وسیله نمایش اشعه کاتدی | CRO

چه چیزی است کاتد رای اسکیلوسکوپ؟

کاتد رای اسکیلوسکوپ (CRO) یک دستگاه است که معمولاً در آزمایشگاه برای نمایش، اندازه‌گیری و تحلیل انواع مختلف موج‌های مدارهای الکتریکی استفاده می‌شود. کاتد رای اسکیلوسکوپ یک رسم‌کننده X-Y بسیار سریع است که می‌تواند سیگنال ورودی را نسبت به زمان یا سیگنال دیگری نمایش دهد.

کاتد رای اسکیلوسکوپ‌ها از نقاط روشن استفاده می‌کنند که با ضربه‌ی پرتو الکترونی تولید می‌شوند و این نقطه روشن در پاسخ به تغییرات در مقدار ورودی حرکت می‌کند. در این لحظه یک سوال در ذهن ما برمی‌آید که چرا فقط از پرتو الکترونی استفاده می‌کنیم؟ دلیل این موضوع اثرات کم پرتو الکترونی است که می‌تواند برای دنبال کردن تغییرات مقادیر لحظه‌ای کمیت‌های تغییر سریع ورودی استفاده شود. فرم‌های عمومی کاتد رای اسکیلوسکوپ‌ها بر اساس ولتاژ عمل می‌کنند.

بنابراین کمیت ورودی که در بالا بحث کردیم ولتاژ است. امروزه با کمک انتقال‌دهنده‌ها ممکن است کمیت‌های فیزیکی مختلف مانند جریان، فشار، شتاب و غیره به ولتاژ تبدیل شوند و بنابراین به ما اجازه می‌دهد تا نمایش‌های تصویری از این کمیت‌های مختلف را در کاتد رای اسکیلوسکوپ داشته باشیم. حال بیایید به جزئیات ساختاری کاتد رای اسکیلوسکوپ نگاهی بیندازیم.

ساختار کاتد رای اسکیلوسکوپ

بخش اصلی کاتد رای اسکیلوسکوپ لوله کاتد رای است که به عنوان قلب کاتد رای اسکیلوسکوپ نیز شناخته می‌شود.

بیایید ساختار لوله کاتد رای را برای درک ساختار کاتد رای اسکیلوسکوپ بحث کنیم. اساساً لوله کاتد رای شامل پنج بخش اصلی است:

1. تفنگ الکترونی

2. سیستم صفحات تحریک‌کننده

3. صفحه نمایش فلورسانس

4. پوشش شیشه‌ای

5. پایه

شما نیاز به همه ۵ مولفه این برای ساخت اسکیلوسکوپ DIY خود دارید. حالا این ۵ مولفه را به طور دقیق بحث خواهیم کرد:

تفنگ الکترونی:
این منبع پرتو الکترونی شتاب‌یافته، انرژی‌دار و متمرکز است. این تفنگ شامل شش بخش است: گرمکن، کاتد، شبکه، آند پیش‌شتاب‌دهنده، آند تمرکز‌دهنده و آند شتاب‌دهنده. برای بدست آوردن انتشار بالایی الکترون‌ها، لایه اکسید باریوم (که در انتهای کاتد اعمال شده است) به طور غیرمستقیم در دمای متوسط گرم می‌شود. الکترون‌ها پس از این از طریق یک سوراخ کوچک به نام شبکه کنترل عبور می‌کنند که از نیکل ساخته شده است. همانطور که از نام آن پیداست، شبکه کنترل با وایرش کم‌بار، تعداد الکترون‌ها یا به عبارت دیگر شدت الکترون‌های منتشر شده از کاتد را کنترل می‌کند. پس از عبور از شبکه کنترل، این الکترون‌ها با کمک آند پیش‌شتاب‌دهنده و آند شتاب‌دهنده شتاب می‌یابند. آند پیش‌شتاب‌دهنده و آند شتاب‌دهنده به یک پتانسیل مثبت مشترک ۱۵۰۰ ولت متصل می‌شوند.

حالا بعد از این، وظیفه آند تمرکز‌دهنده تمرکز پرتو الکترونی تولید شده است. آند تمرکز‌دهنده به ولتاژ قابل تنظیم ۵۰۰ ولت متصل می‌شود. حالا دو روش برای تمرکز پرتو الکترون وجود دارد که در زیر آمده است:

1. تمرکز الکترواستاتیک.

2. تمرکز الکترومغناطیسی.

در اینجا ما روش تمرکز الکترواستاتیک را به طور دقیق بحث خواهیم کرد.

تمرکز الکترواستاتیک
ما می‌دانیم که نیروی وارد بر یک الکترون با -qE داده می‌شود، که q بار الکترون (q = ۱.۶ × ۱۰-19 C)، E شدت میدان الکتریکی است و علامت منفی نشان می‌دهد که جهت نیرو در جهت مخالف میدان الکتریکی است. حالا ما این نیرو را برای تحریک پرتو الکترونی که از تفنگ الکترونی خارج می‌شود استفاده می‌کنیم. بیایید دو حالت را در نظر بگیریم:

حالت اول
در این حالت ما دو صفحه A و B داریم همانطور که در شکل نشان داده شده است.

صفحه A در پتانسیل +E و صفحه B در پتانسیل –E قرار دارد. جهت میدان الکتریکی از صفحه A به صفحه B و عمود بر سطوح صفحات است. سطوح تساوی پتانسیل نیز در شکل نشان داده شده است که عمود بر جهت میدان الکتریکی هستند. وقتی پرتو الکترون از این سیستم صفحات عبور می‌کند، در جهت مخالف میدان الکتریکی تحریک می‌شود. زاویه تحریک می‌تواند با تغییر پتانسیل صفحات به راحتی تغییر کند.

حالت دوم
در اینجا ما دو استوانه همنام با یک تفاوت پتانسیل بین آنها داریم همانطور که در شکل نشان داده شده است.

جهت نتیجه‌ی میدان الکتریکی و سطوح تساوی پتانسیل نیز در شکل نشان داده شده است. سطوح تساوی پتانسیل با خطوط نقطه‌چین که به شکل منحنی هستند نشان داده شده‌اند. حالا ما علاقه‌مند به محاسبه زاویه تحریک پرتو الکترون هنگام عبور از این سطوح تساوی پتانسیل منحنی هستیم. بیایید سطح تساوی پتانسیل S را در نظر بگیریم. پتانسیل در سمت راست سطح +E و پتانسیل در سمت چپ سطح –E است. وقتی یک پرتو الکترون با زاویه A به عمود بر سطح برخورد می‌کند، پس از عبور از سطح S با زاویه B تحریک می‌شود همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. مؤلفه عمودی سرعت پرتو به دلیل نیروی وارد شده در جهت عمود بر سطح افزایش می‌یابد. این بدان معناست که سرعت‌های مماسی ثابت می‌مانند، بنابراین با برابر کردن مؤلفه‌های مماسی داریم V1sin (A) = V2sin(B)، که V1 سرعت اولیه الکترون‌ها و V2 سرعت پس از عبور از سطح است. حالا ما رابطه sin(A)/sin(B)=V2 / V1 را داریم.
از معادله بالا می‌توانیم ببینیم که پس از عبور از سطح تساوی پتانسیل، پرتو الکترون خم می‌شود. بنابراین این سیستم نیز به عنوان سیستم تمرکز شناخته می‌شود.

تحریک الکترواستاتیک
برای یافتن عبارتی برای تحریک، بیایید یک سیستم را در نظر بگیریم:


در سیستم فوق دو صفحه A و B وجود دارد که به ترتیب در پتانسیل +E و 0 قرار دارند. این صفحات نیز به عنوان صفحات تحریک شناخته می‌شوند. میدان تولید شده توسط این صفحات در جهت محور y مثبت است و هیچ نیرویی در جهت محور x وجود ندارد. پس از صفحات تحریک، صفحه نمایشی داریم که می‌توانیم تحریک خالص پرتو الکترونی را اندازه‌گیری کنیم. حالا بیایید یک پرتو الکترونی را در نظر بگیریم که در جهت محور x می‌آید همانطور که در شکل نشان داده شده است. پرتو با زاویه A به دلیل وجود میدان الکتریکی تحریک می‌شود و تحریک در جهت مثبت محور y است همانطور که در شکل نشان داده شده است. حالا بیایید عبارتی برای تحریک این پرتو بدست آوریم. با استفاده از قانون بقای انرژی، می‌توانیم از دست دادن انرژی پتانسیل وقتی که الکترون از کاتد به آند شتاب‌دهنده حرکت می‌کند برابر با افزایش انرژی جنبشی الکترون باشد. به صورت ریاضی می‌توانیم بنویسیم،

که e بار الکترون،
E تفاوت پتانسیل بین دو صفحه،
m جرم الکترون،
و v سرعت الکترون است.
بنابراین، eE از دست دادن انرژی پتانسیل و ۱/۲mv1/2 افزایش انرژی جنبشی است.
از معادله (۱) سرعت v = (۲eE/m)1/2 است.
حالا ما میدان الکتریکی با شدت E/d در جهت محور y داریم، بنابراین نیروی وارد شده در جهت محور y توسط F = eE/d داده می‌شود که d فاصله بین دو صفحه تحریک است.
به دلیل این نیرو الکترون در جهت محور y تحریک می‌یابد و فرض کنید تحریک در جهت y برابر با D است که در صفحه نمایش مشخص شده است. به دلیل نیروی F، شتاب صعودی خالص الکترون در جهت مثبت y وجود دارد