جهاز عرض الأشعة الكاثودية | CRO

ما هو أوسيلوسكوب شعاع الكاثود؟

يعد أوسيلوسكوب شعاع الكاثود (CRO) جهازًا يستخدم عادة في المختبر لعرض وقياس وتحليل أنماط موجية مختلفة للدوائر الكهربائية. يعتبر أوسيلوسكوب شعاع الكاثود راسمًا سريعًا جدًا من نوع X-Y يمكنه عرض إشارة الإدخال بالنسبة للوقت أو لإشارة أخرى.

يستخدم أوسيلوسكوبات شعاع الكاثود بقع ضوئية تنتج عن ضرب شعاع الإلكترونات، وتتحرك هذه البقعة الضوئية استجابة للتغيرات في الكمية الإدخالية. ربما ينشأ سؤال في ذهننا الآن لماذا نستخدم فقط شعاع الإلكترونات؟ السبب وراء ذلك هو التأثيرات المنخفضة لشعاع الإلكترونات التي يمكن استخدامها لمتابعة التغيرات في القيم اللحظية لكميات الإدخال المتغيرة بسرعة. تعمل الأشكال العامة لأوسيلوسكوبات شعاع الكاثود على الجهد الكهربائي.

لذا فإن الكمية الإدخالية التي تحدثنا عنها هي الجهد الكهربائي. اليوم، وبفضل المحولات، أصبح من الممكن تحويل كميات فيزيائية مختلفة مثل التيار الكهربائي والضغط والتسارع إلى جهد كهربائي، مما يمكّننا من الحصول على تمثيلات مرئية لهذه الكميات المختلفة على أوسيلوسكوب شعاع الكاثود. دعونا الآن ننظر في التفاصيل الهيكلية لأوسيلوسكوب شعاع الكاثود.

بناء أوسيلوسكوب شعاع الكاثود

الجزء الرئيسي من أوسيلوسكوب شعاع الكاثود هو أنبوب شعاع الكاثود المعروف أيضًا بأنه قلب أوسيلوسكوب شعاع الكاثود.

دعونا نناقش بناء أنبوب شعاع الكاثود لتوضيح بناء أوسيلوسكوب شعاع الكاثود. بشكل أساسي، يتكون أنبوب شعاع الكاثود من خمسة أجزاء رئيسية:

1. مدفع الإلكترون

2. نظام صفائح الانحراف

3. شاشة الفلورسنت

4. غلاف الزجاج

5. القاعدة

ستحتاج إلى جميع هذه المكونات الخمسة لبناء أوسيلوسكوب DIY الخاص بك. سنناقش الآن هذه المكونات الخمسة بالتفصيل:

مدفع الإلكترون:
هو مصدر شعاع الإلكترونات المسرع والموجه. يتكون من ستة أجزاء وهي: المُسخِّن، الكاثود، الشبكة، الأنود المُسبق للتسريع، الأنود المُركز، والأنود المُسرع. لكي يتم الحصول على انبعاث عالي للإلكترونات، يتم تسخين طبقة أكسيد الباريوم (المُترسبة على نهاية الكاثود) بشكل غير مباشر عند درجة حرارة معتدلة. بعد ذلك، تمر الإلكترونات عبر فتحة صغيرة تسمى الشبكة المُتحكم بها والتي تتكون من النيكل. كما يشير الاسم، تقوم الشبكة المُتحكم بها بتقديم التحيز السلبي، بمراقبة عدد الإلكترونات أو بشكل غير مباشر يمكننا القول بأنها تتحكم في شدة الإلكترونات المنبعثة من الكاثود. بعد المرور عبر الشبكة المُتحكم بها، يتم تسريع هذه الإلكترونات بمساعدة الأنود المُسبق للتسريع والأنود المُسرع. يتم توصيل الأنود المُسبق للتسريع والأنود المُسرع بجهد موجب مشترك قدره 1500 فولت.

بعد ذلك، يكون دور الأنود المُركز هو التركيز على شعاع الإلكترونات الناتج. يتم توصيل الأنود المُركز بجهد قابل للتعديل قدره 500 فولت. هناك طريقتان لتركيز شعاع الإلكترون وهما كالتالي:

1. التركيز الكهروستاتيكي.

2. التركيز الكهرومغناطيسي.

سنناقش هنا طريقة التركيز الكهروستاتيكي بالتفصيل.

التركيز الكهروستاتيكي
نعلم أن القوة على الإلكترون تعطى بواسطة -qE، حيث q هو الشحنة على الإلكترون (q = 1.6 × 10-19 C)، E هي شدة المجال الكهربائي والسالب يشير إلى أن اتجاه القوة يكون معاكسًا لاتجاه المجال الكهربائي. سنستخدم هذه القوة لتوجيه شعاع الإلكترونات القادم من مدفع الإلكترون. دعنا نعتبر حالتين:

الحالة الأولى
في هذه الحالة لدينا صفحتان A وB كما هو موضح في الشكل.

الصفحة A تكون عند جهد +E بينما الصفحة B تكون عند جهد –E. يكون اتجاه المجال الكهربائي من الصفحة A إلى الصفحة B عموديًا على سطوح الصفائح. يتم عرض السطوح ذات الجهد الثابت في الشكل وهي عمودية على اتجاه المجال الكهربائي. عندما يمر شعاع الإلكترون عبر هذا النظام من الصفائح، فإنه ينحرف في الاتجاه المعاكس للمجال الكهربائي. يمكن تغيير زاوية الانحراف بسهولة عن طريق تغيير جهد الصفائح.

الحالة الثانية
هنا لدينا اسطوانتان مركزيتان مع فرق جهد بينهما كما هو موضح في الشكل.

يتم عرض الاتجاه الناتج للمجال الكهربائي والسطوح ذات الجهد الثابت أيضًا في الشكل. يتم عرض السطوح ذات الجهد الثابت بواسطة الخطوط المنقطة والتي تكون منحنية الشكل. هنا نحن مهتمون بحساب زاوية انحراف شعاع الإلكترون عندما يمر عبر هذه السطوح ذات الجهد الثابت المنحنية. دعنا نعتبر السطح ذو الجهد الثابت S كما هو موضح أدناه. الجهد على الجانب الأيمن من السطح هو +E بينما الجهد على الجانب الأيسر من السطح هو –E. عندما يسقط شعاع الإلكترون بزاوية A بالنسبة للعمودي، فإنه ينحرف بزاوية B بعد المرور عبر السطح S كما هو موضح في الشكل أدناه. سيزداد المكون العادي لسرعة الشعاع لأن القوة تعمل في اتجاه طبيعي للسطح. وهذا يعني أن السرعات المماسية ستبقى كما هي، لذلك بمعادلة المكونات المماسية لدينا V1sin (A) = V2sin(B)، حيث V1 هي السرعة الأولية للإلكترونات، V2 هي السرعة بعد المرور عبر السطح. الآن لدينا العلاقة sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
يمكننا من خلال المعادلة أعلاه رؤية وجود انحناء في شعاع الإلكترون بعد المرور عبر السطح ذو الجهد الثابت. لذلك يُطلق على هذا النظام أيضًا اسم نظام التركيز.

الانحراف الكهروستاتيكي
من أجل إيجاد التعبير عن الانحراف، دعنا نعتبر نظامًا كما هو موضح أدناه:


في النظام أعلاه لدينا صفحتان A وB اللتان تكونان عند جهد +E و0 على التوالي. تسمى هذه الصفائح أيضًا صفحات الانحراف. يكون المجال الذي تنتجه هذه الصفائح في اتجاه محور y الموجب ولا يوجد قوة على محور x. بعد صفحات الانحراف، يكون لدينا شاشة يمكننا من خلالها قياس الانحراف الصافي لشعاع الإلكترون. دعنا نعتبر شعاعًا من الإلكترونات قادمًا على طول محور x كما هو موضح في الشكل. ينحرف الشعاع بزاوية A بسبب وجود المجال الكهربائي والانحراف يكون في اتجاه محور y الموجب كما هو موضح في الشكل. دعنا الآن نشتق تعبيرًا للانحراف لهذا الشعاع. بحفظ الطاقة، نجد أن فقدان الطاقة الكامنة عند انتقال الإلكترون من الكاثود إلى الأنود المُسرع يجب أن يكون مساويًا للطاقة الحركية المكتسبة للإلكترون. رياضيًا يمكننا كتابة،

حيث e هو الشحنة على الإلكترون،
E هو الفرق الكهربائي بين الصفحتين،
m هو كتلة الإلكترون،
v هي سرعة الإلكترون.
وبذلك، eE هو فقدان الطاقة الكامنة و1/2mv1/2 هو الطاقة الحركية المكتسبة.
من المعادلة (1) لدينا السرعة v = (2eE/m)1/2.
الآن لدينا شدة المجال الكهربائي على طول محور y هي E/d، وبالتالي القوة المؤثرة على طول محور y تعطى بواسطة F = eE/d حيث d هي المسافة بين صفحتي الانحراف.
بسبب هذه القوة، سيحدث انحراف للألكترون على طول محور y ولتكن قيمة الانحراف على محور y هي D والتي تظهر على الشاشة كما هو موضح في الشكل. بسبب القوة F، سيكون هناك تسارع صافي للألكترون على محور y الموجب وهذا التسارع يعطى بواسطة Ee/(d × m). بما أن السرعة الأولية على محور y الموجب هي صفر، فإننا باستخدام معادلات الحركة يمكننا كتابة التعبير عن الإزاحة على محور y كما يلي،

بما أن السرعة على طول محور x ثابتة، فيمكننا كتابة الإزاحة كـ،

حيث u هي سرعة الإلكترون على طول محور x.
من المعادلات 2 و 3 لدينا،

والتي هي معادلة مسار الإلكترون. الآن عن طريق التفاضل للمعادلة 4 نحصل على الميل أي

حيث l هي طول الصفحة.
يمكن حساب الانحراف على الشاشة كـ،

المسافة L موضحة في الشكل أعلاه. يمكن كتابة التعبير النهائي لـ D كـ،

من التعبير عن الانحراف، يمكننا حساب حساسية الانحراف كـ،

الشبكة: هي شبكة من الخطوط التي وظيفتها أن تكون كمقياس عند استخدام أوسيلوسكوب شعاع الكاثود للقياسات العددية. هناك ثلاثة أنواع من الشبكات وهي كالتالي:

1. الشبكة الداخلية:
   الشبكة الداخلية كما يشير الاسم مُترسبة على السطح الداخلي لوحة وجه أنبوب شعاع الكاثود. لا يوجد مشكلة في أخطاء التقريب ولكن لا يمكن تغيير الشبكات الداخلية لأنها ثابتة.

2. الشبكة الخارجية:

المخطط التالي هو مخطط دائرة أوسيلوسكوب شعاع الكاثود:

مكافأة