Dispositivos de haz de electrones

Dispositivos de haz de electrones ( ELD ), también tubos catódicos ( tubos de rayos catódicos en inglés  ) o tubos de rayos catódicos ( abreviatura  - CRT ): una clase de dispositivos electrónicos de electrovacío que utilizan un flujo de electrones formado en forma de un solo haz (haz) o varios haces controlados tanto por la intensidad (corriente del haz) como por la posición del haz en el espacio, y estos haces interactúan con el objetivo estacionario (pantalla) del dispositivo [1] [2] [3] .

El alcance principal de ELP es la conversión de información óptica en señales eléctricas, por ejemplo, en tubos de transmisión de televisión y la conversión inversa de una señal eléctrica en una óptica, por ejemplo, en una imagen de televisión visible [3] .

La clase de dispositivos de rayos catódicos tampoco incluye los tubos de rayos X que utilizan haces de electrones, fotocélulas de vacío , fotomultiplicadores , dispositivos de descarga de gas (por ejemplo, decatrones ) y lámparas electrónicas amplificadoras de recepción ( tetrodos de haz , indicadores fluorescentes de vacío eléctricos, lámparas con emisión de electrones secundarios, etc.).

Historia

En 1859, J. Plücker , investigando una descarga eléctrica en gases enrarecidos, descubrió los rayos catódicos .

En 1879, W. Crookes descubrió que en ausencia de campos eléctricos y magnéticos externos, los rayos catódicos se propagan en línea recta y descubrió que pueden ser desviados por un campo magnético . En experimentos con un tubo de descarga de gas que creó, descubrió que, al caer sobre algunas sustancias cristalinas, más tarde llamadas catodoluminóforos , los rayos catódicos provocan su brillo visible.

En 1897, D. Thomson descubrió que los rayos catódicos son desviados por un campo eléctrico, midió la relación de carga a masa de partículas de rayos catódicos. El descubrimiento del electrón como partícula elemental pertenece a E. Wiechert [4] [5] y J. J. Thomson , quienes en 1897 establecieron que la relación carga-masa de los rayos catódicos no depende del material del cátodo. El término "electrón" como el nombre de la unidad fundamental indivisible de carga en electroquímica fue propuesto [6] por J. J. Stoney en 1894 (la unidad de carga elemental misma fue introducida por él en 1874).

En 1897, Karl F. Brown , basándose en el tubo de W. Crookes, diseñó el primer tubo catódico, o de rayos catódicos, que propuso utilizar como dispositivo indicador en el estudio de las oscilaciones electromagnéticas . Antes de 1906, el tubo de rayos catódicos solo se usaba en osciloscopios .

Desde 1902, B. L. Rosing trabajó con el tubo de Brown en experimentos de reproducción de imágenes. Tras la publicación de sus patentes en 1907-1911, aparecieron otros autores sobre el uso de un haz de electrones para crear televisión [7] [8] .

Clasificación ELP

Clasificación por finalidad

Los dispositivos transmisores de rayos catódicos convierten la imagen óptica en una señal eléctrica.

Los dispositivos receptores de rayos catódicos convierten una señal eléctrica en una imagen óptica (visible):

Dispositivos de rayos catódicos sin imagen visible

Según el método de enfoque y desviación

De acuerdo con el método de enfocar y desviar el haz, los CRT se dividen en:

Dispositivo

Todos los dispositivos de haz de electrones constan de cuatro partes principales:

Recepción de ELP con imagen óptica

Esta es la clase más extensa y ampliamente utilizada de ELP: cinescopios , tubos de osciloscopio , varios indicadores. Se diferencian en el tipo de pantalla, el método de desviación y enfoque, forma, tamaño, etc.

Pantalla de recepción ELP con imagen óptica

Pantallas fluorescentes

Para la observación visual de los procesos, la pantalla del dispositivo desde el interior del matraz se cubre con fósforo, una sustancia que puede brillar durante el bombardeo de electrones. El brillo del brillo del fósforo depende de la velocidad de los electrones, la densidad superficial de la corriente de electrones y las propiedades del fósforo.

color brillante

Hay pantallas monocromáticas y multicolores. Las pantallas monocromáticas tienen un cierto color de brillo: verde, azul, amarillo, rojo o blanco. En las pantallas de varios colores, el color del resplandor depende de la dirección o intensidad de los haces de electrones y el color se controla electrónicamente. Un ejemplo bien conocido de pantallas multicolores son los cinescopios a color.

La composición química del fósforo determina el color y la duración del brillo de la pantalla. Para la observación visual en pantallas monocromáticas se utilizan fósforos de color verde resplandor, para los cuales la sensibilidad del ojo humano es máxima. Las sustancias con luminiscencia verde incluyen willemita (silicato de zinc), sulfuro de zinc o una mezcla de sulfuros de zinc y cadmio .

Para los procesos de fotografía se utilizan fósforos que dan un brillo azul y violeta, por lo que la sensibilidad de la emulsión fotográfica del material fotográfico es máxima. Estos son volframatos  - bario y cadmio [14] .

Hay pantallas con fósforo de dos capas, cuyas capas tienen un color de brillo y un tiempo de brillo diferentes, esto le permite elegir el color deseado usando filtros de luz [14] .

Las pantallas con fósforo de dos capas también se utilizan en indicadores con un resplandor prolongado. La capa interna tiene un resplandor azul y es excitada por un haz de electrones, la capa externa, aplicada al vidrio del matraz, tiene un largo (varios segundos) resplandor verde amarillento y fosforece por excitación por la luz azul del primer fósforo . capa.

En los cinescopios de color, se aplica a la pantalla un mosaico de manchas o franjas de fósforos con diferentes colores de brillo, los haces de electrones de varios focos iluminan el fósforo a través de una máscara que asegura que solo incide el haz de electrones del proyector "de su propio color". las zonas de fósforo.

Duración del resplandor

Durante el bombardeo de electrones de un fósforo, se observan tanto luminiscencia , es decir, brillan en el momento del impacto, como fosforescencia . El fenómeno de la fosforescencia en un CRT se llama "resplandor residual": después de que se detiene la excitación del fósforo por el haz de electrones, continúa brillando durante algún tiempo con una atenuación gradual del brillo del resplandor. El tiempo de resplandor residual de un fósforo es el período de tiempo durante el cual el brillo del resplandor disminuye en cierta cantidad, generalmente un 90 %, en comparación con el valor máximo cuando se excita inicialmente con un haz de electrones.

De acuerdo con la duración de la posluminiscencia, los fósforos se clasifican en:  

  • con un posluminiscencia muy corto, menos de 10 −5 s;
  • con un breve resplandor, de 10 −5 a 10 −2 s;
  • con un resplandor promedio, de 10 −2 a 10 −1 s;
  • con un resplandor prolongado, de 10 −1 a 15 s;
  • con un resplandor muy largo - más de 15 s.

El silicato de zinc tiene un resplandor relativamente corto para observar procesos comunes en la ingeniería de radio, mientras que el sulfuro de zinc o el sulfuro de zinc y cadmio se utilizan para observar procesos más lentos [14] .

Las pantallas con un resplandor prolongado generalmente se usan en los indicadores de radar, ya que el período de cambio de imagen en los indicadores de radar puede alcanzar decenas de segundos o más y está relacionado con la velocidad de rotación del sistema de antena.

Las características de algunos tipos de pantallas se dan en la tabla [15] .

Características de algunos tipos de pantallas
tipo de pantalla Revestimiento resplandor resplandor crepuscular
Color Característica espectral máxima, nm Color Característica espectral máxima, nm tiempo de resplandor
PERO Capa única, estructura fina Azul 450 Un corto
B Capa única, estructura fina Blanco 460 y 570
420 y 580
Corto Medio
A Estructura rugosa de dos capas Blanco 440 y 560 Amarillo 560 largo
GRAMO Evaporación al vacío sin estructura Violeta 560 (absorción) Violeta 560 (absorción) Muy largo
D Capa única, estructura fina Azul 440 y 520 Verde 520 largo
mi Consta de dos tipos de bandas alternas naranja azul 595

440 y 520

naranja verde 595
520
prolongado prolongado
Y Capa única, estructura fina Verde 520 Promedio
A Estructura rugosa de dos capas Rosado 440 y 600 Naranja 600 largo
L Capa única, estructura fina morado azulado 400 Muy corto
METRO Capa única, estructura fina Azul 465 Un corto
PAGS Capa única, estructura fina Rojo 630 _ Promedio
DE Estructura de grano fino de una sola capa Naranja 590 Naranja 590 largo
T una sola capa verde amarillento 555.5 Muy corto
A Granulado fino, estructura fina verde claro 530 Un corto
C Mosaico, puntos de tres fósforos azul
verde
rojo
450
520
640




Corto
Medio
Medio
Otros tipos de pantallas

Algunas sustancias, que no son luminóforos en sí mismas, tienen la propiedad de cambiar sus propiedades ópticas bajo la acción del bombardeo de electrones. Los CRT especiales ( skiatrones ) utilizan escotóforo como material de pantalla . Como escotóforo en tales CRT, se utiliza una capa finamente cristalina de un haluro de metal alcalino , por ejemplo, cloruro de potasio,  una pantalla de tipo G. Se deposita una capa de cloruro de potasio sobre la pantalla mediante pulverización catódica en vacío. Después de la deposición sobre el sustrato (la pared de un cilindro CRT o una placa de mica ), se forma una fina película blanca sin estructura. En lugares expuestos al haz de electrones, la sal adquiere un color púrpura oscuro que dura muchas horas. La decoloración del color lila del cloruro de potasio se lleva a cabo calentando el sustrato a una temperatura de 300-350 °C.

En otro tipo de pantallas, se aprovecha la propiedad de una fina película de aceite depositada sobre un sustrato de deformarse cuando partes de su superficie son cargadas localmente por un haz de electrones. En este caso, los rayos de luz de una fuente externa se refractan en las irregularidades de la película de aceite y se desvían en diferentes direcciones. La carga desigual de la superficie de la película persiste durante mucho tiempo. La nivelación de la carga superficial y la nivelación de las irregularidades debidas a las fuerzas de tensión superficial se lleva a cabo mediante un amplio haz de electrones de borrado. Estas pantallas se utilizaron en sistemas ópticos de proyección de tipo eidóforo .

Tubos de rayos catódicos con deflexión electrostática y enfoque

Los CRT de este tipo se usan comúnmente en osciloscopios electrónicos y otros instrumentos de medición de radio, como analizadores de espectro panorámico .

Dispositivo de tubo de rayos catódicos de deflexión electrostática

TRC consta de:

  • un reflector electrónico que crea un haz de electrones enfocado dirigido a lo largo del eje del tubo;
  • sistema deflector;
  • pantalla fluorescente para indicar la posición del haz de electrones.
Foco electronico

Consta de: cátodo (4), electrodo de control (3), primer (5) y segundo (6) ánodos.

  • El cátodo está diseñado para crear un flujo de electrones. En un CRT, generalmente se usa un cátodo calentado indirectamente en forma de vidrio, dentro del cual hay un calentador indirecto. La capa activa (emisora ​​de electrones) se deposita solo en la parte inferior del vidrio, por lo que el cátodo tiene una superficie emisora ​​plana y los electrones se emiten solo en la dirección de la pantalla.
  • El electrodo de control (modulador, cilindro Wehnelt ) está diseñado para ajustar la corriente del reflector electrónico y, en consecuencia, el brillo del punto de luz en la pantalla (10). El electrodo también tiene la forma de una copa de metal que rodea el cátodo. El fondo del vaso tiene un diafragma en forma de agujero < 1 mm de diámetro, a través del cual pasan los electrones emitidos por el cátodo. Dado que el diámetro de este orificio es pequeño, los electrones cuyas trayectorias se desvían de la normal al plano del fondo del cátodo no pasan a través del diafragma y no participan en la formación del haz. La corriente del haz se controla aplicando un pequeño voltaje negativo al electrodo de control en relación con el cátodo.
  • El primer ánodo es también un cilindro con dos (o tres) diafragmas. La influencia del electrodo de control y el primer ánodo en la corriente del haz de electrones es similar al efecto de la rejilla de control ("primera") y el ánodo en la corriente del ánodo en el EEW .
  • El segundo ánodo es similar al modulador y al primer ánodo, pero de mayor diámetro que el primer ánodo. Dado que el segundo ánodo es un acelerador, se le aplica un voltaje más alto en relación con el cátodo (1–20 kV). El enfoque del haz de electrones en la pantalla se logra cambiando los voltajes en el primer y segundo ánodos.
Sistema de rechazo

Para mover el punto de luz a través de la pantalla, entre el segundo ánodo y la pantalla hay un sistema deflector que consta de dos pares de placas perpendiculares entre sí. Entre las placas de deflexión horizontal (9) se crea un campo eléctrico con un vector de intensidad orientado horizontalmente, cuando se les aplica tensión, el haz se desvía en el plano horizontal hacia la placa de mayor potencial. Si se aplica un voltaje que cambia periódicamente a las placas, entonces el haz de luz se moverá a través de la pantalla en diferentes direcciones, dejando un rastro en la pantalla en forma de línea horizontal. Las placas de desviación verticales (8) crean un campo eléctrico con un vector de fuerza dirigido verticalmente y mueven el haz hacia arriba y hacia abajo en la pantalla.

Si se aplican simultáneamente diferentes voltajes a ambos pares de placas, entonces el haz dibujará una línea en la pantalla, cuya forma depende de los cambios de voltaje en las placas del sistema deflector [16] .

Cinescopios

Los cinescopios están diseñados para su uso en televisores, y anteriormente eran parte integral de cualquier televisor, ahora en los televisores se reemplazan casi por completo por dispositivos de visualización (pantallas) con otros principios de funcionamiento.

Algunos fabricantes de ELP

Las siguientes son las empresas de fabricación de ELP más grandes (en orden alfabético) a finales del siglo XX.[ significado del hecho? ] [17] :

Notas

  1. 1 2 Katsnelson, 1985 , pág. 23
  2. Doolin, 1978 , pág. 38.
  3. 1 2 3 Kolesnikov, 1991 , p. 637.
  4. Wiechert E. Über das Wesen der Elektrizität  (alemán)  // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg en Preußen. — 7 de enero 1897. - Bd. 38 , H.1 . - S. 3-12 .
    Wiechert E. Experimentelles über die Kathodenstrahlen  (alemán)  // Schriften der Physikalisch-Ökonomischen Gesellschaft zu Königsberg en Preußen. — 7 de enero 1897. - Bd. 38 , H.1 . - S. 12-16 .
  5. Bykov G.V. Sobre la historia del descubrimiento del electrón // Cuestiones de la historia de las ciencias naturales y la tecnología. - 1963. - Emisión. 15 _ - S. 25-29 .
  6. Stoney GJ Del 'Electrón,' o Átomo de Electricidad ] //  Revista Filosófica  . Serie 5. - 1894. - Vol. 38 . - P. 418-420 .
  7. 90 años de televisión electrónica
  8. Una pipa perfeccionada
  9. Katsnelson, 1985 , pág. 293-295.
  10. Katsnelson, 1985 , pág. 290.
  11. Katsnelson, 1985 , pág. 275.
  12. Katsnelson, 1985 , pág. 246.
  13. GOST 17791-82 Dispositivos de haz de electrones. Términos y definiciones" prescribe el uso del término "proyector electrónico"; no se permite el uso del "cañón de electrones" equivalente.
  14. 1 2 3 Remez, 1955 , p. quince.
  15. Katsnelson, 1985 , pág. 24-25.
  16. Kalashnikov A. M., Stepuk Ya. V. Dispositivos de electrovacío y semiconductores / ed. Coronel-ingeniero N. P. Shiryaev. - M. : Editorial Militar, 1973. - S. 119-124. — 292 págs.
  17. Kitzmiller, John W. Television Picture Tubes and Other Cathode-Ray Tubes: Industry and Trade Summary , mayo de 1995, págs. 3-4.

Literatura

  • Libro de referencia sobre los elementos de los dispositivos electrónicos de radio / ed. V. N. Dulina, M. S. Zhuk. - M. : Energía, 1978.
  • Katsnelson B. V. et al. Dispositivos electrónicos y de descarga de gas de electrovacío: un manual / B. V. Katsnelson, A. M. Kalugin, A. S. Larionov; Bajo total edición A. S. Larionova. - 2ª ed., revisada. y adicionales.. - M. : Radio y comunicación, 1985. - 864 p.
  • Electrónica: Diccionario Enciclopédico / V. G. Kolesnikov (editor en jefe). - 1ª ed. - M . : Sov. Enciclopedia, 1991. - S.  54 . - ISBN 5-85270-062-2 .
  • Sherstnev LG Óptica electrónica y dispositivos de haz de electrones. - M. : Energía, 1971. - 368 p.
  • Zhigarev AA Óptica electrónica y dispositivos de haz de electrones. - M. : Escuela superior, 1972. - 540 p.
  • Lachashvili R. A., Traube L. V. Diseño de dispositivos de haz de electrones. - M. : Radio y comunicación, 1988. - 217 p. — ISBN 5-256-00039-X .
  • Curso de medidas básicas de ingeniería de radio / G. A. Remez. - M. : Editorial estatal de literatura sobre comunicación y radio, 1955. - 448 p.
  • Kalashnikov A. M. Stepuk Ya. V.  Dispositivos de electrovacío y semiconductores. - M .: Editorial Militar, 1973. - 292 p.

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