books cathode beam valve

ويُعرف اختصاراً (CRT) وهي حروف آوائل الكلمات (Cathode Ray Tube) بالعربية (صمام شعاع المهبط)

يتكون صمام شعاع المهبط أساساً من المدفع الإلكتروني لإنتاج سيل من الإلكترونات وكذلك مصعد كهربائي (أنود) للتسريع والتركيز وذلك لإنتاج شعاع ضيق وشديد التركيز من الإلكترونات. ويتكون من الألواح الأفقية والرأسية للتحكم في مسار الشعاع. وغلاف من الزجاج مفرغ. بالإضافة إلى شاشة فسفورية والتي تعطي نقط مضيئة عندما تضرب بشعاع إلكتروني عالي السرعة.

المدفع الإلكتروني

يتكون المدفع الإلكتروني في راسمة الذبذبات من مهبط يتم تسخينه بطريقة غير مباشرة، وشبكة تحكم تحيط بالمهبط، ومصعد تركيز، ومصعد تسريع. والوظيفة الفريدة لمكونات المدفع الإلكتروني هي إعطاء شعاع لإلكتروني مركز، والذي يتم تسريعه إلى الشاشة الفسفورية.

والمهبط (الكاثود) هو أسطوانة من النيكل مغطاة بغطاء مؤكسد. وينبعث منها العديد من الإلكترونيات عند التسخين. والسطح الباعث من الكاثود يجب أن يكون صغيراً قدر الإمكان، نظرياً نقطة، ومعدل الانبعاصات الإلكترونية (كثافة الشعاع الإلكتروني) تعتمد على تيار الكاثود، والذي يمكن التحكم فيه بشبكة التحكم مثل الصمامات المفرغة التقليدية.

وشبكة التحكم هي أسطوانة معدنية مغطاة في أحد أطرافها مع وجود ثقب صغير في الغطاء. ويكون جهد الشبكة سالب متغير (ve-)، وبالنسبة للمهبط وظيفتها تغيير الانبعاث الإلكتروني بحيث يتألق في نقطة تقابله مع الشاشة ووظيفة الثقب الصغير في الشبكة هو أن تمر الإلكترونات من خلاله ويتم تركيز الشعاع على طول محور الأنبوبة (الصمام)، ويخرج الشعاع من الثقب ويدخل مصعد ما قبل التسريع. والذي يأخذ شكل الأسطوانة المجوفة وجهد ذو مئات من الفولتات. ويكون موجباً(ve+) أكثر من الكاثود لكي يسرع الشعاع الإلكتروني في المجال الكهربائي. وسوف يتبعثر الشعاع الإلكتروني الآن بسبب اختلاف الطاقة ويعطي نقطة مضيئة ضعيفة وعريضة. ويتم تركيز هذا الشعاع على الشاشة بواسطة عدسات الكترواستاتيكية تتكون من اثنين أو أكثر من المصاعد الأسطوانية تسمى مصاعد التركيز. ومصعد التسريع منفصل عن مصعد ما قبل التسريع.

ومصاعد التركيز والتسريع يمكن أن تكون مفتوحة أو مغلقة في كلا الجانبين، وإذا تم تغطيتها فيجب أن يكون بها ثقوب في غطاء المصعد لتمر منها الإلكترونات ووظيفة هذه المصاعد هو التركيز والتوضيح للشعاع على الشاشة وأن تعجل من سرعة الإلكترونات، ويوجد فرق جهد بين هذين الإلكترودين حتى يتولد مجال كهربائي بينهما. وانتشار المجال الكهربائي يكون بسبب التنافر بين الخطزط الكهربائية فإذا رسمنا الخطوط متساوية الجهد، فإننا نجدها تنتفخ في منتصف المصعدين. وتتكون العدسات الالكترواستاتيكية من ثلاثة مصاعد.

وكما نعرف أن الإلكترونات تتحرك في الإتجاه المعاكس لخطوط المجال الكهربائي وأن الأسطح المتساوية الجهد هي عمودية على خطوط المجال الكهربائي. وبالتالي فإن القوة المؤثرة على الإلكترون ستكون في اتجاه عمودي على السطح المتساوي الجهد. فتدخل الإلكترونات عند خط المنتصف للمصعدين لا تعاني من أي قوة، ولكن الإلكترونات البعيدة عن خط المنتصف تعاني قوة عمودية على اتجاه السطح المتساوي الجهد وتنحرف. وكما هو موضح في الشكل فالسطح المتساوي الجهد فيه إلكترون سرعته V₁ وبزاوية يدخل عمودي على السطح المتساوي الجهد ويعاني قوة في اتجاه عمودي على السطح وبالتالي فإن السرعة تزيد إلى V₂. والقوة الواقعة على الإلكترون تكون في اتجاه عمودي على السطح وبالتالي فإن المركبة العمودية لسرعة الإلكترون (V_1N)، أما المركبة المماسة للسرعة (V_1T) تبقى كما هي.

ومن الشكل :

ولكن :

إذن :

أو أن :

ومن المعادلة السابقة من لواضح أن السطح المتساوي الجهد يعمل كعدسة مقعرة في البصريات. ولذلك يسمى نظام التوضيح والتركيز بالعدسات الكهرواستاتيكية.

وبسبب وضع المصعد المتوسط عند جهد منخفض، يمر الشعاع الإلكتروني القادم من الكاثود خلال العدسة المقعرة الكهرواستاتيكية الأولى ويميل إلى أن يصبح محاذياً لمحور CRT، وعندما يدخل إلى العدسة الكهرواستاتيكية الثانية تُشكل بين المصعدين المختلفي الجهود فإنها توضح وتركز على الشاشة الفسفورية. والبعد البؤري للعدسات الكهرواستاتيكية يمكن ضبطه وذلك بضبط جهد الأنود المتوسط بالنسبة للأنودين الآخرين وبالتالي يتم التوضيح والتركيز للشعاع الإلكتروني على الشاشة تماماً.

تجميع لوحة الانحراف

عندما يغادر الشعاع الإلكتروني المدفع الإلكتروني فإنه يمر خلال زوجين من ألواح الانحراف، ويُثبت أحد زوجي الألواح رأسياً ويحرف الشعاع أُفقياً، أي في اتجاه المحور السيني، ولذلك تسمى الألواح الأفقية أو ألواح المحور السيني (ألواح المحور X).

والزوجين الآخرين يثبتا أُفقياً ويحرف الشعاع الإلكتروني في الاتجاه الرأسي، أي في اتجاه المحور الصادي، وتسمى ألواح المحور الصادي (ألواح المحور Y). وهذه الألواح تحرف طبقاً لقيمة الجهد المسلط عليها. مثال ذلك إذا سُلط فرق جهد على مجموعة ألواح المحور الصادي فإن الشعاع سوف ينحرف إلى أعلى إذا كان اللوح العلوي (ve+)، وينحرف الشعاع إلى أسفل إذا كان اللوح السفلي (ve+). وكذلك بالنسبة لألواح المحور السيني عند تسليط فرق جهد عليها فإن الشعاع سوف ينحرف شمالاً أو يميناً طبقاً لما هو اللوح الموجب شمالاً أو يميناً

وعندما يسلط جهد جيبي متغير على ألواح المحور الصادي فإن الشعاع سوف يتحرك إلى أعلى أو أسفل طبقاً لتغير جهد الألواح. فإذا كان تردد التغير أكثر من 16 هيرتز (Hz) فإن الانحراف سوف يبقى خط رأسي عند منتصف الشاشة. وفي حالة تسليط الجهد الجيبي على ألواح المحور السيني، وكان تردد التغير أكثر من 16 هيرتز. فإن الانحراف سوف يكون خطاً أُفقياً وإذا سلط هذه الجهود على الألواح في نفس الوقت فإن الانحراف سوف يتناسب مع الجهد المسلط على زوجي الألواح.

انحراف الإلكترونات المتحركة في صمام راسمة الذبذبات

نحن نعرف القوة التي قابلها الإلكترون عندما وضع في مجال كهربائي منتظم وهذا هو الأساس في انحراف الشعاع الإلكتروني بسبب ألواح الانحراف.

نفرض أن إلكترون سرعته الابتدائية u مترث. على المحور السيني عند النقطة 0 في الفرغ بين اللوحين B، A الذي طول كل منهما l متر والمسافة بينهما d متر. ونفرض أن فرق الجهد بينهما V فولت، وللتبسيط نفرض أن المجال الكهربائي منتظم ولا يمتد خارج أطراف الألواح.

سرعة الإلكترون على المحور لا تتغير وهي تساوي u حيث لا توجد قوة محورية. وبالتالي ليس هناك تسريع للإلكترون.

والفترة الزمنية التي يستغرقها الإلكترون بين اللوحين هي :

وليس هناك سرعة ابتدائية على المحور الصادي، لكن هناك تسريع على المحور الصادي يعطى كالآتي :

m/sec²

وسرعة الإلكترون على المحور الصادي بعد زمن قدرة t ثانية يُعطى كالآتي

وبعد مغادرة الإلكترون لألواح الانحراف. فإنه يسير في خط مستقيم حيث لا يؤثر عليها مجال. وإذا مدّ هذا الخط إلى الخلف فإنه سوف يقطع المحور السيني عند منتصف الألواح أي عند تقريباً. ونفرض أن S المسافة على المحور السيني من هذه النقطة وحتى الشاشة. إذاً فإن الانحراف Y يمكن تحديده بتماثل المثلثات.

أو

نرمز لهذه المعادلة بالرمز (1)

وإذا فرضنا أن V_a هي جهد التسريع، V_d هي جهد الانحراف. إذن.

أو

بالتعويض عن قيمة u² في المعادلة (1) نحصل على

من المعادلة السابقة نستنتج أن بالنسبة لجهد التعجيل الثابت V_a وأبعاد CRT فإن انحراف الشعاع على الشاشة يتناسب مباشرةً مع جهد الانحراف V_d. لذلك فإن CRT يمكن استخدامها كجهاز بيان للجهد الخطي. والصورة على شاشة الـ CRT تتبع التغير في جهد الانحراف V_d وبطريقة خطية.

حساسية الانحراف لصمام شعاع المهبط

تُعرف بأنها الانحراف الرأسي للشعاع على الشاشة لكل وحدة جهد انحراف. وتُعطى بالمعادلة.

m/V

ومعامل الانحراف هو مقلوب حساسية الانحراف ويُعطى بالمعادلة.

m/V

وطول الأثر الذي نحصل عليه على الشاشة يساوي

ومن المعادلات السابقة لحساسية الانحراف ومعامل الانحراف، يمكن أن نقول أن نعانل الانحراف للـ CRT يتغير خطياً مع جهد التعجيل. وعندما يزيد تعجيل الشعاع الإلكتروني عن الحد الطبيعي فإنه يكتسب طاقة حركة ويعطي صورة أكثر بريقاً على الشاشة، ولكنه يحتاج إلى جهد انحراف عالي حتى يمكن حرف الشعاع.

وقيم حساسية الانحراف التقليدية تتراوح بين mm/volt 0.1 وحتى 1 mm/volt.

الشاشة الفسفورية

بعض المواد البلورية، مثل الفسفور لها خاصية بعث الضوء عند تعرضها إلى شعاع. وتسمى هذه الخاصية الفلورنسية للمواد. وهذه المواد الفلورنسية، تستمر في بعث الضوء حتى بعد توقف تعرضها للإشعاع، وتسمى الخاصية الفسفورية للمواد. والفترة الزمنية التي يحدث خلالها الانبعاث الفسفوري تسمى الثبات الفسفوري.

والحائط النهائي للـ CRT يسمى الشاشة وهي تغطى بالفسفور، وعندما يضرب الشعاع الإلكتروني الشاشة فإن بقعة مضيئة تظهر على الشاشة. والفسفور يمتص طاقة الحركة للإلكترونات التي تضربها وتبعث طاقة ذات تردد منخفض في الطيف المرئي.

ومن بين المواد الفلورنسية المستخدمة أورثوسيلكات الزنك، ويعطي أثر أخضر اللون وهو مناسب للملاحظات المرئية. وتنجستات الكالسيوم، يعطي اللون الأزرق. والإشعاعات فوق البنفسجية تناسب التصوير. وسلفات الزنك مع مواد أُخرى، تعطي ضوء أبيض مناسب للتلفاز. وكذلك فوسفات الزنك يعطي أثر بعد التوهج وهو مفيد عند دراسة الظواهر اللحظية حيث يثبت الأثر لفترة ما بعد اختفاء الظاهرة.

يمكن التحكم بشدة إضاءة النقطة المضيئة على الشاشة بواسطة مفتاح الشدة، ويمكن التحكم بحجمها بواسطة مفتاح الإحكام.

وتوضع على الشاشة علامات أفقية وأخرى رأسية لتعطي المستخدم قياسات صحيحة وتأخذ هذه العلامات شكل المستطيل

القاعدة والجسم الزجاجي

وكل التجميع للمكونات يتم حمايتها في بيت زجاجي مفرغ تماماً وله الشكل لمخروطي بواسطة دعامات مناسبة. والجدران الداخلية للـ CRT بين الرقبة والشاشة تُغَطى بمادة موصلة تعرف بالأكيوداج وهذه الطبقة توصل كهربائياًَ إلى الأنود المعجل. وتزود هذه الطبقة لكي تسرع الشعاع الإلكتروني بعد مروره بين ألواح الانحراف ولكي تجمع الالكترونات الناتجة عن الانبعاث الثانوي الذي يخرج عندما يضرب الشعاع الإلكتروني الشاشة. وبذلك تمنع هذه الطبقة ظاهرة تجميع الشحنة السالبة (ve-) على الشاشة. ونصMل إلى حالة الاتزان على هذه الشاشة.