Электронный осциллограф используется для наблюдения и регистрации изменяющегося во времени напряжения.
Основными частями электронного осциллографа являются электронно-лучевая трубка и управляющая электрическая схема. Изменения во времени исследуемого явления наблюдаются на светящемся экране трубки. Электрическая схема обеспечивает согласованную работу отдельных узлов трубки и синхронизацию с исследуемым явлением.
Кроме этих основных частей, электронные осциллографы могут содержать дополнительные устройства: генератор для калибровки цепи временной развертки, усилитель исследуемого явления и др.
По способу получения электронного луча различают осциллографы с ненакаливаемым (холодным) катодом и осциллографы с накаливаемым (горячим) катодом.
На рис. 5-52 представлено устройство осциллографа с холодным катодом. Под действием приложенного напряжения Uycк в разрядной трубке РТ возникает тлеющий разряд и формируется электронный пучок. Для получения интенсивного и устойчивого электронного пучка давление в РТ должно быть порядка 10-2 мм рт. ст. Электронный пучок через отверстие в диафрагме Д1 попадает в вакуумную камеру КВ осциллографа. Во избежание большого рассеивания электронов в камере давление в ней должно быть не более 10-4—10-5 мм рт. ст.
Рис. 5-52. Эскиз электронного осциллографа с холодным катодом.
% — катод; ПЯ— пластины явления; ПВ— пластины времени; Э— экран; О —окно для наблюдения; ФБ—бак предварительного разрежения.
В камере имеются пластины запирания луча ПЗЛ, за которыми расположена диафрагма Д2 с узким отверстием. Подавая на ПЗЛ соответствующее напряжение в нерабочий период времени, смещают электронный луч в сторону, так что он не попадает на экран. Но и при этих условиях наблюдались случаи засвечивания фотопленки. Это явление связывают с бомбардировкой фотослоя или экрана нейтральными молекулами, которые образуются в РТ в результате нейтрализации ионов. Такие молекулы движутся по оси осциллографа и не сметаются в ПЗЛ. Во избежание попадания нейтральных молекул на экран ось РТ наклоняют по отношению к оси камеры.
После ПЗЛ электронный пучок в рабочий период времени попадает в область отклоняющих пластин и затем на экран, вызывая его свечение. Изображение фотографируется с экрана или непосредственно получается на фотопленке, заложенной внутрь осциллографа. В последнем случае получается более четкая и яркая осциллограмма, что важно при регистрации весьма кратковременных процессов. Отрицательными качествами осциллографов с холодным катодом являются необходимость постоянной откачки, громоздкость, сложность работы с ними. Поэтому осциллографы с холодным катодом в настоящее время применяются редко. Осциллографии с горячим катодом за последние 20 лет получили широкое распространение и представляют в настоящее время совершенные и удобные для обращения приборы.
Магнитные катушки К1 и К2 служат для фокусировки электронного луча. Необходимое разряжение в ΡΊ создается форвакуумным насосом ФН, вращаемым электродвигателем ЭД, и регулируется регулятором давления РД. Вакуум в КВ создается при помощи диффузионного насоса ДН. Положительным свойством осциллографов с холодным катодом является также возможность смены отклоняющих пластин и изменения расстояния между ними.
Рис. 5-53. Схема отпаянной электронно-лучевой трубки.
На рис. 5-53 представлен эскиз отпаянной электроннолучевой трубки. Основными элементами трубки являются подогреваемый катод К, модулятор М, система электродов для ускорения и фокусировки электронного луча, отклоняющие пластины и люминесцирующий экран Э. Модулятор предназначен для запирания электронного луча в течение времени, когда не производится записи. С этой целью при постоянном питании трубки на модулятор подается потенциал, отрицательный по отношению к катоду. Электронный луч открывается, когда на модулятор подается импульс положительной полярности.
В электрическом поле анодов А1, А2, А3 электронный пучок фокусируется и ускоряется. В электрическом поле пластин явления ПЯ электроны луча отклоняются в вертикальном направлении в соответствии с мгновенным значением напряжения на ПЯ. В электрическом поле пластин времени ПВ электронный луч отклоняется в горизонтальном направлении в соответствии с мгновенным значением напряжения на ПВ.
С помощью пластин времени, как правило, получают прямолинейную развертку. Реже встречаются круговая и спиральная развертки, которые позволяют полнее использовать площадь экрана. Для получения круговой развертки на пластины вертикального отклонения и пластины горизонтального отклонения подаются напряжения, которые изменяются соответственно по закону U0sinωt и U0cosωt. При этом луч на экране описывает окружность. На специальную пару электродов подается исследуемое явление, которое вызывает отклонение луча в радиальном направлении. Для получения спиральной развертки на электроды, к которым подводится исследуемое явление, прикладывается дополнительно возрастающее во времени напряжение.
Рис. 5-54. Эскиз оксидного катода.
По выходе из электрического поля ПВ электроны движутся прямолинейно и бомбардируют экран, вызывая его свечение. В различные моменты! времени электроны, испытавшие действие полей ПЯ и ПB, ударяются в различные точки экрана, и на экране осциллографа образуется светящаяся линия, показывающая характер изменения явления во времени. Свечение экрана тем сильнее, чем меньше скорость перемещения луча по экрану, больше плотность тока в электронном пучке и энергия электронов. Для получения достаточно яркого свечения при регистрации одиночных явлений напряжение, ускоряющее электроны, составляет 10 кВ и выше. Такие осциллографы называются высоковольтными.
В отпаянных электронно-лучевых трубках применяются оксидные катоды, обладающие высокой эмиссионной способностью при сравнительно невысоких температурах (около 1 000°К). Схема устройства оксидного катода представлена на рис. 5-54. На никелевый цилиндр 1 нанесен слой окиси бария 2, который является эмиттером. Накаливаемая спираль 3 служит для разогрева катода. Через ввод 4 на катод подается напряжение от схемы осциллографа. Путем специальной термической обработки в вакууме в оксидном слое частично восстанавливается металлический барий, благодаря чему оксидный слой становится полупроводящим. Работа выхода из оксидных катодов составляет 1 —1,1 эв, тогда как вольфрамовый катод имеет работу выхода 4,54 эв, а вольфрамовый катод, активированный торием, 2,63 эв.
Оксидные катоды могут кратковременно давать электронные токи плотностью 20—30 а/см2, тогда как у вольфрамовых катодов плотность тока эмиссии обычно составляет 1 а/см2. Однако у оксидного катода эмиссия быстро сокращается, и плотность тока с катода падает до величины 0,3—0,5 а/см2. Происходит так называемое «отравление» катода. В высоковольтных осциллографах длительность открытия луча невелика и сравнительно велики паузы (около секунды), в течение которых катод «отдыхает» и восстанавливает свои эмиссионные свойства. Разработка оксидных катодов ведется в направлении увеличения плотности тока эмиссии, что очень важно при регистрации весьма кратковременных процессов.
В качестве аналога двояковыпуклой оптической линзы можно рассмотреть изображенное на рис. 5-56 устройство, симметричное относительно оси х. Электроны движутся с катода К расходящимся пучком и попадают в электрическое поле анодов—диафрагм с отверстиями Д1 и Д2. Потенциал второго анода превышает потенциал первого. Эквипотенциальные поверхности в этом случае по форме напоминают поверхности двояковыпуклой линзы.
Силу, действующую на электрон, можно разложить на две составляющие: продольную Fx, ускоряющую или замедляющую электроны, и поперечную отклоняющую электроны в радиальном направлении.
Электроны, входящие в электрическое поле слева, отклонятся к оси х. Электроны, выходящие из электрического поля, отклонятся от оси х. Фокусирующее действие этого устройства преобладает над рассеивающим по той причине, что по выходе из поля диафрагм Д1 и Д2 электрон подвергается действию дефокусирующей силы, которая меньше, чем действие фокусирующей силы при входе.
Рис. 5-57. Схема электронно-оптической системы осциллографической трубки.
К—катод; М— модулятор; УЭ—ускоряющий электрод; A1 и A2—первый п второй аноды.
Электроны выходят из электрического поля линзы сходящимся пучком. Такая линза при обратном распределении потенциалов на электродах Д1 и Д2 также оказывает фокусирующее действие.
В рассмотренном устройстве потенциал непрерывно изменяется, а следовательно, изменяется и показатель преломления. В световой оптике имеется аналогичное устройство — масляно-иммерсионный объектив, где объект и изображение помещаются в средах с различными коэффициентами преломления (воздух и масло). Рассмотренная электронно-оптическая система получила название иммерсионной линзы.
На рис. 5-57 показана типичная электронно-оптическая система осциллографической трубки. Характерным для осциллографической трубки является наличие двух электронно-оптических линз. Однолинзовая система фокусировки не дает возможности получать большие интенсивности луча, так как отрицательное поле линзы, находящееся со стороны катода, уменьшает число электронов, вступающих в линзу. Переход к двухлинзовой системе привел к быстрому и эффективному развитию осциллографов с накаленным катодом.
Электроны, вылетающие с катода, попадают в зону действия первой линзы, образованной полем в пространстве катода, модулятора и ускоряющего электрода. Внутри первого анода находятся ограничивающая диафрагма, вырезающая из электронного пучка узкий луч, и диафрагмы для улавливания вторичных электронов. Вторая линза, образованная полем между первым и вторым анодными цилиндрами. представляет собой иммерсионный электронный объектив. Эта линза обеспечивает сфокусированный электронный пучок у экрана осциллографа.
Электронный пучок, выходящий с катода, ограничивается модулятором, а также отрицательным объемным зарядом, накапливающимся перед катодом и поворачивающим медленно летящие электроны обратно к катоду. Чтобы уменьшить влияние отрицательного объемного заряда, в первой линзе создается сильное электрическое поле благодаря большой разности потенциалов между модулятором и ускоряющим электродом.
В иммерсионной линзе электроны, находящиеся на различных радиусах от оси системы, не фокусируются точно в одну точку на оси х. Изображение на экране получается в виде размытого кружочка. Это явление по аналогии со световой оптикой называется сферической аберрацией. Ограничивающая диафрагма, уменьшающая поперечное сечение электронного пучка, способствует уменьшению сферической аберрации. В высоковольтных электронно-лучевых трубках, сконструированных в ВЭИ, применяются электростатические линзы с гиперболическими эквипотенциальными поверхностями, которые обладают наименьшей сферической аберрацией. При цилиндрических электродах иммерсионной линзы сферическая аберрация будет наименьшей при равенстве диаметров обоих цилиндров. Сферическая аберрация становится ничтожно малой, если диаметры цилиндров в 8 раз больше диаметра диафрагмы, ограничивающей размер пятна.
Рис. 5-59. Действие магнитного поля на пучок электронов.
Магнитная линза обладает более сильным фокусирующим действием, чем электростатическая линза, и при тщательном исполнении и монтаже позволяет получать электронный луч с диаметром до 2·10-3 мм (микроосциллограф).
На фокусировку электронного пучка влияет разница в начальных скоростях электронов по выходе из катода и взаимное расталкивание электронов в пучке.
Различие в начальных скоростях электронов тем меньше, чем меньше температура катода. Сильное электрическое поле, создаваемое в первой линзе благодаря низкому отрицательному потенциалу ускоряющего электрода, также ослабляет влияние разброса начальных скоростей электронов.
Силы расталкивания электронов в пучке определяют наименьший диаметр пучка. При фокусировке электронного пучка растет плотность тока в луче и, следовательно, увеличиваются силы взаимного отталкивания электронов. С увеличением анодного напряжения диаметр пучка электронов уменьшается до тех пор, пока напряжение не достигнет некоторой сравнительно небольшой величины. При уменьшении тока в электронном пучке уменьшаются силы взаимного отталкивания электронов, что позволяет получить электронный пучок с большей плотностью тока.
Люминесцирующий экран представляет собой тонкий слой люминофора, нанесенного на стеклянную или металлическую поверхность. Бомбардирующие электроны возбуждают молекулы люминофора, и последние, приходя в нормальное состояние, испускают кванты света. Однако только небольшая доля кинетической энергии электронов (не более 10%) превращается в световую. Важной характеристикой экрана является его светоотдача, представляющая собой отношение излучаемой световой мощности к мощности электронов, бомбардирующих экран. Наиболее эффективными люминофорами в настоящее время являются специально обработанные соединения, содержащие сульфиды цинка и кадмия со светоотдачей до 6 св/вт и сульфидселениды цинка (S, Se) Zn со светоотдачей до 8 св/вт.
При работе с осциллографом важен спектральный состав свечения экрана. Многие фотослои чувствительны к синему свечению, человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому свечению. Для получения свечения того или иного цвета в состав люминофора добавляются вещества — активаторы. Атомы активатора возбуждаются излучением люминесцирующего вещества и сами испускают свечение того или иного цвета. Для получения наибольшей яркости в области синего свечения в качестве активатора к люминофору добавляется серебро, для получения преимущественно зеленого свечения в состав люминофора вводят медь.
При бомбардировке экрана из него вылетают вторичные электроны. Если ускоряющее напряжение 10 кВ и выше, то число вторичных электронов меньше числа первичных, бомбардирующих электронов. В таком случае люминофор, имеющий высокое объемное сопротивление (Р=1013—1014 Ом/см), в течение короткого времени регистрации явления заряжается отрицательно. Отрицательный потенциал экрана будет вызывать торможение бомбардирующих электронов, а поэтому яркость свечения экрана уменьшается. Чтобы не допустить зарядки люминофора, его покрывают со стороны бомбардирующих электронов тонкой пленкой алюминия. Слой алюминия электрически соединяют с последним анодом, благодаря чему на экране постоянно удерживается потенциал этого анода. Бомбардирующие электроны легко проходят через тонкий слой алюминия. По пленка алюминия непрозрачна для света. Отражение света от алюминиевой пленки увеличивает светоотдачу экрана.
Зависимость яркости свечения J люминофора от энергии электронов eU и плотности тока j в электронном пучке имеет вид:
(5-106)
где п =1,5 — 2,0, функция f(j) близка к линейной;
А — некоторая постоянная.
Если энергия электронов и плотность тока, достигающая десятков мА/мм2, становятся выше предельных значений, то рост яркости с увеличением напряжения и плотности тока замедляется. Увеличение ускоряющего напряжения бывает нежелательным, так как при этом снижается чувствительность отклоняющих пластин.
Часть света, испускаемого люминофором, теряется при прохождении невозбужденной части люминофора, в загрязнениях связки люминофора со стеклом, в стекле экрана. Поэтому наряду с увеличением светоотдачи экрана важным является сведение к минимуму потерь света.
Важной характеристикой электронно-лучевой трубки является максимальная скорость записи. Под максимальной скоростью записи имеют в виду такую скорость перемещения электронного луча по экрану, при которой на фотослое получается достаточное для наблюдения почернение. Достаточное почернение оценивается фотографической плотностью отпечатка, равной 0,1. Последняя определяется как логарифм отношения светового потока, проходящего через слой фотоэмульсии до проявления, к световому потоку, проходящему через почерненный слой после проявления.
При внешнем фотографировании (с экрана осциллографа) отпечаток получается значительно слабее, чем при непосредственной бомбардировке фотослоя электронами при одинаковой энергии электронов и их плотности в пучке в обоих случаях.
На величину максимальной скорости записи (или разрешающей способности) при внешнем фотографировании существенное влияние может оказать контрастность экрана. 
Рис. 5-60. Схематическое устройство трубки с послеускорением.
A—система ускорения; Б- система послеускорения;
1 — кольца ускорения; 2 — изолирующие кольца.
Под контрастностью понимается отношение свечения самого яркого и самого темного участков экрана. Чтобы уменьшить засвечивание экрана, нужно защитить его от проникновения внешнего освещения. Засвечивание значительной части экрана происходит также из-за явления полного внутреннего отражения в стекле экрана.
Стремление получить большую скорость записи при сохранении чувствительности привело к появлению трубки с послеускорением (рис. 5-60).
Электронный луч вначале ускоряется сравнительно невысоким напряжением и попадает в поле отклоняющих пластин. Чувствительность к отклонению при этом получается большой. Затем электронный луч дополнительно ускоряется полем послеускорения. При этом чувствительность несколько снижается, но незначительно. Однако яркость свечения возрастает в сильной степени.
Электроды послеускорения образуются нанесенными на внутреннюю поверхность колбы графитовыми кольцами, разделенными кольцами из непроводящего материала. Подведение напряжения на электроды послеускорения производится через стенку колбы.
В приложениях (табл. П-17) приведены некоторые характеристики советских и иностранных электронно-лучевых трубок.
