Электронная пушка (ЭП) – это устройство, создающее пучок электронов. ЭП является главной составной частью электронно-лучевой трубки, которая формирует изображение на экране телевизора, монитора и осциллографа.

В 1859 году Юлиус Плюкке открыл катодные лучи, не имея ещё представления об их природе. Позднее было показано, что частицами, формирующими пучок, исходящий из катода, являются электроны. Следующий шаг сделал Уильям Крукс в 1879 году. Он создал прототип электронно-лучевой трубки, имеющий в своей конструкции электронную пушку. Крукс, изучая свойства катодных лучей, обнаружил, что они распространяются прямолинейно, но отклоняются магнитным полем. И лишь в 1905 году Эйнштейн опубликовал формулу открытого в 1877 году Генрихом Герцем фотоэффекта, объяснившую также природу возникновения катодных лучей.

В основе устройства ЭП лежит явление термоэлектронной эмиссии. Часть электронов проводника, при его нагревании, покидает пределы тела и образуют электронное облако вокруг него. Плотность электронного облака резко падает при увеличении расстояния от проводника. Электроны покидают нагретый проводник тогда, когда их кинетическая энергия больше работы выхода (работы, которую электрон должен потратить при выдохе из проводника на преодоления электростатических сил притяжения к положительно заряженным узлам решётки). Похожее явление количественно описал Эйнштейн в 1905 году. Немецкий физик изучал фотоэффект (явление покидания электронов проводника при облучении его светом), который по сути имеет одну природу с явлением термоэлектронной эмиссии с той лишь разницей, что энергия сообщается проводнику посредством его облучения, а не нагревания, как в явлении термоэлектронной эмиссии.

На рисунке 1 показано устройство электронно-лучевой трубки, частью которой является ЭП.

 

ЭП состоит из катода (8), который нагревается нитью накала (5), управляющего электрода (12) и фокусирующей катушки (3) с сердечником (11). Нить накаливания нагревает катод, и, в результате, вокруг катода возникает электронное облако (явление термоэлектронной эмиссии). Управляющий электрод создаёт разность потенциалов между собой и катодом, которая заставляет электронное облако двигаться, удаляясь от катода. Напряжением на управляющем электроде можно регулировать интенсивность потока электронов от катода. А магнитное поле, создаваемое катушкой, фокусирует пучок электронов.

Таким образом, ЭП сначала при помощи нити накаливания преобразует электромагнитную энергию в тепловую, а потом посредством явления термоэлектронной эмиссии при помощи ускоряющей разности потенциалов преобразует тепловую энергию в механическую (кинетическую) энергию электронов.

ЭП является главной составной частью электронно-лучевой трубки. ЭП формирует пучок электронов заданной интенсивности, который при достижении экрана формирует изображение.
Электронно-лучевая трубка используется в телевизорах и мониторах старого образца (не плазменных и не жидкокристаллических), а также в осциллографах.
 

Для реализации устройства существует прибор, принципиальная схема которого изображена на рисунке:

В баллоне 9 создан глубокий вакуум — сначала выкачивается воздух, затем все металлические детали кинескопа нагреваются индуктором для выделения поглощённых газов, для постепенного поглощения остатков воздуха используется геттер.

Для того, чтобы создать электронный луч 2, применяется устройство, именуемое электронной пушкой. Катод 8, нагреваемый нитью накала 5, испускает электроны. Чтобы увеличить испускание электронов, катод покрывают веществом, имеющим малую работу выхода (крупнейшие производители ЭЛТ для этого применяют собственные запатентованные технологии). Изменением напряжения на управляющем электроде (модуляторе) 12 можно изменять интенсивность электронного луча и, соответственно, яркость изображения (также существуют модели с управлением по катоду). Кроме управляющего электрода, пушка современных ЭЛТ содержит фокусирующий электрод (до 1961 года в отечественных кинескопах применялась электромагнитная фокусировка при помощи фокусирующей катушки 3 с сердечником 11), предназначенный для фокусировки пятна на экране кинескопа в точку, ускоряющий электрод для дополнительного разгона электронов в пределах пушки и анод. Покинув пушку, электроны ускоряются анодом 14, представляющем собой металлизированное покрытие внутренней поверхности конуса кинескопа, соединённое с одноимённым электродом пушки. В цветных кинескопах со внутренним электростатическим экраном его соединяют с анодом. В ряде кинескопов ранних моделей, таких, как 43ЛК3Б, конус был выполнен из металла и представлял анод сам собой. Напряжение на аноде находится в пределах от 7 до 30 киловольт. В ряде малогабаритных осциллографических ЭЛТ представляет собой только один из электродов электронной пушки и питается напряжением до нескольких сот вольт.

Далее луч проходит через отклоняющую систему 1, которая может менять направление луча (на рисунке показана магнитная отклоняющая система). В телевизионных ЭЛТ применяется магнитная отклоняющая система как обеспечивающая большие углы отклонения. В осциллографических ЭЛТ применяется электростатическая отклоняющая система как обеспечивающая большее быстродействие.

Электронный луч попадает в экран 10, покрытый люминофором 4. От бомбардировки электронами люминофор светится и быстро перемещающееся пятно переменной яркости создаёт на экране изображение.

Люминофор от электронов приобретает отрицательный заряд, и начинается вторичная эмиссия — люминофор сам начинает испускать электроны. В результате вся трубка приобретает отрицательный заряд. Для того, чтобы этого не было, по всей поверхности трубки находится соединённый с общим проводом слой аквадага — проводящей смеси на основе графита (6).

Кинескоп подключается через выводы 13 и высоковольтное гнездо 7.

Кинескоп (от греч. kínesis — движение и skopéo — смотрю), приёмная телевизионная трубка, электроннолучевая трубка для воспроизведения телевизионных изображений. К. применяется для наблюдений черно-белых и цветных изображений непосредственно или посредством проецирования изображений на большой экран, для съемки изображений на фото- или кинопленку, в качестве источника света и устройства разложения изображения на элементы при передаче по методу бегущего луча.

В К. (рис. 1 и 2) сила тока электронного луча, выходящего из электронного прожектора, изменяется (модулируется) в соответствии с изменениями амплитуды сигналов, поступающих на управляющий электрод (модулятор). Под действием ускоряющего напряжения на аноде и отклоняющей системы промодулированный луч высвечивает с переменной яркостью на электролюминесцентном экране строку за строкой, воспроизводя кадр за кадром передаваемое изображение . Экран изготовляется из порошкообразного люминофора определённого состава или смеси люминофоров, которые наносятся на внутреннюю поверхность дна колбы К. В местах падения электронного луча на экране появляется свечение, цвет которого зависит от состава люминофора. Во избежание размазывания изображения движущихся объектов выбираются люминофоры с малым временем послесвечения (менее 0,1 сек). У большинства К. обращенную внутрь колбы поверхность экрана покрывают тонкой (около 0,5—1,0 мкм), прозрачной для электронов, алюминиевой плёнкой. Отражая свет, возникающий при бомбардировке экрана электронами луча, плёнка увеличивает его светоотдачу на 30—50%. Она служит также защитой люминофора в центральной части экрана от разрушения потоком отрицательных ионов, то есть от образования так называемого «ионного пятна». В отсутствие алюминиевого слоя для защиты люминофора применяется так называемая ионная ловушка.

Основные типы изготавливаемых в СССР К. для непосредственного наблюдения черно-белых изображений () имеют прямоугольную форму экрана с размерами по диагонали 6, 11, 16, 23 см (для переносных транзисторных телевизоров), 35, 43, 47, 59, 61, 65 и 67 см. Чаще всего фокусировка луча производится посредством электростатических систем, отклонение — магнитных. Углы отклонения луча (полный «раствор») равны 70, 90 или 110°. Близкое к белому свечение экрана достигается применением двух люминофоров, дающих (при свечении) дополнительные цвета. Обычно используют активированный серебром сульфид цинка (синее свечение) и активированный серебром или медью цинко-кадмиевый сульфид (жёлтое свечение). Напряжение на аноде К. равно 12—20 кв, сила тока луча — 300—500 ма. У К. с диагональю экрана до 23 см яркость свечения равна 30—40 нт, от 35 до 67 см — 50—150 нт.

Действие К. для непосредственного наблюдения цветных изображений основано на свойстве глаз человека воспринимать цвета как результат смешения в определенных количественных соотношениях трех основных цветов: красного, зеленого и синего. В наиболее распространенном в СССР и зарубежных странах цветном К. с теневой маской (рис. 2) экран выполнен в виде мозаики (рис. 3). Она состоит из множества (около 1,5 млн.) люминофорных «точек», светящихся под действием трёх электронных лучей: красным (например, из активированного марганцем фосфата цинка), зелёным (например, из активированного серебром селенида цинка) и синим (например, из активированного серебром сульфида цинка) цветами. «Точки» люминофоров 3 видов образуют группы, систематически повторяющиеся вдоль строк мозаики. Каждая такая группа по размерам соответствует одному элементу телевизионного изображения. Между прожектором и экраном, на некотором расстоянии от последнего, размещена тонкая металлическая пластина — теневая маска, имеющая около 500 000 отверстий диаметром, составляющим доли мм. 3 электронных луча из 3 прожекторов одновременно проходят через какое-либо отверстие. Один из лучей всегда попадает на точечный люминофор, светящийся красным цветом, второй — зелёным, третий — синим. Телевизионная развёртка изображения осуществляется общей магнитной отклоняющей системой, а одновременное сведение 3 лучей в какое-либо отверстие маски — тремя дополнительными индивидуальными системами отклонения. Для исключения засветки «чужого» люминофора служит магнит чистоты цвета. Поворотом его электронный луч направляют на «свой» люминофор. Лучи модулируются соответствующими телевизионными сигналами, несущими информацию о цветности и яркости отдельных элементов передаваемого изображения (см. Цветное телевидение). На цветном К. можно получать также черно-белое изображение. Изготавливаемые в СССР К. с теневой маской имеют прямоугольную форму алюминированного экрана с размерами по диагонали 40 и 59 см; напряжение на аноде 20—25 кв и яркость экрана (в белом цвете) 60 нт (при суммарной силе тока лучей 450—1250 мка).

Однако К. с теневой маской достаточно сложны в изготовлении и эксплуатации. В Советском Союзе и за рубежом разрабатываются (1972) более простые и надежные цветные К. одно-прожекторной системы с линейчатым экраном и фокусирующей сеткой (так называемый хроматрон). Экран хроматрона состоит из вертикальных полосок люминофоров красно, синего и зеленого цветов свечения. Против полосок люминофоров красного и синего свечения и параллельно им натянуты проволоки фокусирующей сетки. Вследствие разности потенциалов сетки и экрана между проволоками образуются цилиндрические электронные линзы, дополнительно фокусирующие электронный луч, который направляется на полосы люминофора зелёного свечения. При поочерёдном подведении к модулирующему электроду видеосигнала, содержащего информацию о красной, зелёной и синей составляющих изображения, и одновременной коммутации отклоняющего напряжения на сетке поочередно получается все основные цвета. Ввиду инерционности зрения эти цвета сливаются в одно цветное изображение. К достоинствам хроматрона относятся: применение одного прожектора и простой магнитной отклоняющей системы, отсутствие дополнительных магнитов сведения лучей и чистоты цвета. В отличие от хроматрона, в выпускаемом в Японии цветном К., но с тремя прожекторами (так называемом тринитроне), происходит одновременная передача цветов, что позволяет получить большую яркость изображения и лучшее качество цветовоспроизведения по сравнению с трёхпрожекторным К. с теневой маской, так как лучше используются токи лучей.

Для получения телевизионных изображений на большом экране (площадью 3—4 м2) выпускаются проекционные К. с диаметром экрана 6, 10, 13 см и высокой яркостью его свечения (25—30 тыс. нт) при силе тока луча 100—150 мка (для 6 и 10-см экранов) и 2000 мка (для 13-см экрана).