Katodni ciklotronski osciloskop | CRO
Šta je katodni cijevni osciloskop
Katodni cijevni osciloskop (CRO) je uređaj koji se opšte koristi u laboratoriji za prikaz, merenje i analizu različitih talasa električnih kola. Katodni cijevni osciloskop je vrlo brz X-Y plotter koji može prikazati ulazni signal u odnosu na vreme ili drugi signal.
Katodni cijevni osciloskop koristi svetlosne tačke koje nastaju udaranjem elektronskog zraka, a ova svetlosna tačka se kreće u odgovoru na promene ulazne veličine. U ovom trenutku, jedno pitanje mora da se pojavi u našim umovima - zašto koristimo samo elektronski zrak? Razlog za to su niske efekte elektronskog zraka koji se mogu koristiti za praćenje promena trenutnih vrednosti brzo menjajuće se ulazne veličine. Opšte forme katodnog cijevnog osciloskopa rade na naponima.
Dakle, ulazna veličina o kojoj smo govorili iznad jeste napon. Danas, uz pomoć preoblikovalaca, moguće je pretvoriti različite fizičke veličine poput struje, pritiska, akceleracije itd. u napone, čime omogućavamo vizualne prikaze ovih različitih veličina na katodnom cijevnom osciloskopu. Sada pogledajmo konstrukcione detalje katodnog cijevnog osciloskopa.
Konstrukcija katodnog cijevnog osciloskopa
Glavni deo katodnog cijevnog osciloskopa je katodna cijev, koja je poznata kao srce katodnog cijevnog osciloskopa.
Razmotrimo konstrukciju katodne cijevi kako bismo razumeli konstrukciju katodnog cijevnog osciloskopa. Osnovno, katodna cijev sastoji se od pet glavnih delova:
Elektronsko oružje
Sistem odbijajućih ploča
Fluorescentni ekran
Stakleni omot
Baza
Potreban su vam svi 5 ovih komponenta da biste izgradili svoj DIY osciloskop. Sada ćemo detaljno razmotriti ove 5 komponente:
Elektronsko oružje:
To je izvor ubrzanih, energiziranih i fokusiranih zraka elektrona. Sastoji se od šest delova: grejal, katoda, mreža, preubrzavajući anod, fokusirajući anod i ubrzavajući anod. Da bi se dobio visok emisija elektrona, sloj oksida barijuma (koji je nanet na kraj katode) se indirektno zagrijava na umerenu temperaturu. Elektroni nakon toga prođu kroz mali otvor zvan kontrolna mreža, koji je izrađen od nikla. Kao što naziv sugerira, kontrolna mreža sa svojom negativnom polaritetom, kontroliše broj elektrona ili indirektno možemo reći intenzitet emitiranih elektrona iz katode. Nakon prolaska kroz kontrolnu mrežu, ovi elektroni se ubrzavaju uz pomoć preubrzavajućeg i ubrzavajućeg anoda. Preubrzavajući i ubrzavajući anodi su povezani sa zajedničkim pozitivnim potencijalom od 1500 volta.
Sada, nakon toga, funkcija fokusirajućeg anoda je da fokusira zrak elektrona tako proizveden. Fokusirajući anod je povezan sa podešivim naponom od 500 volti. Sada postoje dva metoda fokusiranja elektronskog zraka, a oni su navedeni ispod:
Elektrostatičko fokusiranje.
Elektromagnetsko fokusiranje.
Ovdje ćemo detaljno razmotriti elektrostatički metod fokusiranja.
Elektrostatičko fokusiranje
Znamo da sila na elektron dat je sa – qE, gde je q naboj na elektronu (q = 1.6 × 10-19 C), E je intenzitet električnog polja, a negativan znak pokazuje da je smer sile suprotan smeru električnog polja. Sada ćemo koristiti ovu silu da defektujemo zrak elektrona koji dolazi iz elektronskog oružja. Posmatrajmo dva slučaja:
Prvi slučaj
U ovom slučaju imamo dve ploče A i B, kao što je prikazano na slici.
Ploča A je na potencijalu +E, dok je ploča B na potencijalu –E. Smer električnog polja je od ploče A do ploče B pod pravim uglom na površinama ploča. Ekvipotencijalne površine su takođe prikazane na dijagramu, koje su okomite na smer električnog polja. Kako zrak elektrona prođe kroz ovaj sistem ploča, defektuje u suprotnom smeru od električnog polja. Ugao defekcije se lako može menjati promenom potencijala ploča.
Drugi slučaj
Ovdje imamo dve koncentrične cilindrične ploče sa potencijalnom razlikom primenjenom između njih, kao što je prikazano na slici.
Rezultujući smer električnog polja i ekvipotencijalne površine su takođe prikazani na slici. Ekipotencijalne površine su označene tačkastim linijama koje su zakrivljene oblike. Sada smo zainteresovani za izračunavanje ugla defekcije elektronskog zraka kada prolazi kroz ovu zakrivljenu ekipotencijalnu površinu. Posmatrajmo zakrivljenu ekipotencijalnu površinu S, kao što je prikazano ispod. Potencijal desne strane površine je +E, dok je potencijal leve strane površine –E. Kada zrak elektrona pada pod uglom A normalno na površinu, on se defektuje pod uglom B nakon prolaska kroz površinu S, kao što je prikazano na datoj slici. Normalna komponenta brzine zraka će se povećati jer se sila javlja u smeru normalno na površinu. To znači da će tangencijalne brzine ostati iste, tako da enakujući tangencijalne komponente imamo V1sin (A) = V2sin(B), gde je V1 početna brzina elektrona, V2 brzina nakon prolaska kroz površinu. Sada imamo relaciju kao sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Iz gornje jednačine možemo videti da postoji savijanje elektronskog zraka nakon prolaska kroz ekipotencijalnu površinu. Stoga se ovaj sistem takođe naziva fokusirajući sistem.
Elektrostatička defekcija
Da bismo pronašli izraz za defekciju, posmatrajmo sistem prikazan ispod:
U ovom sistemu imamo dve ploče A i B koje su na potencijalu +E i 0 redom. Ove ploče se takođe zovu odbijajuće ploče. Polje proizvedeno ovim pločama je u smeru pozitivne y ose i ne postoji sila duž x ose. Nakon odbijajućih ploča imamo ekran kroz koji možemo meriti neto defekciju elektronskog zraka. Sada posmatrajmo zrak elektrona koji dolazi duž x ose, kao što je prikazano na slici. Zrak se defektuje pod uglom A, zbog prisustva električnog polja, a defekcija je u pozitivnom smeru y ose, kao što je prikazano na slici. Sada izvedimo izraz za defekciju ovog zraka. Po zakonu održanja energije, gubitak potencijalne energije kada elektron prelazi od katode do ubrzavajućeg anoda treba da bude jednak dobitku kinetičke energije elektrona. Matematički možemo napisati,
Gde je, e naboj na elektron,
E potencijalna razlika između dve ploče,
m masa elektrona,
a v brzina elektrona.
Tako, eE je gubitak potencijalne energije, a 1/2mv1/2 je dobitak kinetičke energije.
Iz jednačine (1) imamo brzinu v = (2eE/m)1/2.
Sada imamo intenzitet električnog polja duž y ose E/d, stoga je sila koja djeluje duž y ose data sa F = eE/d, gde je d razmak između dve odbijajuće ploče.
Zbog ove sile elektron će defektovati duž y ose i neka defekcija duž y ose bude jednaka D, što je označeno na ekranu, kao što je prikazano na slici. Zbog sile F postoji neto uspon elektrona duž pozitivne y ose, a ovaj uspon je dat sa Ee/(d × m). Budući da je početna brzina duž pozitivne y ose nula, možemo pomoću jednačine kretanja napisati izraz za pomak duž y ose kao,
Kako je brzina duž x ose konstantna, možemo napisati pomak kao,
Gde je, u brzina elektrona duž x ose.
Iz jednačina 2 i 3 imamo,
Što je jednačina trajektorije elektrona. Sada, diferenciranjem jednačine 4 imamo nagib, tj.
Gde je, l dužina ploče.
Defekcija na ekranu može biti izračunata kao,
