Отклонение Электрона электрическим и магнитным полями

Отклонение пучка электронов может быть вызвано с помощью отклоняющих систем. Основное назначение отклоняющих систем состоит в пространственном перемещении сфокусированного электронного луча. Есть два принципиально различных типа отклоняющих систем: электростатическая, в которой отклонение электронного луча осуществляется поперечным (по отношению к вектору скорости электронов) электрическим полем, и магнитная, использующая поперечное магнитное поле. Отклоняющие системы должны обладать хорошей чувствительностью и малыми искажениями сигналов.Если требуется перемещать луч последовательно по всей плоскости экрана, то простейшая электростатическая отклоняющая система состоит из двух пар попарно ортогональных пластин, расположенных последовательно вдоль оси трубки. Одна пара пластин отклоняет луч в вертикальном направлении, другая -

в горизонтальном. Рассмотрим движение электронов между парой полубесконечных плоских пластин под действием поля ε, создаваемого разностью потенциалов, приложенной к пластинам.

Уравнения движения нерелятивистских электронов в декартовой системе координат при наличии только поперечного электрического поля ε=-ε_z (ε_x=ε_y=0) (рис. 9.6) можно записать в форме:

; (9.3)

; (9.4)

. (9.5)

Допустим, что электрон влетает в пространство между пластинами в направлении оси х с начальной скоростью ν_x0 (ν_y=0, ν_z0=0). Интегрируя (9.3) — (9.5), получаем следующий результат:

; ; . (9.6)

Определяя из первого уравнения (9.6) t и подставляя этот результат во второе, получаем:

. (9.7)

Таким образом, согласно (9.7) траекторией движения электрона в однородном электростатическом поле плоских пластин является парабола. Электроны на выходе из пластин длиной l₁ отклоняются на величину

. (9.8)

где ε=U_пл/d; U_пл, d - соответственно разность потенциалов и расстояние между пластинами, U_a2— напряжение на втором аноде, определяющее скорость на входе в пластины v_0x.

Угол отклонения траектории электрона от первоначального направления определяется дифференцированием (9.7) по х:

, x=l_{1 (9.9)}

Перейдем теперь к вычислению траектории электронов при движении их в магнитной отклоняющей системе, которая обычно содержит две пары катушек, надеваемых на горловину трубки и образующих магнитные поля во взаимно перпендикулярных направлениях. Аналогично электростатической отклоняющей системе, одна из пар катушек отклоняет луч в вертикальной, а другая — в горизонтальной плоскости. Рассмотрим отклонение электрона однородным магнитным полем одной пары катушек (рис. 9.7). В однородном магнитном поле (В= В_y В_x= В_z= 0) (при полном отсутствии электрического) уравнения движения электронов в декартовой системе координат имеют вид:

(9.10)

Система уравнений (9.10) справедлива для вычисления траектории электронов как в магнитных отклоняющих, так и в фокусирующих системах. Из (9.10) видно, что сила, действующая на электроны, перпендикулярна V, т.е. полная скорость электрона является величиной постоянной, а направление движения электрона изменяется. Если принять, что x₀=0, v_z0=0, v_x0=v₀, то решение системы (9.10) можно записать в форме

(9.11)

где - циклотронная частота. Уравнения (9.11) описывают траекторию движения электрона в однородном магнитном поле, которая представляет собой окружность радиуса . Следовательно, в однородном магнитном поле электрон будет вращаться по окружности радиуса R с частотой . Поскольку диаметр l₁ отклоняющих катушек, как правило, существенно меньше R, на выходе из них электрон отклонится от оси трубки на некоторую величину z=l₁tg(α) (см. рис, 9.7) и дальше будет двигаться по касательной к его криволинейной траектории в точке выхода из поля. При малых углах tg α = α. и тогда , если принять, что путь, пройденный внутри катушек, незначительно превышает их диаметр, то

(9.12)

где U_a — потенциал последнего электрода перед отклоняющей системой. Угол α нетрудно вычислить и из (9.12). Как известно, индукция магнитного поля пропорциональна числу ампер-витков, т.е. B=k₁ωI (k₁— коэффициент пропорциональности, определяемый конструкцией катушки; ω — число витков: I — ток, протекающий по виткам).

Полное смещение h электрона на плоском экране ЭЛТ, отстоящем на расстоянии L от центра отклоняющих систем (см. рис. 9.6 и 9.7), равно h=tg α. Используя (9.8) и (9.12), можно вычислить смещение луча для электростатической и и магнитной систем отклонения:

(9.13)

(9.14)

соответственно характеризуют отклонение луча или при развости потенциалов между отклоняющими пластинами в 1 В, или при изменении тока, протекающего через катушки, на 1 А. измеряется в мм/В, а — в мм/А. Из (9.14) видно. что при магнитном отклонении изменение ускоряющего напряжения U_a существенно меньше влияет на чувствительность, чем при электростатическом, так как .

К достоинствам магнитного отклонения можно отнести меньшие аберрации, внешнее относительно ЭЛТ расположение катушек, что позволяет применять отклоняющие системы, вращающиеся вокруг оси трубки. Среди существенных недостатков магнитных отклоняющих систем — значительно большие потребляемые мощности, а также большая инерционность вследствие значительных собственных емкостей и индуктианостей. Электростатические отклоняющие системы из-за малых значений паразитных емкостей и малых времен пролета электронов могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц, а магнитные — только до нескольких десятков килогерц.

Электростатические отклоняющие пластины располагаются в пространстве последовательно друг за другом. Совмещение вертикальных и горизонтальных отклоняющих систем нерационально из-за их сильного взаимного влияния, приводящего к большим искажениям при отклонении луча. Вертикальные и горизонтальные магнитные отклоняющие катушки обычно совмещают в пространстве, так как их взаимное влияние нетрудно исключить точной установкой и изготовлением.

В электростатических системах для увеличения максимального угла отклонения чувствительности и уменьшения искажения при отклонении луча применяют косо расставленные, изломанные и изогнутые пластины. Наилучшие результаты получаются в случае применения изогнутых пластин, при которых траектория электронов луча эквидистантна поверхности отклоняющей системы.