TUBUL CATODIC CU DEFLEXIE ELECTROSTATICA

Tubul catodic cu Deflexie electrostaticA

Elementul definitoriu al proprietatilor si performantelor osciloscopului analogic (OSCA) il reprezinta tubul catodic cu deflexie electrostatica, TCE, care, intr-o banda de frecventa ccx100 MHz, se asimileaza cu un inscriptor analogic in coordonate rectangulare (X‑Y).

1. Deflexia electrostatica

A. Un fascicul concentrat de purtatori de sarcina -avand masa m si sarcina electrica q-, ce intra cu viteza initiala v intr-un camp electric -uniform si orientat perpendicular pe directia initiala de miscare a fasciculului-, va fi deviat -descriind un arc de parabola cat se misca in camp si apoi, cand iese din camp, dupa tangenta la parabola in punctul in care paraseste campul electric- (fig.6.2.1).

Viteza initiala a fasciculului este obtinuta prin accelerare in camp electric, existand relatia energetica:, U_a fiind tensiunea de accelerare.

Daca campul electric este produs de doua placi plan-paralele -de lungime l si la distanta d intre ele- carora li se aplica tensiunea U_d, atunci la distanta L de la centrul placilor, deviatia, D, a fasciculului va fi:

, (6.2.1)

relatie din care rezulta ca deviatia D este direct proportionala cu tensiunea de deviatie; raportul D/U_d defineste S -sensibilitatea sistemului de deflexie; valorile uzuale pentru S sunt 0.1..1 mm/V.

B. Obtinerea unei sensibilitati mari a deflexiei inseamna: L si l mari, d mic (conditiile contradictorii pentru l si d implica ca placile de deflexie sa fie asezate in unghi nu paralele); tensiuea de accelerare cat mai mica (deoarece conditia este in contradictie cu cerinta unei energii mari a fascicolului, dupa deflexie fasciculul este postaccelerat).

C. Sistemul cu deflexie electrostatica, desi are sensibilitate si unghi maxim de deflexie mai mici decat un sistem cu deflexie magnetica, este preferat datorita benzii de frecventa superioare (cu solutia de placi de deflexie distribuite se pot atinge 500MHz).

2. Structura TCE

A. Elementele principiale ale unui tub catodic sunt:

elementul de scriere, reprezentat de un sistem multiplu de electrozi, ce genereaza un fascicul de electroni de mare viteza, cu densitate si focalizare controlabile, pre si post accelerati;

elementul de vizualizare, de tip ecran fluorescent (cu dimensiuni intre 8x8 .. 14x14 cm²).

sistem electrostatic de deflexie dupa doua directii rectangulare, ce asigura controlul elementului de scriere asa incat pe ecran sa fie 'desenata' o dependenta prestabilita.

B. Structura fizica a unui TCE modern sistemul de este prezentata in fig.6.2.2., identificandu-se:

tunul electronic, format din catodul cu incalzire indirecta (prin filamentul F) -ce genereaza electroni-, grila -ce controleaza densitatea fasciculului de electroni-, anozii A ,A , A , ce asigura o prima accelerare si focalizare- ; toata constructia tunului electronic are simetrie cilindrica;

sistemul de deflexie electrostatica dupa directii rectangulare, compus din ansamblele de placi (Y, Y'), (X,X') si anodul A ce realizeaza o postfocalizare de corectie;

sistemul de postaccelerare, format de anozii A ,A , A , de constructie speciala realizeaza accelerarea finala a -fascicului de electroni fara a-l defocaliza sau devia (fata de ceea ce a realizat sistemul de deflexie); A si A au o constructie speciala (formand asa numitul electrod qudripolar) iar A -electrod spiralat- obtinut prin depunere de grafit pe suprafata interioara a anvelopei de sticla a tubului catodic.

ecranul, obtinut prin depunere de substanta fosforescenta (aluminizata pe fata dinspre interiorul tublui -pentru a-i mari eficienta luminoasa-), care pe 'urma' lasata de fasciculul de electroni, 'devine' luminoasa (efectul de fluorescenta); datorita efectului de fosforescenta radiatia luminoasa continua si dupa ce excitatia prin fasciculul de electroni a incetat (timpul de remanenta fiind in medie de 80..120ms).

C. Potentializarea electrozilor TCE se face astfel incat: anozii din jurul placilor de deflexie sa aiba potential zero (cat este si potentialul mediu ale placilor de deflexie -potentializate cu tensiuni egale si de semne contrare-), asa incat sa nu apara defocalizari in zona respectiva; sa se poata regla -prin controlul unor tensiuni nu prea mari (zeci de volti): luminozitate (prin diferenta de potential catod-grila), focalizarea si astigmatismul (prin controlul diferentelor de potential intre anozii A ,A , A sa se asigure o tensiune de postaccelerare de 10..15kV -ce permite obtinerea unor sensibilitati de 0.2..2 mm/V.

3. Conditionarea utilizarii TCE

Datorita persistentei mici a TCE, imaginea 'scrisa' o singura data pe ecran nu este utilizabila unui experimentator; numai o rescriere periodica ( numita afisare dinamica), cu o rata de cel putin 30..50 de imagini pe secunda, ofera utilizatorului senzatia unei imagini stabile. Aceasta conditionare reprezinta limitarea principala a utilizarii TCE, orice marime aplicata la placile de deflexie ale osciloscopului trebuind sa fie periodica, cu o frecventa minima de 30..50Hz; pentru frecvente mai mici decat aceste valori imaginea de pe ecran palpaie (fiind vizibila doar evolutia punctului ce se scrie nu si imaginea in totalitatea ei).

Observatie: Pentru vizualizarea unor semnale neperiodice sau de joasa frecventa au fost construite, in anii '70-'80, TCE cu grila de memorare (zise cu memorie analogica); osciloscoapele ce au folosit asemenea tuburi catodice (foarte scumpe si putin fiabile) au fost abandonate in favoarea DSO.

4. Dependenta intrare-iesire a TCE

A. Fie (X,Y) coordonatele unui punct de pe ecranul TCE si u_x(t), u_y(t) tensiunile aplicate placilor de deflexie -pe orizontala respectiv pe verticala -.

Daca u_x(t) si u_y(t) sunt marimi periodice corelate (deci raportul perioadelor lor este un numar rational), atunci pe ecranul TCE se obtine, o curba inchisa (perioada de scriere fiind c.m.m.m.c. al perioadelor tensiunilor aplicate).

Deoarece deflexia electrostatica asigura proportionalitatile: X(t) cu u_x(t) si Y(t) cu u_y(t), dependenta Y(X) obtinuta este proportionala, cu dependenta u_y(u_x); aceasta afirmatie, evidenta, permite utilizarea OSCA pentru:

Vizualizarea unei dependente y(x), cu x(t) si y(t) marimi periodice corelate;

Vizualizarea evolutiei temporale a unei marimi periodice stabilizate y(t), osciloscopul generand o marime ce simuleaza axa timpului si care poate evolua sincronizat cu y(t).

B. Atunci cand se cunosc u_x(t) si u_y(t) dependenta Y-X de pe ecranul TCE se poate reconstitui, elementar, folosind un sistem corelat de axe Y-X,Y-t,X-t si parcurgand etapele:

in raport cu axele Y-t si X-t se reprezinta, folosind aceeasi scara pe axa timpului, dependentele u_y(t) respectiv u_x(t);

in planul Y-X, printr-o metoda punct cu punct, se pun in corelatie punctele din planurile Y-t si X-t ce corespund acelorasi momente de timp.

Daca u_x(t) si u_y(t) sunt marimi periodice corelate obtinerea unei curbe inchise, este intotdeauna posibila. In fig.6.2.3 se exemplifica metoda pentru doua marimi sinusoidale de aceesi frecventa si defazate cu 90