Katodni svetlobni osciloskop | CRO

Kaj je katodni lučni osciloskop?

Katodni lučni osciloskop (CRO) je instrument, ki se običajno uporablja v laboratoriju za prikaz, merjenje in analizo različnih valovnih oblik električnih vezij. Katodni lučni osciloskop je zelo hitri X-Y risalnik, ki lahko prikaže vhodni signal glede na čas ali drug signal.

Katodni lučni osciloskopi uporabljajo svetle točke, ki jih ustvari srečanje elektronskega žarka, in ta svetla točka se premika v odziv na spremembe vhodne količine. Tukaj se mora v našem umu postaviti vprašanje, zakaj uporabljamo samo elektronski žarek? Razlog za to je nizki učinki žarka elektronov, ki se lahko uporabljajo za spremljanje sprememb trenutnih vrednosti hitro spreminjajoče vhodne količine. Splošne oblike katodnega lučnega osciloskopa delujejo na napetostih.

Torej, vhodna količina, o kateri smo govorili zgoraj, je napetost. Danes, s pomočjo preoblikovalcev, je mogoče pretvoriti različne fizikalne količine, kot so tok, tlak, pospešek itd., v napetost, kar nam omogoča vizualne predstavitve teh različnih količin na katodnem lučnem osciloskopu. Sedaj se poglejmo konstrukcijske podrobnosti katodnega lučnega osciloskopa.

Gradnja katodnega lučnega osciloskopa

Glavni del katodnega lučnega osciloskopa je katodni lučni cevelj, ki je tudi znani kot srce katodnega lučnega osciloskopa.

Razpravljajmo o gradnji katodnega lučnega cevila, da bi razumeli gradnjo katodnega lučnega osciloskopa. V bistvu katodni lučni cevelj sestavlja pet glavnih delov:

1. Elektronski top

2. Sistem odbojnih plošč

3. Fluorescentni zaslon

4. Stekleni omara

5. Baza

Za izgradnjo svojega DIY osciloskopa boste potrebovali vse 5 teh komponent. Sedaj bomo podrobneje razpravili o teh 5 komponentah:

Elektronski top:
To je vir pospešenega, energiziranega in fokusiranega žarka elektronov. Sestavlja ga šest delov, in sicer segrevalec, katoda, mreža, pre-accelerating anoda, fokusirna anoda in accelerirna anoda. Za doseganje visoke emisije elektronov se sloj barijovega oksida (ki je nanizan na konec katode) neposredno segreva na umersen temperaturi. Elektroni potem preidejo skozi majhen otvor, imenovan kontrolna mreža, ki je izdelana iz niklja. Kot ime nakazuje, kontrolna mreža s svojim negativnim biasom, nadzira število elektronov ali neposredno moč emitiranih elektronov iz katode. Po prehodu skozi kontrolno mrežo so ti elektroni pospešeni s pomočjo pre-accelerating in accelerating anod. Pre-accelerating in accelerating anode sta povezani na skupno pozitivno potencial 1500 volt.

Nato funkcija fokusirne anode, ki je povezana na prilagodljivo napetost 500 volt, je, da se fokusira žarek elektronov, ki je nastal. Obstajata dva načina fokusiranja elektronskega žarka in sta navedena spodaj:

1. Elektrostatično fokusiranje.

2. Elektromagnetno fokusiranje.

Tukaj bomo podrobneje razpravili o elektrostatičnem fokusiranju.

Elektrostatično fokusiranje
Vemo, da je sila na elektronu dana z – qE, kjer je q naboj na elektronu (q = 1.6 × 10-19 C), E pa je električno polje in negativen znak kaže, da je smer sile nasprotna smeri električnega polja. Zdaj bomo to silo uporabili za odboj žarka elektronov, ki izstopa iz elektronskega topa. Upoštevajmo dva primera:

Prvi primer
V tem primeru imamo dve plošči A in B, kot je prikazano na sliki.

Plošča A je na potencialu +E, medtem ko je plošča B na potencialu –E. Smer električnega polja gre od plošče A do plošče B pod pravokotno s površinama plošč. Na diagramu so prikazane tudi enakopotencialne površine, ki so pravokotne na smer električnega polja. Ko žarek elektronov preide skozi ta sistem plošč, se odboji v nasprotni smeri električnega polja. Kot odboja se lahko zlahka spremeni z menjavo potenciala plošč.

Drugi primer
Tukaj imamo dva koncentrična cilindra s potencialno razliko, ki je uporabljena med njima, kot je prikazano na sliki.

Rezultantna smer električnega polja in enakopotencialne površine so tudi prikazane na sliki. Enakopotencialne površine so označene z pikecrtanimi črtami, ki so v obliki lukov. Zdaj smo zanima za izračun kota odboja žarka elektronov, ko preide skozi te luko oblikovane enakopotencialne površine. Upoštevajmo enakopotencialno površino S, kot je prikazano spodaj. Potencial desne strani površine je +E, medtem ko je potencial leve strani površine –E. Ko žarek elektronov pride pod kotom A do normalne, se po prehodu skozi površino S odboji pod kotom B, kot je prikazano na sliki spodaj. Normalna komponenta hitrosti žarka se bo povečala, ker sila deluje v smeri normalne na površino. To pomeni, da tangencialne hitrosti ostanejo iste, tako da z enačenjem tangencialnih komponent imamo V1sin (A) = V2sin(B), kjer je V1 začetna hitrost elektronov, V2 pa hitrost po prehodu skozi površino. Imamo torej relacijo sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Iz zgornje enačbe vidimo, da je po prehodu skozi enakopotencialno površino došlo do ukrivljanja žarka elektronov. Torej ta sistem je tudi imenovan fokusirni sistem.

Elektrostatični odboj
Za iskanje izraza za odboj, upoštevajmo sistem, kot je prikazano spodaj:


V zgornjem sistemu imamo dve plošči A in B, ki sta na potencialu +E in 0, zlasti. Te plošči so tudi imenovane odbojne plošči. Polje, ki ga te plošči ustvarijo, je v smeri pozitivnega y osi in ni sile v smeri x osi. Po odbojnih ploščah imamo zaslon, preko katerega lahko izmerimo neto odboj elektronskega žarka. Sedaj upoštevajmo žarek elektronov, ki pride vzdolž x osi, kot je prikazano na sliki. Žarek se odboji pod kotom A zaradi prisotnosti električnega polja, in odboj je v pozitivni smeri y osi, kot je prikazano na sliki. Sedaj izpeljimo izraz za odboj tega žarka. S ohranitvijo energije imamo izgubo potencialne energije, ko elektron preide od katode do accelerirne anode, ki mora biti enaka dobičku kinetične energije elektrona. Matematično lahko zapišemo,

Kjer je e naboj na elektronu,
E potencialna razlika med dvema ploščama,
m masa elektrona,
in v hitrost elektrona.
Tako je eE izguba potencialne energije in 1/2mv1/2 dobiček kinetične energije.
Iz enačbe (1) imamo hitrost v = (2eE/m)1/2.
Sedaj imamo električno polje intenzivnost vzdolž y osi E/d, zato je sila, ki deluje vzdolž y osi, dana z F = eE/d, kjer je d razmik med dvema odbojnima ploščama.
Zaradi te sile se elektron bo odbojil vzdolž y osi in naj bo odboj vzdolž y osi enak D, ki je označen na zaslonu, kot je prikazano na sliki. Zaradi sile F je elektronu prišlo do celotnega gibanja navzgor vzdolž pozitivnega y osi, in to pospeševanje je dano z Ee/(d × m). Ker je začetna hitrost v pozitivni smeri y osi enaka nič, lahko z enačbo gibanja zapišemo izraz za zamik vzdolž y osi kot,

Ker je hitrost v smeri x konstantna, lahko zapišemo zamik kot,

Kjer je u hitrost elektrona vzdolž x osi.
Iz enačb 2 in 3 imamo,

To je enačba trajektorije elektrona. Sedaj, ko odvajamo enačbo 4, imamo nagib, torej

Kjer je l dolžina plošče.
Odboj na zaslonu lahko izračunamo kot,