Лабораторная работа №11
Исследование электростатической отклоняющей системы
Цель работы. Изучение характеристик электростатической отклоняющей системы в электронно-лучевом приборе (ЭЛП).
I. Предварительное задание
1. Ознакомиться с содержанием работы и методикой ее выполнения.
2. Подготовить ответы на следующие вопросы:
- уравнения движения электрона в электростатической отклоняющей системе (ОС), образованной плоскими параллельными пластинами. Результаты решения уравнений и форма траекторий электрона при различных углах влета электрона по отношению к оси системы;
- чувствительность к отклонению, зависимость от размеров ОС, места расположения экрана и напряжения выходного электрода прожектора;
- способы подключения источника сигнала к электродам отклоняющей системы.
3. Для заданных преподавателем условий рассчитать и построить траекторию движения электрона, влетающего в ОС по ее оси. Расчет провести в пределах ОС (не менее 5 точек) и за ее пределами (не менее 3 точек), включая точку попадания электрона на плоскость. Принять, что плоскость, на которую попадает электрон, отстоит от ближайшего края пластин на расстояние 20 см (рис.1).
Указание. В расчетах должны быть представлены использованные соотношения со ссылками на литературу либо приведен вывод расчетных соотношений. Для каждой расчетной точки приводится подстановка численных значений в соотношения с указанием размерностей всех величин.
4. Для заданных преподавателем условий рассчитать и построить зависимости чувствительности к отклонению от отклоняющего напряжения и от напряжения выходного электрода прожектора. При выполнении воспользоваться рис.1 и указанием к п.3.
 | |
| |
| |
Литература: [1, c.342 – 350; 2, c.147 - 155]
II. Объект исследования и используемая модель.
Объектом исследования является электростатическая ОС, применяемая в ЭЛП со слабой интенсивностью луча. В большинстве случаев система образована парой пластин, имеющих параллельные и изогнутые относительно оси участки (рис.1). В соответствии с такой конструкцией используемая для исследования модель является двумерной и описывается одинаковыми отрезками параллельных и непараллельных отрезков прямых, расположенных симметрично относительно оси системы. Способ подключения отклоняющего напряжения Uоткл к пластинам соответствует симметричному включению, то есть напряжения на пластинах соответствуют величинам Uа2 ±Uоткл/2, где Uа2 - напряжение выходного электрода прожектора.
III. Метод исследования
В основе метода исследования лежит расчет электрического поля, проводимый путем решения уравнения Лапласа для заданных размеров модели и напряжений на электродах, и нахождение траекторий движения электрона в рассчитанном поле. Компьютерная программа, реализующая метод исследования, включает в себя также интерфейс пользователя, позволяющий задавать и контролировать исходные данные, выводить на экран чертеж исследуемой системы, траектории электронов и количественные результаты, характеризующие отклоняющую систему.
IV. Интерфейс пользователя компьютерной программой моделирования отклоняющей системы и порядок работы с ним
Размеры базовой модели отклоняющей системы в соответствии с приведенной в разд. II, а также условия моделирования задаются пользователем в основном окне, показанном на рис.2.
Рис.2
В левой части окна задаются длины параллельных и непараллельных участков пластин (Р1 и Р2), расстояние между параллельными участками (R) и угол между осью системы и наклонным участком. Длины выражены в см, угол – в градусах. При желании пользователь может выбрать модель, состоящую только из параллельных участков или только из наклонных. Базовая модель при этом будет содержать только участок одного типа при отсутствующем втором. При вводе численного значения длины участка, относящегося к отсутствующей части модели, его следует сделать нулевым, однако во избежание нарушений в работе программы моделирования вместо нулевого значения пользователь должен ввести очень малую величину (например, на 2 порядка меньше, чем длина существующего участка). Десятичные знаки в задаваемых значениях отделяются от целого точкой (например, 0.1).
Условия моделирования задаются напряжением источника отклоняющего напряжения, энергией влетающего электрона, расстоянием от плоскости влета электрона до левого края ОС и расстоянием от правого края ОС до плоскости, вблизи которой заканчивается моделирование траектории и определяется угол осевого отклонения.
Отклоняющее напряжение может иметь любую величину, однако для избежания сильных искажений электрических полей вблизи ОС должно быть существенно (на порядок) ниже, чем напряжение Uа2.
Рекомендуемые значения расстояний от плоскости влета до ОС (L1) и от ОС до конца моделируемой траектории (L2) должны приблизительно быть равными длине ОС (рис.3).
 | |
|
Энергия влетающего электрона определяется Uа2 и составляет eUа2 эВ.
Обозначение в окне на рис.2 «трубка тока» эквивалентно траектории электрона. При желании пользователя может быть задано нахождение нескольких траекторий (не более 5) для электронов, влетающих параллельно оси, но со смещением по вертикали.
Если в окне пользователя задается 1 траектория, то в числе задаваемых условий моделирования добавляется еще одно, предусматривающее введение электрона в ОС под углом к оси («угол влета», рис.4 и 5).
 |
Рис.5
После заполнения всех позиций в окне пользователя производится запуск на моделирование путем нажатия кнопки «ОК». После того, как экран монитора гаснет, что свидетельствует о завершении моделирования, необходимо нажать клавишу «Enter». На экране остается окно пользователя (рис.2), однако теперь оно служит для просмотра результатов моделирования. При нажатии кнопки «траектория» на экран выводится конфигурация системы электродов ОС с траекторией электрона (рис.6).
Рис.6
При нажатии кнопки «параметры» на экране вместе с графиком траектории и чертежом ОС появляется список первоначально заданных величин (рис.7), дополненных результатами определения координат последней точки моделируемой траектории («координата по x, координата по y») и угол осевого наклона траектории в этой точке («угол отклонения»). Если число траекторий превышает 1, то указанные выше данные приводятся для каждой траектории. В действующей варианте программы координаты x и y в окне «параметры» отсчитываются не так, как показано на рис.1: координата x отсчитывается от плоскости влета, а координата y – от верхней границы пространства моделирования, расположенной параллельно оси системы на расстоянии 0,5 см вверх по вертикали от верхнего края ОС (рис.8).
Траектория 1:
Отклоняющее напряжение, В
Расстояние между пластинами, см
Длина первого участка системы, см
Длина второго участка системы, см
Угол наклона второго участка системы, град
Расстояние от ОС до конца траектории, см
Расстояние от плоскости влета до ОС, см
Энергия влетающего электрона, эВ
Угол влета, град
Угол осевого отклонения, град
Х-координата конечной точки траектории, см
Y-координата конечной точки траектории, см
Рис.7
 |
V. Задание к работе и обработка результатов
1. Путем моделирования для условий, принятых в п.2 разд.1, определить координаты попадания электрона на плоскость, отстоящую от правого края ОС на расстояние 20 см. Сравнить полученные данные с результатами выполнения п.1 раздIII.
Указание. Для выполнения необходимо сначала с помощью компьютерной программы найти угол осевого отклонения и смещение относительно оси при небольших расстояниях L2 (рекомендованных в разд. IV), а затем рассчитать координату при L2=20см.
2. Для заданных размеров ОС и энергии влетающего электрона с помощью моделирования получить и построить зависимость угла осевого отклонения траектории электрона от отклоняющего напряжения (при малых L2, см разд. V) . Используя полученные результаты, построить зависимость координаты попадания электрона на плоскость (L2=20 см) от отклоняющего напряжения.
Указание. Минимальное количество точек в зависимостях – 7. Максимальное Uоткл не должно превышать 0,1Uа2.
3. Для заданных размеров OC и отклоняющего напряжения при помощи моделирования получить и построить зависимость угла осевого отклонения электрона от энергии влетающего электрона. Используя полученные результаты, построить зависимость координаты попадания электрона на плоскость (L2=20см) от энергии влетающего электрона.
Указание. Минимальное количество точек в зависимостях – 7. Минимальное Uа2 не должно быть менее 10·Uоткл.
4. По результатам выполнения пп. 2 и 3 построить зависимости чувствительности к отклонению от отклоняющего напряжения и от энергии влетающего в отклоняющую систему электрона. Указанные зависимости нанести на графики, полученные при выполнении предварительного задания (п.4 разд.1).
VI. Примерные вопросы для защиты
1. Конструкции отклоняющих систем в ЭЛП, сравнительная характеристика.
2. Зависимости чувствительности к отклонению от отклоняющего напряжения и энергии влетающего в ОС электрона (с объяснением).
3. Траектории движения электронов, влетающих в ОС параллельно оси, но с различным смещением от оси.
4. Траектории движения электронов, влетающих в ОС под различными углами к оси.
5. Частотные свойства ОС.
VII. Отчет
Отчет должен содержать:
- Чертеж ОС с обозначениями и заданными условиями моделирования.
- Результаты выполнения предварительного расчетного задания.
- Результаты выполнения задания (раздел V) по всем пунктам в виде графиков и расчетов. При расчетах необходимо следовать указаниям п3 разд1.
- Выводы, содержащие обоснованную оценку степени согласования полученных при моделировании величин и зависимостей с ожидаемыми или предварительно рассчитанными.
