Kathodstråloskop | CRO
Vad är ett katodstråloskilloskop?
Ett katodstråloskilloskop (CRO) är en instrument som vanligtvis används i laboratorier för att visa, mäta och analysera olika vågor av elektriska kretsar. Ett katodstråloskilloskop är en mycket snabb X-Y-plotter som kan visa ett inmatat signal mot tid eller en annan signal.
Katodstråloskilloskop använder ljusfläckar som produceras genom att elektronstrålen träffar och denna ljusfläck rör sig i respons till variationer i den inmatade storheten. I detta ögonblick måste en fråga uppstå i vårt sinne: varför använder vi bara en elektronstråle? Anledningen bakom detta är de låga effekterna av elektronstrålen som kan användas för att följa förändringarna i de snabbt föränderliga inmatade storheterna. De allmänna formerna av katodstråloskilloskop fungerar på spänningar.
Så den inmatade storheten som vi har talat om ovan är spänning. Numera, med hjälp av transducenter, är det möjligt att konvertera olika fysiska storheter som ström, tryck, acceleration osv. till spänning, vilket gör det möjligt för oss att få visuella representationer av dessa olika storheter på katodstråloskilloskop. Låt oss nu titta på konstruktionens detaljer för katodstråloskilloskopet.
Konstruktion av katodstråloskilloskop
Den huvudsakliga delen av katodstråloskilloskopet är katodstrålröret, som också kallas hjärtat av katodstråloskilloskopet.
Låt oss diskutera konstruktionen av katodstrålröret för att förstå konstruktionen av katodstråloskilloskopet. Katodstrålröret består i grunden av fem huvuddelar:
Elektronkanon
Avvikningsplattsystem
Fluorescerande skärm
Glasomhölje
Bas
Du behöver alla 5 av dessa komponenter för att bygga ditt eget DIY-oskilloskop. Vi kommer nu att diskutera dessa 5 komponenter i detalj:
Elektronkanon:
Det är källan till den accelererade, energiserade och fokuserade strålen av elektroner. Den består av sex delar, nämligen värmelement, katod, nät, föraccelererande anod, fokuserande anod och accelererande anod. För att få hög utsläpp av elektroner värms lagen av bariumoxid (som är belagd vid änden av katoden) indirekt vid måttlig temperatur. Efter detta passerar elektronerna genom ett litet hål kallat kontrollnät som är gjort av nickel. Som namnet antyder, kontrollerar kontrollnätet, med sitt negativa bias, antalet elektroner eller indirekt kan vi säga intensiteten av de emitterade elektronerna från katoden. Efter att ha passerat kontrollnätet accelereras dessa elektroner med hjälp av föraccelererande och accelererande anoder. De föraccelererande och accelererande anoderna är anslutna till en gemensam positiv potential på 1500 volt.
Nu efter detta är funktionen av fokuserande anoden att fokusera strålen av elektroner som så producerats. Fokuserande anoden är ansluten till justerbar spänning på 500 volt. Nu finns det två metoder för att fokusera elektronstrålen och de står nedan:
Elektrostatisk fokusering.
Elektromagnetisk fokusering.
Här kommer vi att diskutera elektrostatisk fokuseringsmetod i detalj.
Elektrostatisk fokusering
Vi vet att kraften på en elektron ges av – qE, där q är laddningen på elektron (q = 1.6 × 10-19 C), E är elektriska fältets intensitet och negativt tecken visar att riktningen av kraften är i motsatt riktning till elektriska fältet. Nu kommer vi att använda denna kraft för att deflektera strålen av elektroner som kommer ur elektronkanonen. Låt oss överväga två fall:
Fall ett
I detta fall har vi två plattor A och B som visas i figuren.
Plattan A är vid potential +E medan plattan B är vid potential –E. Riktningen av elektriska fältet är från platta A till platta B i rät vinkel till plattornas ytor. De ekvipotentiella ytor som också visas i diagrammet är vinkelräta mot riktningen av elektriska fältet. När strålen av elektron passerar genom detta plattsystem, deflekteras den i motsatt riktning till elektriska fältet. Deflektionsvinkeln kan enkelt varieras genom att ändra potentialen på plattorna.
Fall två
Här har vi två koncentriska cylinder med en potentialskillnad applicerad mellan dem som visas i figuren.
Den resulterande riktningen av elektriska fältet och de ekvipotentiella ytor som också visas i figuren. De ekvipotentiella ytor markeras av punktskilda linjer som är buktade i form. Nu här är vi intresserade av att beräkna deflektionsvinkeln av elektronstrålen när den passerar genom denna buktade ekvipotentiella yta. Låt oss överväga den buktade ekvipotentiella ytan S som visas nedan. Potentialen på höger sida av ytan är +E medan potentialen på vänster sida av ytan –E. När en stråle av elektron är incident vid vinkel A till normalen deflekteras den med vinkel B efter att ha passerat genom ytan S som visas i figuren nedan. Den normala komponenten av hastigheten för strålen kommer att öka eftersom kraften verkar i riktningen normal till ytan. Det betyder att de tangentiella hastigheterna kommer att förbli oförändrade, så genom att jämföra de tangentiella komponenterna har vi V1sin (A) = V2sin(B), där V1 är den ursprungliga hastigheten av elektronerna, V2 är hastigheten efter att ha passerat genom ytan. Nu har vi relationen som sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
Vi kan från ovanstående ekvation se att det finns böjning av elektronstrålen efter att ha passerat genom ekvipotentiella ytan. Därför kallas detta system också fokuseringssystem.
Elektrostatisk deflektion
För att hitta uttrycket för deflektionen, låt oss överväga ett system som visas nedan:
I det ovanstående systemet har vi två plattor A och B som är vid potential +E och 0 respektive. Dessa plattor kallas också deflektionsplattor. Fältet som produceras av dessa plattor är i riktningen av den positiva y-axeln och det finns ingen kraft längs x-axeln. Efter deflektionsplattor har vi skärm genom vilken vi kan mäta netto deflektion av elektronstrålen. Nu låt oss överväga en stråle av elektron som kommer längs x-axeln som visas i figuren. Strålen deflekteras med vinkel A, på grund av närvaro av elektriska fältet och deflektionen är i den positiva riktningen av y-axeln som visas i figuren. Nu låt oss härleda ett uttryck för deflektion av denna stråle. Genom bevarandet av energi, har vi förlust av potentiell energi när elektronen flyttar från katod till accelererande anod bör vara lika med vinsten i kinetisk energi hos elektronen. Matematiskt kan vi skriva,
Där, e är laddningen på elektron,
E är potentialskillnaden mellan de två plattorna,
m är massan av elektron,
och v är hastigheten av elektronen.
Så, eE är förlust av potentiell energi och 1/2mv1/2 är vinsten i kinetisk energi.
Från ekvation (1) har vi hastighet v = (2eE/m)1/2.
Nu har vi elektriska fältets intensitet längs y-axeln är E/d, därför kraften som verkar längs y-axeln ges av F = eE/d där d är avståndet mellan de två deflektionsplattorna.
På grund av denna kraft kommer elektronen att deflektera längs y-axeln och låt deflektionen längs y-axeln vara lika med D som är markerad på skärmen som visas i figuren. På grund av kraften F finns det netto uppförsbacke av elektronen längs den positiva y-axeln och denna acceleration ges av Ee/(d × m).Eftersom den ursprungliga hastigheten längs den positiva y-riktningen är noll, så kan vi genom ekvationen för rörelse skriva uttrycket för förflyttning längs y-axeln som,
Eftersom hastigheten längs x-riktningen är konstant, så kan vi skriva förflyttningen som,
Där, u är hastigheten av elektron längs x-axeln.
Från ekvationer 2 och 3 har vi,
Vilket är ekvationen för banan av elektronen. Nu genom att derivera ekvation 4 har vi lutning dvs.
Där, l är längden av plattan.
Deflektion på skärmen kan beräknas som,
Avstånd L visas i figuren ovan. Slutgiltigt uttryck för D kan skrivas som,
Från uttrycket för deflektion, beräknar vi deflektionssensitivitet som,
