ออสซิลโลสโคปรังสีแคโทด | CRO

อะไรคือเครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอด

เครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอด (CRO) เป็นเครื่องมือที่ใช้ในห้องปฏิบัติการเพื่อแสดงวัดและวิเคราะห์รูปคลื่นต่างๆ ของวงจรไฟฟ้า เครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอดเป็นเครื่องพล็อต X-Y ที่รวดเร็วมากสามารถแสดงสัญญาณขาเข้าเทียบกับเวลาหรือสัญญาณอื่น ๆ ได้

เครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอดใช้จุดสว่างที่สร้างขึ้นจากการยิงลำแสงอิเล็กตรอน และจุดสว่างนี้จะเคลื่อนที่ตามความแปรผันของปริมาณขาเข้า ในขณะนี้คำถามหนึ่งที่ต้องเกิดขึ้นในใจของเราคือ ทำไมเราถึงใช้เพียงลำแสงอิเล็กตรอนเท่านั้น สาเหตุหลักคือผลกระทบต่ำของลำแสงอิเล็กตรอนที่สามารถใช้ติดตามการเปลี่ยนแปลงค่าทันทีของปริมาณขาเข้าที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว รูปแบบทั่วไปของเครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอดทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้า

ดังนั้นปริมาณขาเข้าที่เราพูดถึงข้างต้นคือแรงดันไฟฟ้า ปัจจุบันด้วยความช่วยเหลือของทรานสดิวเซอร์ เราสามารถแปลงปริมาณทางกายภาพต่างๆ เช่น กระแสไฟฟ้า ความดัน การเร่งความเร็ว เป็นแรงดันไฟฟ้า ทำให้เราสามารถมีการนำเสนอภาพของปริมาณต่างๆ เหล่านี้บนเครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอด ตอนนี้มาดูรายละเอียดการสร้างเครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอดกัน

การสร้างเครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอด

ส่วนหลักของเครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอดคือหลอดลำแสงแคทโอด ซึ่งเป็นหัวใจของเครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอด

มาดูการสร้างหลอดลำแสงแคทโอดเพื่อทำความเข้าใจการสร้างเครื่องออสซิลโลสโคปลำแสงแคทโอด หลอดลำแสงแคทโอดประกอบด้วยส่วนหลัก 5 ส่วน:

1. ปืนอิเล็กตรอน

2. ระบบแผ่นเบี่ยงเบน

3. จอฟลูออเรสเซนต์

4. กล่องแก้ว

5. ฐาน

คุณจะต้องใช้ทั้ง 5 ส่วนนี้ในการสร้างเครื่องออสซิลโลสโคป DIY ของคุณเอง เราจะมาดูรายละเอียดของ 5 ส่วนนี้ต่อไป:

ปืนอิเล็กตรอน:
เป็นแหล่งกำเนิดลำแสงอิเล็กตรอนที่ได้รับการเร่งและโฟกัส มี 6 ส่วนคือ ฮีตเตอร์ แคทโอด กริด แอนาโอดก่อนเร่ง แอนาโอดโฟกัส และแอนาโอดเร่ง ในการได้รับการปล่อยอิเล็กตรอนในปริมาณสูง ชั้นออกไซด์บาร์เดียม (ที่เคลือบบนปลายแคทโอด) จะถูกอุ่นโดยอ้อมที่อุณหภูมิปานกลาง อิเล็กตรอนหลังจากนั้นจะผ่านรูเล็กๆ ที่เรียกว่ากริดควบคุมซึ่งทำจากนิกเกิล กริดควบคุมด้วยแรงโน้มถ่วงลบจะควบคุมจำนวนอิเล็กตรอนหรือความเข้มของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคทโอดหลังจากผ่านกริดควบคุม อิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกเร่งด้วยแอนาโอดก่อนเร่งและแอนาโอดเร่ง แอนาโอดก่อนเร่งและแอนาโอดเร่งเชื่อมต่อกับศักย์บวกทั่วไป 1500 โวลต์

จากนั้นฟังก์ชันของแอนาโอดโฟกัสคือการทำให้ลำแสงอิเล็กตรอนที่ผลิตขึ้นนั้นคมชัด แอนาโอดโฟกัสเชื่อมต่อกับแรงดันที่ปรับได้ 500 โวลต์ มีสองวิธีในการโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอนและเขียนไว้ด้านล่าง:

1. การโฟกัสด้วยไฟฟ้าสถิต

2. การโฟกัสด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า

ที่นี่เราจะพิจารณาการโฟกัสด้วยไฟฟ้าสถิตอย่างละเอียด

การโฟกัสด้วยไฟฟ้าสถิต
เราทราบว่าแรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนคือ – qE โดยที่ q คือประจุของอิเล็กตรอน (q = 1.6 × 10-19 C) E คือความเข้มสนามไฟฟ้า และเครื่องหมายลบแสดงว่าทิศทางของแรงตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า ตอนนี้เราจะใช้แรงนี้เพื่อเบี่ยงเบนลำแสงอิเล็กตรอนที่ออกจากปืนอิเล็กตรอน ลองพิจารณาสองกรณี:

กรณีที่หนึ่ง
ในกรณีนี้เรามีแผ่น A และ B ดังที่แสดงในภาพ

แผ่น A อยู่ที่ศักย์ +E ในขณะที่แผ่น B อยู่ที่ศักย์ –E ทิศทางของสนามไฟฟ้าคือจากแผ่น A ไปยังแผ่น B ที่มุมฉากกับผิวของแผ่น ผิวที่มีศักย์เท่ากันแสดงในแผนภาพซึ่งตั้งฉากกับทิศทางของสนามไฟฟ้า เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนผ่านระบบนี้มันจะเบี่ยงเบนในทิศทางตรงข้ามกับสนามไฟฟ้า มุมเบี่ยงเบนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่ายโดยการเปลี่ยนศักย์ของแผ่น

กรณีที่สอง
ที่นี่เรามีทรงกระบอกสองชั้นที่มีศักย์แตกต่างกันระหว่างพวกมันดังที่แสดงในภาพ

ทิศทางผลรวมของสนามไฟฟ้าและผิวที่มีศักย์เท่ากันแสดงในแผนภาพ ผิวที่มีศักย์เท่ากันแสดงด้วยเส้นประที่มีรูปโค้ง ตอนนี้เราสนใจในการคำนวณมุมเบี่ยงเบนของลำแสงอิเล็กตรอนเมื่อมันผ่านผิวโค้งที่มีศักย์เท่ากัน ลองพิจารณาผิวโค้ง S ดังที่แสดงด้านล่าง ศักย์ทางขวาของผิวนั้นคือ +E ในขณะที่ศักย์ทางซ้ายของผิวนั้นคือ –E เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนตกกระทบที่มุม A ต่อปกติมันจะเบี่ยงเบนที่มุม B หลังจากผ่านผิว S ดังที่แสดงในแผนภาพด้านล่าง องค์ประกอบปกติของความเร็วของลำแสงจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงกระทำในทิศทางปกติต่อผิว หมายความว่าความเร็วตามแนวจะคงที่ ดังนั้นโดยเทียบเท่ากับองค์ประกอบตามแนวเรามี V1sin (A) = V2sin(B) โดยที่ V1 คือความเร็วเริ่มต้นของอิเล็กตรอน V2 คือความเร็วหลังจากผ่านผิว ตอนนี้เรามีสัมพันธ์ว่า sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
จากสมการดังกล่าวเราสามารถเห็นว่ามีการโค้งของลำแสงอิเล็กตรอนหลังจากผ่านผิวที่มีศักย์เท่ากัน ดังนั้นระบบดังกล่าวจึงเรียกว่าระบบโฟกัส

การเบี่ยงเบนด้วยไฟฟ้าสถิต
เพื่อหาสูตรสำหรับการเบี่ยงเบน ลองพิจารณาระบบดังที่แสดงด้านล่าง:


ในระบบดังกล่าวเรามีแผ่น A และ B ซึ่งอยู่ที่ศักย์ +E และ 0 ตามลำดับ แผ่นเหล่านี้เรียกว่าแผ่นเบี่ยงเบน สนามที่สร้างขึ้นโดยแผ่นเหล่านี้อยู่ในทิศทางของแกน y ที่เป็นบวกและไม่มีแรงตามแกน x หลังจากแผ่นเบี่ยงเบนเรามีหน้าจอที่เราสามารถวัดการเบี่ยงเบนสุทธิของลำแสงอิเล็กตรอนได้ ตอนนี้ลองพิจารณาลำแสงอิเล็กตรอนที่มาจากแกน x ดังที่แสดงในแผนภาพ ลำแสงเบี่ยงเบนที่มุม A เนื่องจากมีสนามไฟฟ้าและการเบี่ยงเบนอยู่ในทิศทางบวกของแกน y ดังที่แสดงในแผนภาพ ตอนนี้ลองหาสูตรสำหรับการเบี่ยงเบนของลำแสงนี้ ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เราได้การสูญเสียพลังงานศักย์เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากแคทโอดไปยังแอนาโอดเร่งควรเท่ากับการได้รับพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน ทางคณิตศาสตร์เราสามารถเขียนได้ดังนี้

ที่ e คือประจุของอิเล็กตรอน,
E คือศักย์ไฟฟ้าระหว่างแผ่นสองแผ่น,
m คือมวลของอิเล็กตรอน,
และ v คือความเร็วของอิเล็กตรอน.
ดังนั้น eE คือการสูญเสียพลังงานศักย์และ 1/2mv1/2 คือการได้รับพลังงานจลน์.
จากสมการ (1) เราได้ความเร็ว v = (2eE/m)1/2.
ตอนนี้เรามีความเข้มสนามไฟฟ้าตามแกน y คือ E/d ดังนั้นแรงที่กระทำตามแกน y คือ F = eE/d โดย d คือระยะห่างระหว่างแผ่นเบี่ยงเบนสองแผ่น.
เนื่องจากแรง F นี้ อิเล็กตรอนจะเบี่ยงเบนตามแกน y และให้การเบี่ยงเบนตามแกน y เท่ากับ D ซึ่งแสดงบนหน้าจอตามที่แสดงในแผนภาพ ด้วยแรง F มีการเร่งขึ้นของอิเล็กตรอนตามแกน y ที่เป็นบวกและนี้คือการเร่งที่กำหนดโดย Ee/(d × m) ตั้งแต่ความเร็วเริ่มต้นตามแกน y ที่เป็นบวกคือศูนย์ ดังนั้นโดยสมการของการเคลื่อนที่เราสามารถเขียนสมการของการกระจัดตามแกน y ได้ดังนี้

เนื่องจากความเร็วตามแกน x คงที่ ดังนั้นเราสามารถเขียนการกระจัดได้ดังนี้

ที่ u คือความเร็วของอิเล็กตรอนตามแกน x.
จากสมการ 2 และ 3 เราได้

ซึ่งเป็นสมการของแนวของอิเล็กตรอน ตอนนี้เมื่อทำการหาอนุพันธ์ของสมการ 4 เราได้ความลาดเอียงคือ

ที่ l คือความยาวของแผ่น.
การเบี่ยงเบนบนหน้าจอสามารถคำนวณได้ดังนี้

ระยะ L แสดงในแผนภาพด้านบน สมการสุดท้ายของ D สามารถเขียนได้ดังนี้

จากสมการของการเบี่ยงเบน เราสามารถคำนวณความไวของการเบี่ยงเบนได้ดังนี้