В качестве примера на рис. 5 показано сечение электродной системы, обеспечивающей у границы пучка пирсовское распределение потенциала.
Рис. 12. Упрощенная форма электродов пушки Пирса
Как видно из рисунка, форма электродов весьма далека от теоретической (идеальной).
Из аналитических расчетов следует, что нулевая эквипотенциальная поверхность должна подходить к границе пучка у поверхности катода под углом 67,5°. Точное выполнение этого условия в практической конструкции пушки возможно лишь при изготовлении катода и прикатодного фокусирующего электрода в виде единой детали — усеченного конуса, меньшее отверстие которого закрыто катодом.
Однако такое решение неприемлемо по следующим причинам: фокусирующий электрод, имеющий металлический контакт с термокатодом, будет играть роль радиатора, отводящего тепло от периферийной зоны катода, и для поддержания рабочей температуры катода, обеспечивающей необходимую величину тока эмиссии, потребуется существенное увеличение мощности подогревателя.
Кроме того, при работе катода имеет место миграция активного вещества (бария с оксидного катода) на поверхность фокусирующего электрода, что приводит к появлению паразитного тока электронной эмиссии с поверхности нагретого прикатодного электрода. Паразитный эмиссионный ток может существенно исказить распределение потенциала в прикатодной области и как следствие привести к заметному изменению условий формирования пучка.
Поэтому в практических конструкциях пушек между кромкой катода и краем фокусирующего электрода обязательно должен быть хотя бы небольшой кольцевой зазор. Здесь возможно два конструктивных решения. При достаточно большом катоде отверстие в прикатодном электроде делается с радиусом, превышающим радиус катода на ширину зазора (рис. 6-а).
Рис. 13. Конструкции прикатодных электродов
В случае же малых катодов, когда для размещения подогревателя необходима полость с диаметром, превышающим диаметр эмиттирующей части катода, фокусирующий электрод располагается перед катодом. В обоих случаях поле вблизи зазора искажается, эквипотенциальные поверхности «провисают» в зазор. Это «провисание» поля приводит к искривлению траекторий электронов, испускаемых периферийной частью катода.
Возмущение крайних траекторий полем зазора является очень нежелательным явлением, так как именно крайние электроны определяют конфигурацию пучка и оседание части электронного потока на электроды фокусирующей системы. Искажение поля вблизи зазора зависит не только от ширины самого зазора, но также от формы краев катода и фокусирующего электрода. Технологические скругления кромок приводят к увеличению «провисания» поля и возмущению большей доли электронов.
Расчет показывает, что при ширине зазора 0,1 мм и радиусе скругления кромки катода того же порядка доля возмущенных электронов может составить 10—15% от общего электронного потока, уходящего с катода. Таким образом, при проектировании пушек необходимо стремиться к уменьшению ширины зазора и делать кромки электродов возможно более острыми.
Некоторое снижение доли возмущенных электронов удается получить путем подведения к фокусирующему электроду небольшого отрицательного относительно катода коррегирующего напряжения. В этом случае у краев катода создается тормозящее поле, препятствующее уходу электронов с краев катода. Конечно, при этом несколько уменьшается общий ток пучка, однако регулировкой коррегирующего напряжения удается заметно уменьшить оседание электронов на положительно заряженные электроды системы формирования.
При использовании пушки, формирующей цилиндрический пучок, для компенсации этих ускорений требуется увеличение магнитной индукции ограничивающей системы, но и в этом случае амплитуды пульсаций будут большими. Если же пушка формирует сходящийся пучок, то действие анодной линзы приводит к уменьшению приобретенных в поле пушки радиальных ускорений, направленных в сторону оси.
Соответствующим подбором формы анодного электрода можно получить по выходе из анодного отверстия практически параллельный поток, т. е. свести к минимуму радиальные ускорения электронов, а следовательно, и амплитуду пульсаций границы пучка в заанодном пространстве. И, наконец, в пушках со сходящимся пучком бомбардировке положительными ионами, образующимися вблизи анодного отверстия, подвергается лишь небольшая центральная часть поверхности катода, что также уменьшает преждевременный износ катода.
3.2. Формирование параллельного цилиндрического пучка.
Задача формирования параллельного цилиндрического пучка решается аналогично рассмотренной выше задаче формирования параллельного ленточного пучка, с той лишь разницей, что из бесконечного параллельного потока «вырезается» область в виде цилиндра
Рис. 14. Электронная пушка для формирования параллельного
аксиальносимметричного пучка
Для определения формы фокусирующих электродов решается внешняя задача при следующих начальных условиях, заданных на границе области: U = Uа (z/d)4/3, dU/dr = 0.
Картина эквипотенциальных линий приведена на рис. 15.
Рис. 15. Карта эквипотенциален для расчета формы электродов пушки, формирующей параллельный аксиальносимметричный пучок
Первеанс такой пушки определяется соотношением, вытекающим из закона степени 3/2:
где rк — радиус катода, равный радиусу пучка (rк = rп), d — расстояние катод—анод, Ua — анодное напряжение, I — ток пучка.
Расфокусирующее действие анодного отверстия в рассматриваемой пушке можно приближенно учесть, если исходить из предположения, что оно эквивалентно действию линзы-диафрагмы, фокусное расстояние которой
.
Тогда угол наклона электронных траекторий на выходе из пушки определяется формулой:
a ≈ tg a =
Если сюда подставить значение d, найденное из (15), то получим
где Р — первеанс, мка/в .
4. Современное применение пушек для создания интенсивных электронных пучков
Электронно-лучевые трубки для дисплеев
Сегодня самый распространенный тип мониторов - это CRT (Cathode Ray
Tube) мониторы. Как видно из названия, в основе всех подобных мониторов лежит
катодно-лучевая трубка, но это дословный перевод, технически правильно говорить
электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Иногда CRT расшифровывается и как Cathode Ray
Terminal, что соответствует уже не самой трубке, а устройству, на ней
основанному.
Используемая в этом типе мониторов технология была разработана немецким ученым
Фердинандом Брауном в 1897г. и первоначально создавалась в качестве
специального инструмента для измерения переменного тока, то есть для
осциллографа.
Электронно-лучевая трубка (кинескоп) предназначена для воспроизведения изображения. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, откуда под действием сильного электростатического поля исходит поток электронов. Сквозь металлическую маску или решетку они попадают на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками.
Поток электронов (луч) может отклоняться в вертикальной и горизонтальной плоскости, что обеспечивает последовательное попадание его на все поле экрана. Отклонение луча происходит посредством отклоняющей системы.
Как правило, в цветном мониторе используется три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически не производятся.
Корпорация Sony, в состав которой входят около полутора тысяч фирм, по праву считается лидером ИТ-индустрии. Компания изготавливает много видов электронной техники и отдельных компонентов, и одним из важных направлений ее деятельности является производство дисплеев для ЭВМ.
Все ЭЛТ-дисплеи Sony производятся с трубкой FD Trinitron. Технология FD Trinitron была представлена компанией Sony в 1998 году. Создав электронно-лучевую трубку с практически плоской поверхностью экрана, обладающую в то же время максимально выгнутой внутренней поверхностью, Sony удалось добиться эффекта визуально плоского изображения. Другие фирменные компоненты ЭЛТ также способствуют воспроизведению монитором насыщенного и детального изображения.
Применяемые в ЭЛТ FD Trinitron электронные пушки SAGIC и L-SAGIC (Low Voltage — Small Aperture Grille with Impregnated Cathode) — сверхузкоапертурные, с легированным катодом, формируют очень узкий луч с повышенной плотностью. В FD Trinitron применена конструкция электронной пушки под названием SAGIC (Small Aperture G1 with Impregnated Cathode). В ней используется привычный бариевый катод, но обогащенный вольфрамом, что позволяет продлить срок службы ЭЛТ. Кроме того, диаметр фильтрующего отверстия в первом элементе решетки электронной пушки G1 уменьшен до 0,3 мм по сравнению с обычными 0,4 мм, что позволяет получать на выходе более тонкий электронный луч.
L-SAGIC — это более новая версия пушки, с пониженным энергопотреблением. Учитывается и то, что в ходе эксплуатации компоненты трубки изнашиваются. Например, по мере старения катода напряженность и ток электронного луча падают. В ЭЛТ FD Trinitron специальный BSF-датчик учитывает этот эффект, и система обратной связи повышает ток луча, обеспечивая сохранение яркости экрана.
Новая L-SAGIC электронная пушка обеспечивает самое маленькое и абсолютно круглое световое пятно по всему экрану. Понять насколько революционна новая технология можно, проследив путь, по которому прошли конструкторы. Была поставлена задача повысить четкость изображения, яркость и контрастность. Для обеспечения высокой четкости изображения необходимо было уменьшить размер пятна, для чего в свою необходимо было сделать луч тоньше и уменьшить шаг апертурной решетки. Итак, что касается пушки, необходимо было сделать ее более узконаправленной.
Возникла проблема - упала энергия пучка, то есть яркость формируемой точки. Как сохранить яркость? Увеличить интенсивность пучка, повысив напряжение, подаваемое на катод и ток накаливания. Но этого оказалось недостаточно. Тогда был разработан новый катод с повышенным содержанием бария, более активного эмитента. Конструкторы добились необходимой интенсивности, но возникла проблема с долговечностью. Рыхлый катод быстро разрушался.
