Електронна гармата

Електро́нна гарма́та або електронний прожектор — вузол електронно-променевого приладу, призначений для формування спрямованого пучка електронів. Правильна (класична) назва цього вузла, загальноприйнята в науці і техніці, — електронно-оптична система (ЕОС). Головні функції електронної гармати: формування електронного пучка заданого перерізу у певному діапазоні струмів пучка і забезпечення можливості керування величиною струму пучка.

Електронно-оптична система (електронна гармата) кольорового кінескопа

Найпростіша електронна гармата складається з катода і розташованої поряд електростатичної лінзи, призначеної для формування спрямованого пучка. Випромінювання електронів із катода відбувається завдяки термоелектронній емісії. Потік електронів формується лінзою в пучок і рухається до анода. Анод часто робиться із отвором, пройшовши крізь який електрони за інерцією рухаються далі до другого анода — колектора. Електронні гармати подібної конструкції використовувалися в перших електронно-променевих трубках. Крім того, електронні гармати такої конструкції використовуються в електровакуумних приладах, де відсутні особливі вимоги до якості фокусування електронного пучка, наприклад у лампах біжної хвилі.^[1]

Електронні гармати для сучасних електронно-променевих трубок мають складнішу конструкцію, в якій потік електронів, які емітуються катодом, формується в пучок співвісною системою електростатичних лінз. Завдяки тому, що траєкторія руху електронів у системі електростатичних лінз подібна до ходу променів світла в системі оптичних лінз, електронні гармати стали називати електронно-оптичними системами або скорочено ЕОС.

Електронні гармати використовуються в різноманітних електронно-променевих приладах: ЕПТ (зокрема в кінескопах телевізорів), електронних мікроскопах, прискорювачах і належать до найважливіших вузлів цих приладів.

В залежності від кількості сформованих електронних пучків, інтенсивністю яких можна керувати окремо і незалежно, електронно-оптичні системи поділяються на однопроменеві (однопучкові) та багатопроменеві (багатопучкові). Прикладом багатопроменевої ЕОС є трипроменева електронно-оптична система кінескопа для відтворення кольорового зображення.

Будова і принцип роботи

Будова електронної гармати з циліндром Венельта:
➀ Катод
➁ Циліндр Венельта (модулятор)
➂ Анод
U_H — напруга розжарення
U_W — напруга модулятора
U_A — прискорювальна анодна напруга

Електронна гармата лампи біжної хвилі в розрізі.

Електронна гармата складається з катода, керувального електрода (модулятора), прискорювального електрода, і одного чи більше анодів. За наявності двох і більше анодів, за першим анодом закріплено термін, фокусувальний електрод.

Катод

Катод створює потік електронів, які виходять із його нагрітої поверхні внаслідок термоелектронної емісії. Також, існують електронні гармати з автоемісійним (холодним^[en]) катодом.

За способом підігріву катоди поділяються на катоди прямого та непрямого розжарення.

Катод непрямого розжарення

В електронних гарматах, що застосовуються в ЕПТ використовується оксидний катод непрямого розжарення. Він забезпечує достатню емісію за відносно невисокої температури 780—820 °С. За такої температури катод має достатню довговічність, і для його підігріву потрібна невелика потужність. Катод та підігрівач утворюють катодно-підігрівний вузол (КПВ).

КПВ є порожнистою гільзою з плоским дном. На зовнішню поверхню дна гільзи нанесено оксидний шар, а всередину гільзи вміщено підігрівач у вигляді спіралі з дроту з високим питомим опором. Коло підігрівача електрично ізольовано від катода.

Оксидний шар являє собою кристали твердого розчину оксидів лужноземельних металів — барію, кальцію і стронцію (BaO, CaO, SrO) або борид лантану^[en], іноді до суміші оксидів додають оксид торію^[en] (оксидно-торований катод, у сучасній електровакуумній техніці більше не використовується). Він остаточно формується у процесі термовакуумної обробки ЕПТ. У процесі відкачування, при досягненні необхідного рівня вакууму, катод прогрівається за допомогою зовнішнього індуктора^[ru], а потім і за допомогою підігрівача, що працює у форсованому режимі. В результаті у речовинах, нанесених на поверхню катода, проходять хімічні реакції та виділяються гази. Цей процес називають активацією та тренуванням катода. У свою чергу, неправильний температурний режим в процесі експлуатації (живлення підігрівача підвищеною або зниженою напругою), а також погіршення вакууму, веде до деструктивних механічних і хімічних процесів у оксидному шарі катода, що прискорює настання відмови електронної гармати через втрату емісії (неможливість отримати необхідний катодний струм). Максимальний струм катода, який має забезпечувати електронна гармата, що використовується в кінескопах, становить близько 200—300 мкА.

Катод прямого розжарення

Катод прямого розжарення є металевою ниткою з металу з високим питомим електричним опором, яка сама є джерелом термоелектронної емісії. Менш довговічна, порівняно з катодом непрямого розжарення. Катод прямого розжарення споживає меншу потужність, тому застосовувався в малогабаритних кінескопах телевізорів з автономним живленням від батарейок або бортової мережі автомобіля. Також має застосування в електронних гарматах із великим струмом променя.

Модулятор

Модулятор являє собою циліндричний стакан, що накриває катод. У центрі його дна є калібрований отвір, називаний несною діафрагмою. За її допомогою починається формування необхідної товщини електронного пучка. Модулятор серед електродів розташований до катода найближче (відстань між оксидною поверхнею катода і отвором модулятора становить 0,08-0,20 ± 0,01 мм), тому його потенціал найбільше впливає на струм електронного променя, звідси і його назва.

Призначення та дія модулятора подібні до призначення і дії керувальної сітки^[en] в електронній лампі. Залежність струму електронного променя від потенціалу модулятора називають модуляційною характеристикою електронної гармати. На модуляторі в кожний момент часу має бути негативний потенціал відносно катода. Його постійна складова задає постійну складову струму електронної гармати і, отже, яскравість свічення екрану ЕПТ. Якщо абсолютне значення негативного потенціалу на модуляторі перевищуватиме величину запірної напруги, струм електронного променя дорівнюватиме нулю.

Модулювальна напруга (наприклад, напруга відеосигналу) повинна змінювати різницю потенціалів між катодом та модулятором. У сучасних телевізорах і моніторах на модуляторах присутній потенціал, близький до нуля (модулятори або безпосередньо з'єднані із спільним проводом пристрою, або на них подаються гасильні імпульси кадрової і рядкової розгортки негативної полярності), а напруга відеосигналу позитивної полярності, що знімається з відеопідсилювача, подається на катод. Від її розмаху (десятки вольт) залежить контрастність зображення, а від постійної складової - яскравість.

Прискорювальний електрод

Прискорювальний електрод є порожнистим циліндром, розташованим на осі електронної гармати. На нього подається позитивний потенціал у кілька сотень вольт, він розташовується між модулятором і фокусувальним електродом, і виконує кілька функцій:

• надає електронам початкову швидкість у межах електронної гармати;
• між прискорювальним електродом та анодом утворюється додаткова електростатична лінза, що зменшує кут розходження пучка перед входом до головної лінзи, яку утворюють аноди;
• екранує прикатодний простір від поля анода (діє подібно до екранувальної сітки в електронній лампі), внаслідок чого коливання анодної напруги не позначаються на струмі пучка і не призводять до коливань яскравості світіння екрану ЕПТ;

У кольорових кінескопах регулюванням прискорювальної напруги досягають максимально можливої ідентичності модуляційних характеристик трьох електронних гармат, що необхідно для забезпечення балансу білого.

Аноди

Конструкція анодів аналогічна конструкції прискорювального електрода. Циліндр другого анода має вихідну діафрагму. Вона пропускає електрони, траєкторія яких має мале відхилення від осі електронної гармати. Високі позитивні потенціали, прикладені до анодів, надають електронам, що пролітають крізь них, необхідну швидкість. В ЕПТ з електростатичним фокусуванням променя фокусувальний електрод та анод утворюють головну електростатичну лінзу, яка фокусує електронний пучок на екран. Фокусна відстань цієї лінзи залежить від їхньої геометрії, відстані між ними та співвідношення їх потенціалів. Вона регулюється зміненням потенціалу на фокусувальному електроді для досягнення максимально різкого зображення. Потенціал фокусувального електрода кольорових кінескопів становить приблизно 6-8 кВ, чорно-білих кінескопів та осцилографічних трубок - близько 1 кВ. Потенціал другого анода кольорових кінескопів становить 25-30 кВ, чорно-білих - 8-16 кВ, осцилографічних трубок - 1-2 кВ.

Електронні гармати з великим струмом променя

З прискорювальним електродом поблизу катода

У деяких випадках, коли потрібно знімати з катода великі струми, застосовують інший принцип побудови прикатодної частини гармати. Перед катодом розташовується прискорювальний електрод, що має позитивний потенціал у кілька вольт, далі - керувальний електрод, що має вищий потенціал. Як наслідок, для формування пучка використовуються електрони, випущені з усієї активної поверхні катода, а не тільки з центральної ділянки навпроти діафрагми модулятора, як у звичайній гарматі. Керування струмом променя здійснюється зміненням позитивного потенціалу на керувальному електроді, який відіграє роль модулятора. При цьому в колі керувального електрода протікає струм, що не перевищує 100 мкА.

З магнітним фокусуванням променя

Електронна гармата з магнітним фокусуванням променя складається з катода, модулятора, прискорювального електрода та анода, фокусувальний електрод відсутній. Головна фокусувальна лінза створюється магнітним полем аксіально-симетричної котушки, яка надягається на горловину ЕПТ. Точне фокусування електронного пучка здійснюється регулюванням постійного струму фокусувальної котушки. Така гармата забезпечує більший струм пучка порівняно з гарматою, що має електростатичне фокусування. Це пов'язано з тим, що її анод не має діафрагми, і для формування пучка використовується весь струм катода, а не його частина, як у гарматах з електростатичним фокусуванням (0,1—0,5).

Іншою перевагою магнітного фокусування є менший розмір електронної плями на екрані. Це пов'язано з великим діаметром фокусувальної котушки, порівняно з діаметром електродів електростатичної лінзи. Що більше відношення діаметра електронної лінзи (котушки або електрода) до діаметра пучка, який проходить через лінзу, то вища якість фокусування.

Див. також

• Адіабатична гармата