Основной и наиболее важной частью электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).
ЭЛТ представляет собой стеклянную колбу, в которой создан вакуум порядка 10 – 3 ÷ 10–4 Па (10 – 5 ÷ 10 – 6 мм рт. ст.). В колбе расположен ряд электродов (рис.1), предназначенных для формирования электронного луча и его отклонения: 1 – подогреватель катода, 2 – катод, 3 – электрод, управляющий яркостью изображения (модулятор), 4 – фокусирующий анод (первый анод А1), 5 – ускоряющий анод (второй анод А2), от напряжения на котором зависит чувствительность трубки к напряжению на отклоняющих пластинах, 6 – горизонтально отклоняющие пластины, 7 – вертикально отклоняющие пластины, 8 – ускоритель (третий анод А3), представляет собой проводящий слой на боковой поверхности колбы вблизи экрана, 9 – флюоресцирующий экран.
Электронный пучок формируется системой электродов 1-5, называемой «электронной пушкой». Конструкция электродов «электронной пушки» представляет собой цилиндрическую осесимметричную систему. Нагретый катод трубки служит источником электронов для формируемого пучка. Яркость светящегося пятна на экране осциллографа определяется током электронного луча, который регулируется изменением напряжения на модуляторе относительно катода (–50 ÷ –100 В). Действие модулятора аналогично действию управляющей сетки в электровакуумной лампе.
Модулятор и аноды А1, А2 образуют систему фокусировки электронного пучка, которая управляет размером светящегося пятна на экране ЭЛТ.
При отсутствии напряжений на отклоняющих пластинах 6 и 7 электронный луч попадает в центр экрана ЭЛТ. Если же на вертикально (или горизонтально) отклоняющие платины подается постоянная разность потенциалов, то смещение h точки попадания луча относительно центра экрана по вертикали (или горизонтали) пропорционально разности потенциалов U, подаваемой на соответствующие пластины:
. (1)
Здесь l – длина соответствующих пластин, d – расстояние между пластинами, L – расстояние от середины пластин до экрана, U2 >0 – разность потенциалов между катодом и вторым анодом. Коэффициент пропорциональности k в (1) называется чувствительностью трубки к напряжению. Типичные значения k составляют 0,02÷0,05см/В. вывод формулы (1) приводится в [1].
Формула (1) применима в том случае, когда на отклоняющие пластины подается переменное напряжение, но при условии, что оно слабо изменяется за время пролета τ электрона между пластинами. Характерными интервалами времени Т, определяющими скорость изменения переменного сигнала, могут, например, быть: период сигнала, длительность импульса, время нарастания сигнала до некоторого уровня и т.д. Оценим то минимальное значение Тмин интервала времени Т, при котором выполняется обсуждаемое условие: Тмин ³ t. Скорость электронов в ЭЛТ после вылета из «электронной» пушки составляет примерно 2 * 10 7 м/с (при разности потенциалов между катодом и вторым анодом » 10 3 В). Полагая длину отклоняющих пластин равной l = 3 см, для времени пролета t получим: t = 1,5 * 10 – 9 с. Тогда, выбирая условие Тмин / t ³ 10 в качестве критерия применимости формулы (1) для переменного сигнала, имеем: Тмин = 15 * 10 – 9 с. Это означает, например, что выражение (1) с высокой точностью будет определять координаты точки попадания электрона на экран ЭЛТ, если значение частоты синусоидального напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины, не превышает 10 6 Гц, т.е. 1 МГц. Таким образом, в рабочем диапазоне частот учебного осциллографа (0÷1МГц) смещение луча по вертикали (или горизонтали) на экране ЭЛТ можно считать пропорциональным мгновенному значению напряжения на соответствующих отклоняющих пластинах.
На внутреннюю часть трубки в области за вторым анодом нанесено проводящее покрытие, которое соединено со вторым анодом (см. рис.1). В этой части трубки электроны двигаются в пространстве, свободном от электрического поля ускоряющего электрода. Наличие проводящего покрытия исключает накопление на стенках трубки электрических зарядов, электрическое поле которых может исказить распределение поля в трубке. Одновременно покрытие служит для отвода вторичных электронов, выбиваемых с экрана электронным пучком.
Электронный луч попадает на экран трубки, покрытый люминофором, и вызывает свечение. Люминофоры, которые применяются для покрытия экранов ЭЛТ, обладают так называемым послесвечением, т.е. их свечение длиться некоторое время после исчезновения действия электронного луча (время послесвечения для различных люминофоров обычно находится в пределах 10 – 2 ÷ 10 –1 с).
. (1)