סקופ קרני קתודה | CRO
מהו אוסילוסקופ קרן קתודה
אוסילוסקופ קרן קתודה (CRO) הוא מכשיר שמשתמשים בו בדרך כלל במעבדה להצגת מדידת וניתוח של גליות שונות של מעגלים חשמליים. אוסילוסקופ קרן קתודה הוא מטפס X-Y מהיר מאוד שיכול להציג אות כניסה כתלות בזמן או בתנאי אות אחר.
אוסילוסקופי קרן קתודה משתמשים בנקודות זוהרות שנוצרות על ידי פגיעה באשף אלקטרונים והנקודות הזוהרות מתנועעות בתגובה לשינוי במינון הכניסה. בהקשר זה, השאלה המתעוררת היא מדוע אנו משתמשים רק באשף אלקטרונים? הסיבה לכך היא השפעות הנמוכות של אשף האלקטרונים שיכולים לעקוב אחר שינויים בערכים tứcיתים של מינון משתנה במהירות. הצורות הכלליות של אוסילוסקופי קרן קתודה פועלים על מתחים.
אז המינון שאליו דיברנו למעלה הוא מתח. כיום, בעזרת ממריצים אפשר להמיר מינונים פיזיים שונים כמו זרם, לחץ, תאוצה וכדומה למתח ובכך מאפשר לנו לקבל תצוגות חזותיות של מינונים אלו על אוסילוסקופ קרן קתודה. עכשיו נסתכל על הפרטים הבנויים של אוסילוסקופ קרן קתודה.
בניית אוסילוסקופ קרן קתודה
החלק העיקרי של אוסילוסקופ קרן קתודה הוא צינור קרן קתודה, המכונה גם הלב של אוסילוסקופ קרן קתודה.
נדון בבניית צינור קרן קתודה כדי להבין את בניית אוסילוסקופ קרן קתודה. בעיקרון, צינור קרן קתודה מורכב מחמישה חלקים עיקריים:
תותח אלקטרונים
מערכת לוחות הפניה
מסך פלואורסנטי
מעטפת זכוכית
בסיס
יהיה לך צורך בכל 5 רכיבים אלה לבנות את אוסילוסקופ DIY שלך. נדון כעת בפרטי 5 רכיבים אלה:
תותח אלקטרונים:
זהו מקור של אשף אלקטרונים מאיץ, אנרגטי וממוקד. הוא כולל שש חלקי משנה שהם: מחמם, קתודה, רשת, אנודה מוקדמת, אנודה מפוקדת ואנודה מאיצה. כדי להשיג פליטה גבוהה של אלקטרונים, שכבה של אוקסיד בריום (שמוטל על הקצה של הקתודה) מתחממת באופן עקיף בטמפרטורה מתונה. האלקטרונים עובר דרך חור קטן בשם רשת שליטה עשוי ניקל. כפי שהשם מרמז, הרשת השליטה עם ההטיה השלילית שלה, משליטה במספר האלקטרונים או באופן עקיף ניתן לומר על עוצמת האלקטרונים המשוחררים מהקתודה. לאחר מעבר דרך הרשת השליטה, האלקטרונים מאצים בעזרת האנודה המוקדמת והאנודה המאיצה. האנודה המוקדמת והאנודה המאיצה מחוברות לפוטנציאל חיובי משותף של 1500 וולט.
עכשיו אחרי זה, תפקיד האנודה המפוקדת הוא להתמקד באשף האלקטרונים שנוצר. האנודה המפוקדת מחוברת לפוטנציאל מתקדםJUSTICE ADJUSTABLE OF 500 VOLTS. ישנן שתי שיטות להתמקדות באשף האלקטרונים והן כתובות למטה:
התמקדות אלקטרוסטטית.
התמקדות אלקטרומגנטית.
כאן נדון בשיטת ההתמקדות האלקטרוסטטית בפירוט.
התמקדות אלקטרוסטטית
אנחנו יודעים שהכוח על אלקטרון נתון על ידי – qE, כאשר q הוא המטען על האלקטרון (q = 1.6 × 10-19 C), E הוא עוצמת השדה החשמלי והסימן השלילי מראה שהכיוון של הכוח הוא בכיוון הפוך לזה של השדה החשמלי. עכשיו נשתמש בכוח הזה כדי להפנות את האשף של האלקטרונים שמגיעים לתותח האלקטרונים. ניקח בחשבון שני מקרים:
מקרה ראשון
במקרה זה יש לנו שני לוחות A ו-B כפי שמתואר בתמונה.
הלוח A נמצא בפוטנציאל +E בעוד הלוח B נמצא בפוטנציאל –E. כיוון השדה החשמלי הוא מהלוח A ללוח B בזווית ישרה לשטחי הלוחות. המשטחים בעלי הפוטנציאל השווה גם הם מופיעים בתמונה והוא מאונך לכיוון של השדה החשמלי. כשהאשף של האלקטרון עובר דרך מערכת הלוחות הזו, הוא מתעקם בכיוון הפוך לזה של השדה החשמלי. זווית ההעתקה יכולה להיות מושתתת בקלות על ידי שינוי הפוטנציאל של הלוחות.
מקרה שני
כאן יש לנו שני צינורות קונצנטריים עם הבדל פוטנציאלי מופעל ביניהם כפי שמתואר בתמונה.
הכיוון הסופי של השדה החשמלי והמשטחים בעלי הפוטנציאל השווה גם הם מופיעים בתמונה. המשטחים בעלי הפוטנציאל השווה מסומנים בקווים נקודות שצורתם עקומה. עכשיו כאן אנחנו מעוניינים לחשב את זווית ההעתקה של האשף של האלקטרון כשזה עובר דרך המשטח העקום בעל הפוטנציאל השווה. ניקח בחשבון את המשטח העקום בעל הפוטנציאל השווה S כפי שמתואר למטה. הפוטנציאל על הצד הימני של המשטח הוא +E בעוד הפוטנציאל על הצד השמאלי של המשטח הוא –E. כשהאשף של האלקטרון פוגע בזווית A לנורמל אז הוא מתעקם בזווית B אחרי שעבר דרך המשטח S כפי שמוצג בתמונה הנתונה למטה. התנופה הנורמלית של מהירות האשף תגדל מכיוון שהכוח פועל בנורמל למשטח. זה אומר שהמהירות הטנגנציאלית תישאר אותו הדבר, אז על ידי השוואת התנופות הטנגנציאליות יש לנו V1sin (A) = V2sin(B), כאשר V1 היא המהירות הראשונית של האלקטרונים, V2 היא המהירות אחרי שעבר דרך המשטח. עכשיו יש לנו קשר כ sin(A)/sin(B)=V2 / V1.
נוכל לראות מהמשוואה מעל שיש עקיפה של האשף של האלקטרון אחרי שעבר דרך המשטח בעל הפוטנציאל השווה. לכן מערכת זו גם נקראת מערכת התמקדות.
הפניה אלקטרוסטטית
כדי למצוא את הביטוי עבור ההעתקה, ניקח בחשבון מערכת כפי שמוצגת למטה:
במערכת העליונה יש לנו שני לוחות A ו-B שנמצאים בפוטנציאל +E ו-0 בהתאמה. הלוחות הללו מכונים גם לוחות הפניה. השדה שנוצר על ידי הלוחות הללו הוא בכיוון החיובי של ציר y ואין כוח לאורך ציר x. אחרי לוחות הפניה יש לנו מסך באמצעותו נוכל למדוד את ההעתקה הנטו של אשף האלקטרון. עכשיו ניקח בחשבון אשף של אלקטרון מגיע לאורך ציר x כפי שמוצג בתמונה. האשף מתעקם בזווית A, עקב קיומו של שדה חשמלי וההעתקה היא בכיוון החיובי של ציר y כפי שמוצג בתמונה. עכשיו נגזור ביטוי להעתקה של האשף הזה. על פי שימור האנרגיה, יש איבוד באנרגיה הפוטנציאלית כאשר האלקטרון נע מהקתודה לאנודה המאיצה צריך להיות שווה לרווח באנרגיה הקינטית של האלקטרון. מתמטית אפשר לכתוב,
כאשר, e הוא המטען על האלקטרון,
E הוא ההבדל הפוטנציאלי בין שני הלוחות,
m הוא המסה של האלקטרון,
ו-v היא מהירות האלקטרון.
לכן, eE הוא איבוד באנרגיה הפוטנציאלית ו-1/2mv1/2 הוא הרווח באנרגיה הקינטית.
משוואה (1) יש לנו מהירות v = (2eE/m)1/2.
עכשיו יש לנו עוצמת השדה החשמלי לאורך ציר y היא E/d, לכן הכוח המופעל לאורך ציר y הוא נתון על ידי F = eE/d כאשר d הוא המרחק בין שני לוחות הפניה.
בגלל הכוח הזה האלקטרון יתעקם לאורך ציר y ונניח שההעתקה לאורך ציר y היא שווה ל-D שמסומנת על המסך כפי שמוצג בתמונה. בגלל הכוח F יש תאוצה מעלה של האלקטרון לאורך ציר y החיובי וזה נתון על ידי Ee/(d × m).מכיוון שהמהירות ההתחלתית לאורך ציר y החיובי היא אפס אז על פי משוואת התנועה אפשר לכתוב את ביטוי ההעתקה לאורך ציר y כ,
מכיוון שהמהירות לאורך ציר x היא קבועה אז אפשר לכתוב את ההעתקה כ,
כאשר, u היא מהירות האלקטרון לאורך ציר x.
משוואות 2 ו-3 יש לנו,
שהוא משוואת המסלול של האלקטרון. עכשיו על ידי גזירת משוואה 4 יש לנו שיפוע כלומר.
כאשר, l הוא אורך הלוח.
ההעתקה על המסך ניתנת לחישוב כ,
המרחק L מוצג בתמונה העליונה. הביטוי הסופי של D יכול להיכתב כ,
מהביטוי של ההעתקה, ניתן לחשב את רגישות ההעתקה כ,
גרטיקול: אלו הם רשת של קווים שפונקצייתם היא לשרת כקנה מידה כאשר אוסילוסקופ קרן קתודה משמש למדיד
