books plasma applications

الحزم الجسيمية

تُستخدم أشعة الإلكترون في اللحيم بحيث تصل كثافة الطاقة فيه إلى ⁷10 وات.سم⁻² ويتركز قطره الضيق بين 0.1–1.3 مم وعادة لا يحتاج إلى مواد حشو، ولكنه يحتاج إلى فراغ لتنفيذ تقنية اللحام كي لا يتفاعل شعاع الإلكترون مع الغاز قبل وصوله الهدف، ويمكن استخدامه في ربط مواد موصلة تعتبر غير صالحة للحام.

وتستخدم وسيلة طباعة حجرية بالحزمة الإلكترونية (EBL) في النقش على أشباه الموصلات في انحلال أقل من ميكرون. ولكن تلك الطريقة مقيدة ولا يمكن التوسع بها بسبب الكلفة الباهظة وبطء الأداء، وأيضًا الحاجة إلى فراغ لتشغيل الحزمة، وميل الإلكترونات إلى التبعثر في المواد الصلبة. والمشكلة الأخيرة تحدد الانحلال إلى حوالي 10 نانومتر. لذا فإن تلك الطريقة من الطباعة تستخدم بالأساس في إنتاج كمية قليلة من الدوائر المتكاملة المتخصصة.

وتستخدم عملية تنمية حزمة الإلكترون لتعريض المواد للإشعاع من أجل تغيير خصائصها الفيزيائية وأيضا لتعقيم المنتجات الطبية والمواد الغذائية. وتولد المعجلات الخطية تلك الحزم الإلكترونية عند العلاج الإشعاعي لعلاج الأورام السطحية. ذلك لأن شعاع الإلكترون يخترق الجلد إلى عمق محدود قبل أن يتم امتصاصه، ويصل العمق عادة إلى 5 سم عند طاقة الإلكترون في نطاق 5–20 ‏MeV، والعلاج الإلكتروني مفيد للتعامل مع الآفات الجلدية مثل سرطان الخلية القاعدية. وأيضًا يستخدم شعاع الإلكترون في استكمال علاج الأماكن التي تعرضت للأشعة السينية.

تستخدم معجلات الجسيمات المجال الكهربائي لدفع الإلكترونات وجسيماتها المضادة إلى طاقات عالية. وبما أن تلك الجسيمات تمر عبر حقول المغناطيس، فإنها تقذف أشعة السنكروترون. وتتوقف كثافة الأشعة على اللف، الذي يستقطب حزم الإلكترون، وهي عملية تعرف باسم تأثير سوكولوف-ترنوف. يمكن الاستفادة من الحزم الإلكترونية المستقطبة عند عمل تجارب مختلفة. ويمكن أيضًا استخدام مسرع دوراني تزامني (السنكروترون) في تبريد الحزم الإلكترونية مما يقلل من انتشار زخم الجسيمات. بمجرد أن الجسيمات قد تسارعت للطاقة المطلوبة فإن حزم الإلكترونات والبوزترونات المنفصلة تنجذب نحو الاصطدام. بإمكان متابعة انبعاثات الطاقة الناتجة عن طريق كاشف الجسيمات وهذا يدرس في فيزياء الجسيمات.

التصوير

عملية حيود الكترون منخفض الطاقة هي وسيلة لقصف مواد بلورية بشعاع مسدد من الإلكترونات، ثم مراقبة أنماط الحيود الناتجة لتحديد هيكل المادة. فنطاق طاقة الإلكترونات المطلوبة تكون 20-200 eV‏. أما تقنية انعكاس حيود الكترونات عالية الطاقة (RHEED) فتستخدم انعكاس حزمة الكترونات تقذف على عدة زوايا منخفضة لتمييز سطح المواد البلورية. ويكون نطاق حزمة الطاقة ما بين 8-20 keV وزاوية السقوط هي 1-4°.

وفي المجهر الإلكتروني فإنه يوجه حزمة الكترونات مركزة على عينة ما فتتفاعل الحزمة مع المواد، مما يغير من خصائص تلك الإلكترونات مثل اتجاه الحركة والزاوية والطور النسبي وطاقته، فعند تدوين تغييرات حزمة الإلكترون ينتج صورة مجهرية لمادة محلولة ذريا. للمجاهر البصرية التقليدية انحلال محدود-الحيود للضوء الأزرق بحوالي 200 نانومتر. وعند المقارنة فإن المجاهر الإلكترونية تتحدد بطول دي بروجلي الموجي للإلكترون. فمثلا يساوي هذا الطول الموجي 0.0037 نانومتر للإلكترونات عند تسارعها عبر 100,000 فولت طاقة كهربائية. ومقدرة مجهر تصحيح انحراف إرسال الإلكترون تكون مادون 0.05 نانومتر كثافة نقطية، وهي أكثر من كافي لحل الذرات المنفردة. فتلك الإمكانية تجعل من المجهر الإلكتروني ذا فائدة لمختبر تصوير عالي الدقة، ولكنها تبقى أدوات ذات كلفة عالية وكذلك صيانتها.

هناك نوعان رئيسيان من المجاهر الإلكترونية: مجهر نافذ ومجهر ماسح. فوظيفة النافذ مشابهة نوعا ما لجهاز العرض العلوي، بحيث تمر حزمة الالكترونات عبر شريحة مادة ثم تعرضها عدسات التصوير على شريحة مصورة أو جهاز مزدوج الشحنة. يتم إنتاج الصورة في المجاهر الإلكترونية الماسحة عن طريق تنقيط شعاع الإلكترون ذو تركيز دقيق كما هو في جهاز التلفزيون، وهي عينة شملتها دراسة. ويكون نطاق التكبير من X100 إلى X1,000,000 أو أعلى لكلا نوعي المجاهر. ويستخدم مجهر المسح النفقي نفق كمي من الإلكترونات من طرف معدني حاد لمادة شملتها الدراسة بحيث تنتج من سطحها صورا مصفوفة ذريا.

تطبيقات أخرى

في ليزر الإلكترون الحر (FEL) تمرر الحزمة الإلكترونية النسبوية عبر زوج من أجهزة الإدراج (Undulators) التي تحتوي على صفائف من مغناطيس ثنائي الأقطاب التي توجه حقولها باتجاهات متناوبة. فينبعث من الالكترونات أشعة السنكروترون التي بدورها تتفاعل بتماسك مع ذات الإلكترونات فيؤدي إلى تضخيم قوي في حقل الإشعاع عند تردد الصدى. ويمكن لليزر الإلكترون الحر أن يبعث إشعاع كهرومغناطيسي متماسك عالي التألق وبنطاق ترددات واسع تبدأ من الموجات الدقيقة إلى الأشعة السينية الخفيفة. ويمكن استخدام تلك الأجهزة مستقبلا في الصناعة والاتصالات والتطبيقات الطبية المختلفة، مثل جراحة الأنسجة اللينة

تتميز الإلكترونات بأنها قلب أنابيب الأشعة المهبطية المستخدمة في أجهزة عرض آلات المختبر وشاشات الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون. فكل فوتون في صمام التضخيم الضوئي يضرب المهبط الضوئي ينشأ عنه انهيار للإلكترونات فتنتج تيار نبضي قابل للكشف. وقد لعبت الصمامات المفرغة دورًا حاسمًا في تطوير تكنولوجيا الإلكترونيات، حيث تستخدم دفق الإلكترونات في معالجة الإشارة الكهربائية. ومع هذا فقد حلت آلات الترانزستور الإلكترونية الصلبة محلها في جميع المجالات تقريبًا.