Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

В электронно-оптических устройствах широко используются магнитные и электрические поля, имеющие симметрию вращения относительно оптической оси системы. Электронные линзы и электронные зеркала с подобными полями называются осесимметричными. Электрические поля с симметрией вращения образуются электродами в виде диафрагм с круглыми отверстиями, чашечек, цилиндров и т. п. Для получения осесимметричных магнитных полей применяют электромагниты (редко постоянные магниты) с полюсами, имеющими форму тел вращения или тороидальных катушек с намоткой из изолированной проволоки, по которой протекает электрический ток. Осесимметричные зеркала и линзы образуют правильные электронно-оптические изображения, если заряженные частицы движутся довольно близко к оси симметрии поля, а их начальные скорости незначительно отличаются друг от друга. Если данные условия не выполняются, погрешности изображения становятся довольно значительными. Когда изображение и предмет находятся за пределами поля, осесимметричные электронные линзы всегда являются собирающими. В электростатических осесимметричных электронных линзах, как и в светооптических линзах, имеющих сферические поверхности, изображение может быть только перевернутым или прямым, в магнитных электронных линзах оно еще дополнительно повернуто на некоторый угол. Электронно-оптические свойства поля с симметрией вращения обусловливаются положением его основных точек, подобных основным точкам светооптических осесимметричных изображающих систем: двух узловых точек, двух главных точек и двух фокусов. Построение изображения осуществляется по правилам световой геометрической оптики. Электростатическим осесимметричным полям присущи те же пять видов геометрических аберраций третьего порядка, что и центрированным светооптическим системам сферических поверхностей: кривизна поля изображения, сферическая аберрация, астигматизм, дисторсия и кома. В магнитных полях к этим пяти добавляются еще три: анизотропные дисторсия, кома и астигматизм. Помимо этого существуют три вида хроматических аберраций, определенных некоторым неизбежным разбросом энергий, которые поступают в поле частиц. Аберрации полей с симметрией вращения в сравнимых условиях сильно превышают по величине аберрации светооптических центрированных систем, т. е. электронные зеркала и электронные линзы по качеству значительно уступают светооптическим. Вопрос о компенсации аберраций или их снижения является одним из главных в теории электронной и ионной оптики.

Существуют и другие типы электронных зеркал и электронных линз, поля которых имеют различные виды симметрии. Они образуют изображения точечных объектов в виде отрезков, однако иногда могут осуществлять и стигматическую фокусировку. Так называемые магнитные, электростатические и цилиндрические зеркала и линзы создают линейные изображения точечных предметов. Поля в подобных электронных линзах «двумерны» и симметричны относительно некоторой средней плоскости, около которой движутся заряженные частицы. В ряде аналитических электровакуумных устройств высококачественная фокусировка нужна только в одном направлении. В подобных случаях целесообразно использовать так называемые трансаксиальные электростатические электронные линзы или трансаксиальные электронные зеркала, аберрации которых в средней плоскости весьма малы. Для воздействия на пучки заряженных частиц с большими энергиями применяют квадрупольные электронные линзы (магнитные и электрические). Для отклонения пучков заряженных частиц применяют электроннооптические устройства с магнитными или электрическими полями, направленными поперек пучка. Элементарным электрическим отклоняющим элементом является плоский конденсатор. В электроннолучевой трубке с целью уменьшения отклоняющего напряжения используют системы с электродами более сложной формы. Магнитные поля, которые предназначены для отклонения пучков, образуются проводниками или электромагнитами, по которым протекает ток.

Весьма разнообразны формы отклоняющих магнитных и электрических полей, используемых в аналитических приборах, в которых применяется свойство этих полей разделять заряженные частицы по массе и энергии. Широко применяется также их свойство фокусировать пучки. Электрические поля, как правило, формируются различными конденсаторами: сферическим, цилиндрическим, плоским. Из магнитных полей часто используются секторное поле и однородное поле. Для улучшения качества фокусировки искривляют границы секторных магнитных полей, а также используют неоднородные магнитные поля, напряженность которых изменяется по определенному закону.

Перечисленные отклоняющие магнитные и электрические устройства, иногда называются электронными призмами, которые отличаются от светооптических призм тем, что они могут не только отклонять, но и фокусировать пучки заряженных частиц. Фокусировка является причиной попадания в поля подобных устройств параллельных пучков, и после отклонения они перестают быть параллельными. Между тем для изготовления высококачественных аналитических ионных и электронных приборов по точному подобию со светооптическим призменным спектрометром нужны электронные призмы, которые аналогично световым призмам сохраняют параллельность пучков. В качестве подобных электронных призм используют телескопические системы электронных линз. Добавив к электронной призме две электронные линзы, одну коллиматорную на входе, другую фокусирующую на выходе, можно образовать аналитический прибор, в котором сочетаются большая электронно-оптическая светосила и высокая разрешающая способность.

Электронная лампа

Электронная лампа – электровакуумный прибор, действие которого базируется на изменении потока электронов, отниманием от катода и движущихся в вакууме, электрическим полем, образуемым с помощью электродов. В зависимости от значения выходной мощности электронные лампы делятся на приемно-усилительные лампы, выходная мощность которых не свыше 10 Вт, и генераторные лампы мощностью свыше 10 Вт.

Первые электронные лампы появились в начале XX в. Это были электровакуумные триоды и диоды – разрабатывались на базе техники производства ламп накаливания и по внешнему виду были очень схожи с лампами накаливания: стеклянная колба, в центре которой находится вольфрамовая нить накала, которая служит катодом.

Уже в 1930-е гг. внешний вид электронных ламп значительно изменился, однако слово «лампа» в ее названии осталось до наших дней. В первой половине XX в. электронные лампы оказали решающее воздействие на характер развития радиотехники.

На их базе появились радиолокация, радиосвязь, звуковое радиовещание, телевидение, вычислительная техника в лице ЭВМ первого поколения. За период 1921—1941 гг. ежегодный мировой выпуск электронных ламп возрос с одного до сотен миллионов штук. Однако успехи полупроводниковой электроники определили бесперспективность дальнейшей разработки радиоаппаратуры на базе приемно-усилительных ламп.

В 60—70-х гг. ХХ в. разработка подобной аппаратуры была остановлена; в результате ежегодный мировой выпуск приемно-усилительных ламп за 1960—1973 гг. уменьшился приблизительно в 3 раза.

Успехи полупроводниковой электроники не оказали влияния на развитие генераторных ламп, поскольку выходная мощность полупроводниковых приборов на радиочастотах не выше 10—100 Вт. Производимые генераторные лампы (тетроды и триоды) характеризуются в непрерывном режиме мощностью от 50 Вт до 3 МВт и до 10 МВт в импульсном режиме. При разработке новых видов генераторных ламп основное внимание уделяется линейности сеточной характеристики (зависимости анодного тока электронных ламп от напряжения на первой сетке; у сегодняшних ламп искажения третьего порядка снижены до – 45 дБ); увеличению коэффициента усиления по мощности до 25—30 дБ; повышению КПД (например, у триодов с магнитной фокусировкой электронов, применяемых для высокочастотного нагрева, он достигает 90%); уменьшению сеточного тока и т. д.

Раздел 15. Оптика

Бинокль

Бинокль – оптический прибор для рассматривания находящихся вдали объектов двумя глазами. Принципиальная конструкция бинокля – это две зрительные трубы, соединенные вместе и расположенные параллельно. Бинокли по своей конструкции и устройству различаются по типам: бинокль Галилея и бинокль призменный (Малофеева– Порро). Бинокль Галилея дает прямое изображение предметов и имеет высокую светосилу, фокусное расстояние его объектива – положительное, окуляра – отрицательное. Но его недостаток – малое поле зрения, и его увеличение составляет всего 2,5—4 крат, поэтому его применение ограничено. Бинокль призменный дает перевернутое изображение из-за применения относительно длинных зрительных труб и имеет оборачивающую систему, обладает большим полем зрения, повышенной стереоскопичностью. В фокальной плоскости объектива применяется сетка для определения расстояний и угловых расстояний между объектами. Начало создания оптических приборов для наблюдения дальних объектов относится к 1609 г., когда Г. Галилей построил зрительную трубу для астрономических наблюдений. В 1630 г. И. Кеплер построил зрительную трубу, отличающуюся от конструкции Галилея увеличением поля зрения. Поэтому в современных оптических приборах используются окуляры кеплеровских зрительных труб. Основные характеристики современного бинокля – это увеличение, угол поля зрения, диаметр объектива, пластичность. Бинокли различаются по кратности, т. е. по увеличению на группы: 2—4-кратное – малое увеличение (театральное), 5—8-кратное – среднее увеличение, 10—22-кратное – большое увеличение. Угол поля зрения бинокля прямо пропорционален углу поля зрения окуляра и обратно пропорционален увеличению. Различные окуляры имеют угол поля зрения до 70—90°. Величина диаметра объектива – показатель использования данного бинокля ночью или в сумерках. Диаметр объектива определяет разрешающую способность бинокля.