مدفع إلكترونات

Electron gun from a cathode ray tube

Electron gun from an oscilloscope CRT

مدفع إلكترونات electron gun ويسمى electron emitter وهوجهاز يتألف من مجموعة من المساري electrodes، تولد حزمة من الإلكترونات حركتها موجَّهة باتجاه وحيد يمكن التحكم بطاقتها (سرعتها أوشدتها). تكون الحزمة الإلكترونية المتولدة عادةً ضيقة وعالية السرعة.

المكونات

يتألف المدفع الإلكتروني عموماً من مهبط cathode مع فتيل تسخين filament - يمكن حتىقد يكون فتيل التسخين هوالمهبط في أنواع معينة من المدافع الإلكترونية - وشبكة تحكّم grid، ومصعد تسريع أول accelerating anode، وعدسة هجريز، ومصعد تسريع ثانٍ.

مبدأ العمل

يقوم فتيل التسخين بتسخين المهبط (في حالة التسخين غير المباشر) - أما إذا كان فتيل التسخين هوالمهبط فيكون التسخين مباشراً- وعند بلوغ درجة حرارة المهبط عتبة تتعلق قيمتها بنوع مادة سطح المهبط، تكتسب إلكترونات سطح المهبط طاقة كافية لتحررها من سطحه، ويدعى هذا بالإصدار الحراري للإلكترونات، ويعطى عدد الإلكترونات المتحررة بدلالة درجة حرارة التسخين من علاقة ريتشاردسون - دوشمان Richardson- Dushman وهي:

(1) J = AT2 e -b / T

حيث J: كثافة التيار الصادر من المهبط.

A, b: ثابتان، A يتعلق بطبيعة السطح المعدني للمهبط، b يمكن التعبير عنه بالعلاقة b = Φ / K حيث Φ تابع العمل لمادة المهبط وK ثابت بولتزمان، وT درجة الحرارة المطلقة.

يتم تحويل الغمامة الإلكترونية المتحررة من المهبط إلى حزمة بوساطة شبكة التحكم التي تأخذ شكل أسطوانة تحيط بالمهبط مفتوحة من الأمام لتسمح بمرور حزمة الإلكترونات، وبتغيير فرق الكمون السالب المطبق على الشبكة يتم التحكم بعرض الحزمة الإلكترونية. وعند تطبيق فرق كمون موجب على مصعد التسريع الأول يتم تسريع حزمة الإلكترونات فتمر عبر عدسة كهرمغنطيسية لهجريز الحزمة لتمر من حديث عبر مصعد التسريع الثاني باتجاه هدف محدد (شاشة مفلورة، مصعد، فتحة خروج). يتم جميع ذلك ضمن أنبوب مفرغ من الهواء. هذا ويمكن الاستعانة بعدسات إضافية كهربائية أومغناطيسية أوكهرمغناطيسية متوضِّعة على مسار الحزمة، ضمن الأنبوب المفرّغ لزيادة تسريع الحزمة وهجريزها.

أنواع المدافع الإلكترونية

يمكن تصنيف المدافع الإلكترونية كما يأتي:

1- حسب كيفية توليد الإلكترونات، وفي هذه الحالة نجد الأنواع الآتية الأكثر شيوعاً:

ـ طريقة الإصدار الحراري للإلكترونات: وهوالمبدأ الذي تم شرحه أعلاه، ويعدّ الأكثر شيوعاً في شاشات التلفاز وشاشات الحواسيب.

ـ طريقة إصدار الإلكترونات بالإصدار الثانوي للإلكترونات second electron emission: وهي تتم نتيجة رجم المهبط بأيونات أوجسيمات ذات طاقة كافية لنزع إلكترون أوأكثر منه.

ـ طريقة إصدار الإلكترونات بالمفعول الكهرضوئي photoelectric emission: وهي تتم نتيجة تعريض المهبط إلى فوتونات ضوئية ذات طاقة كافية لنزع إلكترون أوأكثر منه.

ـ طريقة إصدار الإلكترونات نتيجة مفعول الحقل field emission: يتم في هذه الطريقة نزع الإلكترونات من المهبط نتيجة تطبيق فرق كمون عالٍ بين المهبط والمصعد، يمنح إلكترونات سطح المهبط طاقة أعلى من عتبة إصدار الإلكترونات من مادة المهبط.

ـ طريقة البلازما: يتم في هذه الكيفية توليد البلازما plasma - التي تعدّ المهبط في هذه الحالة - ومن ثَمَّ تجميع إلكترونات هذه البلازما وتحويلها إلى حزمة إلكترونية.

2- حسب شدة الحزمة الإلكترونية، وفي هذه الحالة نجد الأنواع الآتية:

ـ المدافع الإلكترونية عالية الطاقة high power electron guns: في هذا النوع من المدافع الإلكترونية يراوح تيار الحزمة الإلكترونية بين 410 و710 أمبير، وتكون طاقة الإلكترونات بينعشرة و20 مليون إلكترون فولط (MeV)، واستطاعة الحزمة الإلكترونية بحدود 1310 واط. وفي حال زيادة التيار عن حد معين (يتحدد من مواصفات المدفع الإلكتروني بعلاقة رياضية) ينشأ ما يسمى بالمهبط الافتراضي virtual cathode نتيجة تراكم الإلكترونات قريباً من المهبط مشكّلاً ما يسمى بشحنة الفراغ space charge.

- المدافع الإلكترونية التقليدية: وهي المستخدمة في التطبيقات المنزلية والمخبرية البسيطة (شاشات التلفاز، رواسم الإشارة). في هذه المدافع يراوح تيار الحزمة الإلكترونية بين عشرات الميكروأمبير وأجزاء الأمبير، ويمكن حتى تصل طاقة الإلكترونات فيها إلى حدود بضع مئات من الكيلوإلكترون فولط (keV).

طريقة العمل

تعدّ الطريقة الآتية هي الطريقة المثلى لعمل المدافع الإلكترونية:

- يطبق جهد عالٍ high tension (HT) على مصعد التسريع.

- تزداد شدة تيار التسخين المار بفتيل التسخين حتى تبلغ حد الإشباع (تيار الإشباع).

في هذه الحالة يتم الحصول على تيار حزمة أعظمي لقاء أدنى قيمة ممكنة لتيار التسخين، مما يطيل عمر فتيل التسخين، ويوفر في الطاقة المستهلكة.

وللتحكم بسطوع brightness حزمة الإلكترونات (شدتها وحجمها)، يطبق جهد انحياز bias بين فتيل التسخين ومصعد التسريع. وبفضل التحكم بجهد الانحياز هذا، يتم التحكم بمساحة منطقة إصدار الإلكترونات من المهبط، وبالتالي التحكم بسطوع حزمة الإلكترونات.

المواصفات الأساسية للمدافع الإلكترونية

1- طاقة الحزمة الإلكترونية: تقدر بالإلكترون فولط (eV)، وتتعلق بكثافة تيار الحزمة المحددة بالعلاقة (1)، وفرق كمون التسريع HT.

2- الترابط الزماني temporal coherence: بما حتى الإلكترونات الصادرة عن المهبط تصدر بعمل الإصدار الحراري thermal emission، فإن توزع طاقة الحزمة الإلكترونية E ليس حاداً، بمعنى آخر إذا توزع طاقة إلكترونات الحزمة حول E أي ∆E - وفق توزع بولتزمان - يتغير على نحوكبير حسب نوع فتيل التسخين. إذا تخفيض قيمة ∆E / E مهم جداً في المجاهر الإلكترونية.

3- الترابط المكاني spatial coherence: يعني في الغالب سطوع الحزمة الإلكترونية. ويتعلق هذا بتوازي الحزمة الإلكترونية إلى أكبر مسافة ممكنة. يشار إلى حتى جميع الإلكترونات الصادرة يجب حتى تكون نظرياً على توافق في الصفحة فيما بينها، وعندها تتداخل الأمواج الإلكترونية تداخلاً بناءً، وإذا لم يتحقق ذلك فإن بعض التداخلات الهدامة ستحدث، وسينخفض عندها سطوع الحزمة الإلكترونية.

الإستخدامات

المدفع الإلكتروني بأنواعه المتنوعة جزء أساسي في الكثير من التجهيزات، ابتداءً من التجهيزات المنزلية والتجهيزات المستخدمة في المخابر الجامعية وصولاً إلى التجهيزات المعقدة المستخدمة في مخابر البحوث والمصانع الضخمة، كما هومشروح في الأمثلة الآتية:

1- الشاشات الملونة: تعتمد الشاشات الملونة التقليدية كشاشات التلفاز، وشاشات الحواسيب على أنبوب الأشعة المهبطية البسيط cathode- ray tube (CRT). يتألف أنبوب الأشعة المهبطية الملوّن - من ثلاثة مدافع إلكترونية تنتج ثلاث حزم من الإلكترونات، تسبب جميع حزمة تألقاً بأحد الألوان الرئيسة (الأحمر، الأخضر أوالأزرق) على الشاشة المفلورة التي تسقط عليها، ويتم التحكم بمسار هذه الحزم بعدساتٍ كهرمغنطيسية.

وللحصول على طيف الألوان الواسع يتم مزج النسب اللازمة من الألوان الرئيسة على الشاشة المفلورة. في حين يحتوي أنبوب الأشعة المهبطية في الشاشات الوحيدة اللون (أسود وأبيض) على مدفع إلكتروني وحيد.

2- المجهر الإلكتروني electron microscope: تحتوي كافة أنواع المجاهر الإلكترونية منبع إلكترونات أولية عالية الطاقة (المدفع الإلكتروني)، الهدف من هذا المنبع الحصول على حزمة ضيقة من الإلكترونات يتم التحكم في طاقتها (سرعتها) بدقة عالية. تعتمد معظم المدافع الإلكترونية المستخدمة في المجاهر الإلكترونية على مبدأ الإصدار الحراري لتوليد الإلكترونات، ويكون جهد التسريع الأعظمي HT فيها بحدود k 25kV، ويتم اختيار قيمة جهد التسريع المناسب اعتماداً على العلاقة الواجب تحققها بين قطر الحزمة الإلكترونية الذي يتناقص مع جهد التسريع ومقدرة الحزمة الإلكترونية على النفوذ الذي يتزايد مع جهد التسريع.