Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка

Напомним, что не так давно мы изучили электрический ток в вакууме и познакомились с таким прибором, как вакуумный диод. В вакуумном диоде есть два электрода: катод и анод. В результате нагревания катода, вокруг него образуется электронное облако, и мы наблюдаем явление термоэлектронной эмиссии. Как мы помним, если подключить анод к положительному полюсу источника, а катод — к отрицательному, то мы получим электрический ток. Как вы понимаете, если в аноде сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, будут пролетать в это отверстие.

Длина потока электронов, пролетающих в это отверстие, будет значительно больше, чем толщина этого потока. Именно такой поток электронов называется электронным пучком. Итак, электронный пучок — это поток электронов, длина которого гораздо больше, чем толщина.

Устройство, создающее электронные пучки называется электронной пушкой. То есть, электронная пушка — это устройство для получения электронных пучков с заданной кинетической энергией и заданной конфигурацией.

Количество электронов можно контролировать, поместив третий электрод между катодом и анодом, и изменяя его потенциал.

Рассмотрим свойства электронных пучков. Конечно же, электронный пучок обладает определенной энергией, поэтому, попадание электронного пучка на то или иное вещество вызывает нагревание. Это свойство широко используется для сварки чистых материалов (например, полупроводников). В определенных случаях, попадание примесей в данное вещество недопустимо, поэтому сварка осуществляется с помощью электронных пучков.

Еще одно свойство электронных пучков — это то, что при их торможении на металлах образуется рентгеновское излучение. Данное явление впервые было открыто Вильгельмом Рентгеном в 1895 году. Работая в лаборатории, Рентген по некоторым наблюдениям обнаружил, что из катодной трубки исходит неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные материалы. Сегодня почти все слышали о рентгеновском излучении, и, как вы знаете, это излучение широко используется в медицине.

Помимо перечисленных свойств, следует отметить, что некоторые вещества начинают светиться при попадании на них электронных пучков. Такие вещества называются люминофорами.  Наконец, нельзя не отметить, что электронные пучки, конечно же, отклоняются под действием электрических и магнитных полей. Проходя между двумя разноименно заряженными пластинами, электроны начинают отталкиваться от отрицательно заряженной пластины и притягиваться к положительно заряженной пластине.

Это приводит к отклонению всего электронного пучка. Аналогично, пролетая над южным магнитным полюсом, электроны отклоняются вправо, а пролетая над северным — отклоняются влево. Наиболее ярким примером этого свойства, являются полярные сияния. Солнце постоянно испускает потоки различных частиц (в том числе и электронные пучки) которые отклоняются магнитным полем Земли. Это приводит к тому, что все эти частицы скапливаются у полюсов, вызывая свечение газов в верхних слоях атмосферы.

Большинство из свойств электронных пучков используется для создания электронно-лучевой трубки.

Электронно-лучевая трубка используется в кинескопных телевизорах, а также в работе осциллографа — прибора для регистрации тех или иных сигналов в электрических цепях.

Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумный баллон. Широкая стенка этого баллона служит экраном. В узком конце трубки располагается электронная пушка.

Нагретый катод испускает электроны, число которых регулируется управляющим электродом. В целях безопасности, катод окружен теплозащитным слоем. Также, в электронной пушке присутствуют два анода.

Между первым анодом и катодом создается высокое напряжение, в результате чего электроны достигают довольно большой скорости под действием сильного электрического поля. Второй анод служит для фокусировки электронного пучка, то есть для уменьшения площади поперечного сечения этого пучка. Далее располагаются две пары пластин, с помощью которых можно задавать направление электронных пучков. Пара пластин, расположенных вертикально позволяет отклонить пучок вправо или влево (в зависимости от того, на какой пластине будет располагаться положительный потенциал). Аналогично, с помощью пары пластин, расположенных горизонтально, можно отклонять пучок вверх или вниз (опять же, в зависимости от того, на какой пластине будет положительный потенциал). Подобным способом можно направлять электронные пучки, используя магнитные поля. На экран наносятся люминофоры, которые реагируют на попадание электронных пучков. В электронно-лучевой трубке для цветных телевизоров содержится три электронных пушки, а экран представляет собой мозаичную структуру трех типов люминофоров, каждый из которых светится либо красным, либо зеленым, либо синим цветом.

То есть, направляя электронные пучки определенным образом, можно возбуждать люминофоры в тех или иных точках экрана, заставляя их светится. Конечно, для человеческого глаза изображение возникает мгновенно, поскольку электроны двигаются с огромной скоростью.