книги / Электронная оптика и электроннолучевые приборы

центре скрещения можно достигнуть за счет увеличения удельной эмиссии катода при одновременном снижении его рабочей темпе­ ратуры. Очевидно, при использовании термокатодов указанные требования являются противоречащими друг другу, так как сниже­ ние температуры катода неизбежно приводит к падению плотности эмиссионного тока.

В последние годы разработаны опытные образцы электронно­ лучевых трубок с холодными (автоэлектронными) катодами, обес­ печивающими достаточно большой ток с очень малой поверхности эмиттера, т. е. большую плотность эмиссионного тока. Такие ка­ тоды по многим параметрам (низкая температура, большая плот­ ность эмиссионного тока, высокая экономичность) превосходят термокатоды и являются перспективными для электронных про­ жекторов многих электроннолучевых приборов. Однако недоста­ точные стабильность и долговечность пока не позволяют использо­ вать автоэлектронные катоды в серийных электроннолучевых трубках.

На основе полученных уравнений можно теоретически оценить радиус скрещения, условившись считать границей скрещения ок­ ружность, вдоль которой плотность тока составляет определенную долю плотности тока в центре скрещения. Например, при /гс^О,1/о> рабочей температуре катода 1000° К и практически приемлемой величине потенциала в области скрещения нетрудно получить тео­ ретический радиус скрещения порядка 10 мкм.

Экспериментальное определение радиуса скрещения и распре­ деления плотности тока по сечению скрещения связано с очень большими трудностями. Поэтому непосредственная эксперимен­ тальная проверка формул (3.8), (3.15) и (3.17) трудно осуществи­ ма. Однако, поскольку вторая линза прожектора настраивается так, что на экране получается увеличенное изображение скреще­ ния, оценку параметров скрещения можно провести, исследуя след электронного луча (светящееся пятно) на экране. Конечно, досто­ верные результаты могут быть получены только в том случае, если точно известны оптические параметры второй линзы и сама вторая линза имеет достаточно малые аберрации. Кроме того, при таких

измерениях необходимо обеспечить прохождение всего электрон­ ного пучка, вышедшего из плоскости скрещения, до приемника (эк­ рана), т. е. в области второй линзы не должно быть диафрагм, ограничивающих сечение луча. Оценку параметров скрещения по параметрам пятна на экране обычно производят на прожекторах

смагнитной фокусировкой, у которых в качестве второй линзы ис­ пользуется магнитная линза с малыми аберрациями. Прожекторы

смагнитной фокусировкой могут не иметь ограничивающих диа­ фрагм при сохранении хорошего качества фокусировки.

Оценка параметров скрещения по экспериментально определен­ ным параметрам пятна на экране показывает, что практически ра­ диус скрещения оказыва- antMM

чивается.

Указанные расхождения объясняются в основном двумя факто­ рами. В приближенной теории формирования скрещения предпо­

расположением, т. е. не учитывалось возможное искажение поля собственным пространственным зарядом электронов. Игнорирова­ ние влияния пространственного заряда возможно лишь при вели­

ной величины и наличие пространственного заряда заметно влияет на формирование электронного луча.

Теоретический учет влияния пространственного заряда на фор­ мирование скрещения приводит к сложным интегральным уравне­ ниям, которые могут быть решены лишь для некоторых частных случаев.

Качественно наличие заметного влияния пространственного за­ ряда в области скрещения приводит к появлению радиальной сос­ тавляющей электрического поля, создающей силу, действующую на электроны в направлении от оси (сила кулоновского расталкива­

ния электронов, см. § 2.1). Расталкивание электронов вызывает расширение пучка, что и наблюдается как увеличение радиуса скрещения. Точно так же расталкивающее действие пространствен­ ного заряда вытесняет часть электронов из приосевой области пуч­ ка, что приводит к уменьшению плотности тока в центре скре­ щения.

Второй фактор, который не учитывался в приближенной теории формирования скрещения, — аберрации иммерсионного объектива и в первую очередь сферическая аберрация, наблюдающаяся даже при малых токах пучка, когда электроны отбираются только с центральной части поверхности катода. С ростом тока электроны начинают отбираться с все большей части поверхности катода, условия параксиальности вблизи катода нарушаются и становятся

Азаметными другие виды гео­ метрических аберраций —

астигматизм, кома, дисторсия. Поэтому с ростом тока луча и наблюдается замет­ ное увеличение размеров скрещения. Конечно, и пер­ вый фактор — расталкиваю­ щее действие пространствен­ ного заряда — сильнее сказывается при больших токах луча.

Как было указано, учет влияния пространственного заряда теоретически затруднен. Точно так же расчет аббераций иммерсионного объекта обычно не может быть выполнен аналитически. Поэтому при расчете прожекторов часто используют приближенные выражения, а затем вносят по­ правки с учетом пространственного заряда и геометрических абер­ раций, основываясь на экспериментальных данных, полученных в прожекторах аналогичных конструкций.

Одним из параметров первой линзы прожектора является угол расхождения электронного пучка за плоскостью скрещения. От величины этого угла зависят многие параметры электроннолучево­ го прибора, например размер пятна на экране, аберрации отклоня­ ющих систем и, как следствие, разрешающая способность прибора.

Электроны за плоскостью скрещения летят по слегка искривлен­ ным в сторону оси траекториям (рис. 3.8).

Это искривление вызвано тем, что скрещение в реальных сис­ темах формируется при потенциале, несколько отличающемся (в меньшую сторону) от потенциала анода. Поэтому между плос­ костью скрещения и анодом всегда имеется небольшое ускоряющее и фокусирующее поле.

Приближенно можно считать, что вершина конуса пучка элек­ тронов, выходящих из плоскости скрещения, лежит на оси прожек­ тора в плоскости диафрагмы модулятора. На основании теоремы Лагранжа — Гельмгольца (3.2) можно сделать вывод, что для по

На рис. 3.9 приведены графики зависимости угла расхождения

главной фокусирующей линзой дополнительной слабой иммерсион­ ной линзы, несколько фокусирующей пучок, расходящийся за плоскостью скрещения. В этом, как было указано, заключается одно из преимуществ прожекторов, построенных по трехлинзовой оптической схеме.

§3.3. ЗАПИРАЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ

ИМОДУЛЯЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Впрожекторах электроннолучевых приборов, как правило, имеете ся возможность управления током луча в широких пределах. По аналогии с электронными лампами управление током целесооб^

разно осуществлять изменением электростатического поля вблизи катода, т. е. в области, где скорости электронов невелики и неболь­ шое изменение поля может заметно изменить характер движения электронов, их траектории. Кроме того, весьма желательно управ­ лять током луча без затраты мощности.

Поскольку катод прожектора «погружен» в поле иммерсионно­ го объектива, очевидно, управлять током катода (а следователь­ но, и током луча) удобно, изменяя поле иммерсионного объектива, что проще всего осуществляется изменением потенциала ближай­ шего к катоду электрода.

Вбольшинстве прожекторов электроннолучевых приборов поле

вприкатодной области определяется конфигурацией, взаимным

модулятором, с небольшим отрицательным относительно катода потенциалом t/M, и анода или ускоряющего электрода (в виде ци­ линдра или диска с круглым отверстием) с высоким положитель­ ным потенциалом (7а.

Изменение потенциала модулятора существенно влияет на поле в прикатодной области и как следствие на величину тока катода (и тока луча). Так как потенциал модулятора отрицателен по от­ ношению к катоду, ток в цепи модулятора практически равен нулю, т. е. управление осуществляется без затраты мощности. Таким образом, модулятор является аналогом управляющей сетки элект­ ронной лампы. Но в отличие от электронных ламп модулятор, кро­ ме регулирования тока луча (точнее, тока катода), принимает участие в формировании фокусирующего поля иммерсионного объ­ ектива, т. е. изменение потенциала модулятора влечет за собой изменение оптических свойств первой линзы. Изменение потенциа­ ла модулятора изменяет фокусное расстояние первой линзы, в ре­ зультате чего изменяется положение плоскости скрещения. Повы­ шение потенциала модулятора приводит к удалению плоскости скрещения от катода. Поэтому при изменении потенциала модуля­ тора для управления током катода необходимо «подстраивать» вторую линзу прожектора, чтобы получить на экране возможно меньшее пятно (см. § 3.4).

Поскольку влияние потенциала модулятора на поле в прнкатодной области аналогично действию напряжения управляющей сетки триода, можно предположить, что зависимость тока катода прожектора от потенциала модулятора по аналогии с электронны­ ми лампами будет описываться известным уравнением закона 3/2. Однако опыт показывает, что изменение тока катода прожекто­ ра при изменении потенциала модулятора, даже в самом грубом приближении, заметно отличается от закона 3/2. Этому можно дать следующее объяснение.

При выводе уравнения закона 3/2 для электронных ламп пред­ полагается, что электроны могут уходить со всей поверхности ка­ тода, нагретой до рабочей температуры, т. е. площадь рабочей поверхности катода равна площади его геометрической поверхнос­

ти. Изменение тока катода при изменении напряжения управляю­ щей сетки объясняется изменением поля у всей поверхности като­ да. Запирание электронной лампы наступает при создании у всей рабочей поверхности катода тормозящего поля. Иными словами, при выводе уравнения закона 3/г предполагается, что у поверхности катода действует только дальнее, усредненное поле сетки. Ближнее поле имеется только в лампах с редкими, близко расположенными к катоду сетками, у которых легко возникает островковый эффект. При наличии островкового эффекта уравнение закона 3/г теряет смысл.

При рассмотрении работы электронного прожектора, где роль управляющей сетки играет модулятор, считать поле у поверхности

Рис. 3.10. Изменение поля у поверхности катода при изменении по­ тенциала модулятора

катода дальним нельзя даже в самом грубом приближении. При отрицательном относительно катода потенциале модулятора у зна­ чительной поверхности катода поле будет тормозящим, электроны смогут уходить только с небольшой центральной области катода, где еще имеется положительный градиент потенциала. В этом слу­ чае площадь рабочей поверхности катода будет намного меньше площади его геометрической поверхности. С приближением к на­ пряжению запирания рабочая область катода стягивается в точку, и при запирании у всей поверхности катода создается тормозящее поле. Изменение поля у поверхности катода при изменении потен­ циала модулятора схематически показано на рис. 3.10.

Как видно из рисунка, только при потенциале модулятора, близ­ ком к нулю или выше нуля, поле у поверхности катода становится более или менее однородным. Режим UM> U K принципиально воз­ можен, но практически не используется из-за ответвления большой части электронного тока на модулятор и, как следствие, бесполез­ ной перегрузки катода. Кроме того, при близко расположенном к

катоду и положительно заряженном модуляторе легко наступает режим насыщения, управление током катода становится мало эф­ фективным.

Изменение рабочей поверхности катода при изменении напря­ жения модулятора приводит к более быстрому росту тока катода прожектора с уменьшением (по абсолютной величине) напряжения модулятора. Вследствие этого зависимость тока катода прожекто­ ра от напряжения модулятора (модуляционная характеристика) описывается показательной функцией с показателем степени, большим 3/2.

Аналитический расчет токовых характеристик прожектора с учетом всех факторов, влияющих на отбор тока с катода, представ­ ляет значительные трудности. Поэтому было предложено несколь­ ко приближенных соотношений, описывающие зависимость тока катода прожектора от напряжений модулятора и анода. Так, на­ пример, если предположить, что радиус рабочей поверхности ка­ тода гк связан с радиусом диафрагмы модулятора RMсоотноше­ нием

запирающее напряжение — напряжение модулятора, при котором ток катода становится равным нулю, то согласно закону 3/2 с уче­ том переменной поверхности катода ток катода

В этой формуле, предложенной Е. Гундертом, коэффициент k равен 2,8 ( /« [мка\, t/M, t/M0[e]). Выражение (3.21) удовлетворитель­ но описывает экспериментальную зависимость IK=f(U м) для про­ жекторов с отношением расстояния катод — модулятор rfKM к ра­ диусу диафрагмы модулятора RM, лежащим в пределах 0 ,7 ^

^—— <1,1. По данным П. А. Тарасова, более точное совпадение Ям

получается при значении k в формуле (3.21), равном 2,3.