Осциллограф с электронно-лучевой трубкой | CRO
Что такое осциллограф с электронно-лучевой трубкой?
Осциллограф с электронно-лучевой трубкой (ОЭЛТ) — это прибор, обычно используемый в лаборатории для отображения, измерения и анализа различных форм сигналов электрических цепей. Осциллограф с электронно-лучевой трубкой является очень быстрым X-Y графопостроителем, который может отображать входной сигнал по времени или относительно другого сигнала.
Осциллографы с электронно-лучевой трубкой используют светящиеся точки, которые образуются при ударе электронного луча, и эта светящаяся точка перемещается в ответ на изменения входного параметра. В этот момент у нас возникает вопрос: почему мы используем только электронный луч? Причина заключается в низком влиянии электронного луча, который можно использовать для отслеживания изменений мгновенных значений быстро меняющегося входного параметра. Общие формы осциллографов с электронно-лучевой трубкой работают на напряжениях.
Итак, входной параметр, о котором мы говорили выше, — это напряжение. Сегодня, с помощью датчиков, возможно преобразовать различные физические величины, такие как ток, давление, ускорение и т. д., в напряжение, что позволяет нам иметь визуальное представление этих различных величин на осциллографе с электронно-лучевой трубкой. Теперь давайте рассмотрим конструктивные детали осциллографа с электронно-лучевой трубкой.
Конструкция осциллографа с электронно-лучевой трубкой
Основная часть осциллографа с электронно-лучевой трубкой — это электронно-лучевая трубка, которая также известна как сердце осциллографа с электронно-лучевой трубкой.
Давайте обсудим конструкцию электронно-лучевой трубки, чтобы понять конструкцию осциллографа с электронно-лучевой трубкой. В основном электронно-лучевая трубка состоит из пяти основных частей:
Электронное ружье
Система отклоняющих пластин
Флуоресцентный экран
Стеклянная оболочка
База
Вам понадобятся все 5 этих компонентов, чтобы собрать свой собственный DIY осциллограф. Теперь мы подробно обсудим эти 5 компонентов:
Электронное ружье:
Это источник ускоренного, заряженного и сфокусированного электронного луча. Оно состоит из шести частей: нагреватель, катод, сетка, предварительный анод, фокусирующий анод и ускоряющий анод. Для получения высокой эмиссии электронов слой оксида бария (который нанесен на конец катода) косвенно нагревается до умеренной температуры. Электроны затем проходят через маленькое отверстие, называемое контрольной сеткой, сделанное из никеля. Как следует из названия, контрольная сетка с ее отрицательным смещением контролирует количество электронов или, другими словами, интенсивность испускаемых электронов из катода. После прохождения через контрольную сетку эти электроны ускоряются с помощью предварительного и ускоряющего анодов. Предварительный и ускоряющий аноды подключены к общему положительному потенциалу 1500 вольт.
Теперь функция фокусирующего анода состоит в том, чтобы сфокусировать образованный электронный луч. Фокусирующий анод подключен к регулируемому напряжению 500 вольт. Существует два метода фокусировки электронного луча, и они приведены ниже:
Электростатическая фокусировка.
Электромагнитная фокусировка.
Теперь мы подробно обсудим метод электростатической фокусировки.
Электростатическая фокусировка
Мы знаем, что сила, действующая на электрон, задается формулой – qE, где q — заряд на электроне (q = 1.6 × 10-19 Кл), E — интенсивность электрического поля, а отрицательный знак показывает, что направление силы противоположно направлению электрического поля. Теперь мы будем использовать эту силу для отклонения электронного луча, исходящего из электронного ружья. Рассмотрим два случая:
Первый случай
В этом случае у нас есть две пластины A и B, как показано на рисунке.
Пластина A находится под потенциалом +E, а пластина B — под потенциалом –E. Направление электрического поля направлено от пластины A к пластине B перпендикулярно поверхности пластин. На рисунке также показаны эквипотенциальные поверхности, которые перпендикулярны направлению электрического поля. Когда электронный луч проходит через эту систему пластин, он отклоняется в направлении, противоположном электрическому полю. Угол отклонения можно легко изменить, меняя потенциал пластин.
Второй случай
Здесь у нас есть два концентрических цилиндра с разностью потенциалов, применяемой между ними, как показано на рисунке.
Результативное направление электрического поля и эквипотенциальные поверхности также показаны на рисунке. Эквипотенциальные поверхности обозначены пунктирными линиями, которые имеют кривую форму. Теперь мы заинтересованы в расчете угла отклонения электронного луча, когда он проходит через эту кривую эквипотенциальную поверхность. Рассмотрим кривую эквипотенциальную поверхность S, как показано ниже. Потенциал справа от поверхности равен +E, а слева от поверхности — –E. Когда электронный луч падает под углом A к нормали, то после прохождения поверхности S он отклоняется на угол B, как показано на рисунке ниже. Нормальная составляющая скорости луча увеличится, так как сила действует в направлении, перпендикулярном поверхности. Это означает, что касательные скорости останутся неизменными, поэтому, приравнивая касательные компоненты, мы имеем V1sin (A) = V2sin(B), где V1 — начальная скорость электронов, V2 — скорость после прохождения поверхности. Теперь у нас есть соотношение sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Из этого уравнения видно, что происходит изгиб электронного луча после прохождения через эквипотенциальную поверхность. Поэтому эта система также называется фокусирующей системой.
Электростатическое отклонение
Чтобы найти выражение для отклонения, рассмотрим систему, как показано ниже:
В этой системе у нас есть две пластины A и B, которые находятся под потенциалом +E и 0 соответственно. Эти пластины также называются отклоняющими пластинами. Поле, созданное этими пластинами, направлено в положительном направлении оси y, и нет силы вдоль оси x. После отклоняющих пластин у нас есть экран, через который мы можем измерить общее отклонение электронного луча. Теперь рассмотрим электронный луч, движущийся вдоль оси x, как показано на рисунке. Луч отклоняется на угол A из-за наличия электрического поля, и отклонение происходит в положительном направлении оси y, как показано на рисунке. Теперь давайте выведем выражение для отклонения этого луча. По закону сохранения энергии, потеря потенциальной энергии, когда электрон перемещается от катода к ускоряющему аноду, должна быть равна приросту кинетической энергии электрона. Математически мы можем записать,
Где, e — заряд электрона,
E — разность потенциалов между двумя пластинами,
m — масса электрона,
и v — скорость электрона.
Таким образом, eE — это потеря потенциальной энергии, а 1/2mv1/2 — это прирост кинетической энергии.
Из уравнения (1) мы имеем скорость v = (2eE/m)1/2.
Теперь у нас есть электрическое поле интенсивностью E/d, следовательно, сила, действующая вдоль оси y, задается формулой F = eE/d, где d — расстояние между двумя отклоняющими пластинами.
Под действием этой силы электрон будет отклоняться вдоль оси y, и пусть отклонение вдоль оси y равно D, которое отмечено на экране, как показано на рисунке. Под действием силы F возникает чистое ускорение электрона вверх вдоль положительной оси y, и это ускорение задается формулой Ee/(d × m). Поскольку начальная скорость вдоль положительной оси y равна нулю, то по уравнению движения мы можем записать выражение для смещения вдоль оси y как,
Поскольку скорость вдоль оси x постоянна, то мы можем записать смещение как,
Где, u — скорость электрона вдоль оси x.
Из уравнений 2 и 3 мы имеем,
Это уравнение траектории электрона. Теперь, дифференцируя уравнение 4, мы получаем наклон, то есть
Где, l — длина пластины.
Отклонение на экране можно рассчитать как,
Расстояние L показано на рисунке выше. Итоговое выражение для D можно записать как,
