory, które powstają poprzez uderzenie wiązki elektronów, a ten luminofor porusza się w odpowiedzi na zmiany wielkości wejściowej. W tym momencie musi nas zainteresować pytanie, dlaczego używamy tylko wiązki elektronów? Powodem jest niski wpływ wiązki elektronów, który można wykorzystać do śledzenia zmian wartości chwilowych szybko zmieniającej się wielkości wejściowej. Ogólne formy oscyloskopów promieni katodowych działają na napięciach.
Więc wielkość wejściowa, o której mówiliśmy, to napięcie. Dziś, dzięki przetwornikom, możliwe jest przekształcenie różnych wielkości fizycznych, takich jak prąd, ciśnienie, przyspieszenie itp. w napięcie, co umożliwia nam posiadanie wizualnych reprezentacji tych różnych wielkości na oscyloskopie promieni katodowych. Teraz przyjrzyjmy się szczegółom konstrukcyjnym oscyloskopu promieni katodowych.
Konstrukcja oscyloskopu promieni katodowych
Główną częścią oscyloskopu promieni katodowych jest lampa katodowa, która jest również znana jako serce oscyloskopu promieni katodowych.
Przyjrzyjmy się konstrukcji lampy katodowej, aby zrozumieć konstrukcję oscyloskopu promieni katodowych. Podstawowo lampa katodowa składa się z pięciu głównych części:
Elektronowa armata
System płyt defleksyjnych
Fluorescencyjny ekran
Szklany obudowa
Podstawa
Będziesz potrzebował wszystkich 5 tych komponentów, aby zbudować swój własny DIY oscyloskop. Omówimy teraz te 5 komponentów szczegółowo:
Elektronowa armata:
Jest to źródło przyspieszonego, zenergetyzowanego i skupionego wiązka elektronów. Składa się z sześciu części, a mianowicie: grzałki, katody, siatki, przedakceleracyjnej anody, skupiającej anody i akceleracyjnej anody. Aby uzyskać wysoką emisję elektronów, warstwa tlenku baru (która jest naniesiona na koniec katody) jest pośrednio nagrzewana do umiarkowanej temperatury. Elektrony przechodzą następnie przez małą dziurkę zwana siatką kontrolną, wykonaną z niklu. Jak sama nazwa wskazuje, siatka kontrolna, z ujemnym obciążeniem, kontroluje liczbę elektronów, a więc pośrednio intensywność emitowanych elektronów z katody. Po przejściu przez siatkę kontrolną te elektrony są przyspieszane za pomocą przedakceleracyjnej i akceleracyjnej anody. Przedakceleracyjna i akceleracyjna anoda są podłączone do wspólnego dodatniego potencjału 1500 volt.
Teraz funkcją skupiającej anody jest skupienie utworzonego wiązka elektronów. Skupiająca anoda jest podłączona do regulowanego napięcia 500 volt. Istnieją dwie metody skupiania wiązki elektronów, które są opisane poniżej:
Elektrostatyczne skupianie.
Elektromagnetyczne skupianie.
Omówimy teraz szczegółowo metodę elektrostatycznego skupiania.
Elektrostatyczne skupianie
Wiemy, że siła działająca na elektron wynosi – qE, gdzie q to ładunek elektronu (q = 1.6 × 10-19 C), E to natężenie pola elektrycznego, a minus oznacza, że kierunek siły jest przeciwny do kierunku pola elektrycznego. Teraz wykorzystamy tę siłę do odchylenia wiązki elektronów wychodzącej z elektronowej armaty. Rozważmy dwa przypadki:
Przypadek pierwszy
W tym przypadku mamy dwie płyty A i B, jak pokazano na rysunku.
Płyta A jest pod napięciem +E, podczas gdy płyta B jest pod napięciem –E. Kierunek pola elektrycznego jest od płyty A do płyty B prostopadle do powierzchni płyty. Pokazane są także powierzchnie o jednakowym potencjale, które są prostopadłe do kierunku pola elektrycznego. Gdy wiązka elektronów przechodzi przez ten system płyt, odchyla się w kierunku przeciwnym do pola elektrycznego. Kąt odchylenia można łatwo zmienić, modyfikując potencjał płyt.
Przypadek drugi
Tutaj mamy dwa współosiowe cylindry z różnicą potencjałów zastosowaną między nimi, jak pokazano na rysunku.
Kierunek rezultatu pola elektrycznego i powierzchnie o jednakowym potencjale są również pokazane na rysunku. Powierzchnie o jednakowym potencjale są oznaczone liniami kropkowanymi, które mają kształt zakrzywiony. Teraz interesuje nas obliczenie kąta odchylenia wiązki elektronów, gdy przechodzi przez tę zakrzywioną powierzchnię o jednakowym potencjale. Rozważmy zakrzywioną powierzchnię S, jak pokazano poniżej. Potencjał po prawej stronie powierzchni wynosi +E, podczas gdy potencjał po lewej stronie powierzchni wynosi –E. Gdy wiązka elektronów jest incydentna pod kątem A do normalnej, odchyla się o kąt B po przejściu przez powierzchnię S, jak pokazano na rysunku poniżej. Normalna składowa prędkości wiązki wzrośnie, ponieważ siła działa w kierunku normalnym do powierzchni. Oznacza to, że składowe styczne pozostaną takie same, więc porównując składowe styczne mamy V1sin (A) = V2sin(B), gdzie V1 to początkowa prędkość elektronów, V2 to prędkość po przejściu przez powierzchnię. Mamy teraz relację sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Z powyższego równania widzimy, że występuje zgięcie wiązki elektronów po przejściu przez powierzchnię o jednakowym potencjale. Dlatego ten system nazywany jest również systemem skupiającym.
Elektrostatyczne odchylenie
Aby znaleźć wyrażenie dla odchylenia, rozważmy system, jak pokazano poniżej:
W powyższym systemie mamy dwie płyty A i B, które są pod napięciem +E i 0 odpowiednio. Te płyty nazywane są również płytami odchyleniowymi. Pole wytworzone przez te płyty jest w kierunku dodatniej osi y, a nie ma siły wzdłuż osi x. Po płytach odchyleniowych mamy ekran, za pomocą którego możemy zmierzyć całkowite odchylenie wiązki elektronów. Rozważmy teraz wiązkę elektronów napływającą wzdłuż osi x, jak pokazano na rysunku. Wiązka odchyla się pod kątem A, ze względu na obecność pola elektrycznego, a odchylenie jest w dodatnim kierunku osi y, jak pokazano na rysunku. Wyprowadźmy teraz wyrażenie dla odchylenia tej wiązki. Na podstawie zasady zachowania energii, mamy straty w energii potencjalnej, gdy elektron przemieszcza się od katody do akceleracyjnej anody, powinny być równe zyskom w kinetycznej energii elektronu. Matematycznie możemy zapisać,
Gdzie, e to ładunek elektronu,
E to różnica potencjałów między dwiema płytami,
m to masa elektronu,
a v to prędkość elektronu.
W ten sposób, eE to straty w energii potencjalnej, a 1/2mv1/2 to zysk w kinetycznej energii.
Z równania (1) mamy prędkość v = (2eE/m)1/2.
Mamy teraz natężenie pola elektrycznego wzdłuż osi y wynoszące E/d, zatem siła działająca wzdłuż osi y wynosi F = eE/d, gdzie d to odległość między dwiema płytami odchyleniowymi.
Ze względu na tę siłę elektron będzie odchylał się wzdłuż osi y, a odchylenie wzdłuż osi y oznaczmy jako D, które jest oznaczone na ekranie, jak pokazano na rysunku. Ze względu na siłę F występuje całkowite przyspieszenie elektronu w górę wzdłuż dodatniej osi y, a to przyspieszenie wynosi Ee/(d × m). Ponieważ początkowa prędkość w kierunku dodatniej osi y wynosi zero, zatem z równania ruchu możemy zapisać wyrażenie przemieszczenia wzdłuż osi y jako,
Jako że prędkość wzdłuż osi x jest stała, możemy zapisać przemieszczenie jako,
Gdzie, u to prędkość elektronu wzdłuż osi x.
Z równań 2 i 3 mamy,
Jest to równanie trajektorii elektronu. Różniczkując teraz równanie 4 mamy nachylenie, tj.
Gdzie, l to długość płyty.
Odchylenie na ekranie można obliczyć jako,
Odległość L jest pokazana na powyższym rysunku. Końcowe wyrażenie D można zapisać jako,
