Electrical component producing a narrow electron beam
Электронная пушка (также называемая электронным излучателем) — это электрический компонент в некоторых вакуумных приборах, который генерирует узкий, коллимированный электронный луч с точно определенной кинетической энергией. Наиболее широкое применение она находит в электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), использовавшихся в старых телевизорах, компьютерных мониторах и осциллографах до появления плоскопанельных дисплеев. Электронные пушки также применяются в дисплеях на полевом излучении (FED), которые по сути представляют собой плоскопанельные дисплеи, состоящие из рядов чрезвычайно маленьких электронно-лучевых трубок. Они также используются в микроволновых линейных лучевых вакуумных приборах, таких как клыстроны, индуктивные выходные трубки, трубки бегущей волны и гиротроны, а также в научных приборах, таких как электронные микроскопы и ускорители частиц. Электронные пушки могут классифицироваться по типу генерации электрического поля (постоянного или радиочастотного тока), по механизму эмиссии (термоэлектронный, фотоэлектронный, холодная эмиссия, плазменный источник), по способу фокусировки (чисто электростатический или с использованием магнитных полей) или по количеству электродов.
An electron gun (also called electron emitter) is an electrical component in some vacuum tubes that produces a narrow, collimated electron beam that has a precise kinetic energy. The largest use is in cathode ray tubes (CRTs), used in older television sets, computer displays and oscilloscopes, before the advent of flat panel displays. Electron guns are also used in field emission displays (FEDs), which are essentially flat panel displays made out of rows of extremely small cathode ray tubes. They are also used in microwave linear beam vacuum tubes such as klystrons, inductive output tubes, travelling wave tubes, and gyrotrons, as well as in scientific instruments such as electron microscopes and particle accelerators. Electron guns may be classified by the type of electric field generation (DC or RF), by emission mechanism (thermionic, photocathode, cold emission, plasmas source), by focusing (pure electrostatic or with magnetic fields), or by the number of electrodes.
Дизайн
Электростатический термоэлектронный электронный пушка постоянного тока состоит из нескольких частей: горячего катода, который нагревается для создания потока электронов посредством термоэлектронной эмиссии; электродов, генерирующих электрическое поле для фокусировки электронного луча (например, цилиндра Венцеля); и одного или нескольких анодных электродов, которые ускоряют и дополнительно фокусируют луч. Большая разность потенциалов между катодом и анодом ускоряет электроны от катода. Отталкивающее кольцо, расположенное между электродами, фокусирует электроны в небольшое пятно на аноде, что достигается за счет снижения напряженности поля экстракции на поверхности катода. Часто в этом небольшом пятне в аноде имеется отверстие, через которое электроны проходят, формируя коллимированный луч, прежде чем достичь второго анода, называемого коллектором. Такая конструкция аналогична линзе Энцля. Радиочастотная электронная пушка состоит из микроволнового резонатора, одноклеточного или многоклеточного, и катода. Для получения меньшей эмиттанции пучка при заданном токе пучка используется фотокатод. Радиочастотная электронная пушка с фотокатодом называется фотоинжектором. Фотоинжекторы играют ведущую роль в рентгеновских лазерах на свободных электронах и физических установках-ускорителях с малой эмиттанцией пучка.
A direct current, electrostatic thermionic electron gun is formed from several parts: a hot cathode, which is heated to create a stream of electrons via thermionic emission; electrodes generating an electric field to focus the electron beam (such as a Wehnelt cylinder); and one or more anode electrodes which accelerate and further focus the beam. A large voltage difference between the cathode and anode accelerates the electrons away from the cathode. A repulsive ring placed between the electrodes focuses the electrons onto a small spot on the anode, at the expense of a lower extraction field strength on the cathode surface. There is often a hole through the anode at this small spot, through which the electrons pass to form a collimated beam before reaching a second anode, called the collector. This arrangement is similar to an Einzel lens. An RF electron gun consists of a Microwave cavity, either single cell or multi cell, and a cathode. In order to obtain a smaller beam emittance at a given beam current, a photocathode is used. An RF electron gun with a photocathode is called a photoinjector. Photoinjectors play a leading role in X ray Free electron lasers and small beam emittance accelerator physics facilities.
Приложения
Наиболее распространенное применение электронных пушек – катодные лучевые трубки, которые широко использовались в компьютерных и телевизионных мониторах до появления плоскопанельных дисплеев. Большинство цветных катодных лучевых трубок содержат три электронные пушки, каждая из которых формирует отдельный пучок электронов. Каждый пучок проходит через перфорированную маску, где электроны попадают на красный, зеленый или синий люминофор, заставляя соответствующий пиксель на экране светиться. Итоговый цвет, воспринимаемый зрителем, является комбинацией этих трех основных цветов. Электронная пушка также может использоваться для ионизации частиц путем присоединения или отрыва электронов от атома. Эта технология иногда применяется в масс-спектрометрии в процессе, называемом электронной ионизацией, для ионизации испаренных или газообразных частиц. Более мощные электронные пушки используются для сварки, нанесения металлических покрытий, 3D-печати металлами, производства металлического порошка и вакуумных печей. Электронные пушки также применяются в медицине для получения рентгеновского излучения с помощью линейного ускорителя (линака); высокоэнергетический электронный луч направляется на мишень, что вызывает эмиссию рентгеновских лучей. Электронные пушки также используются в усилителях бегущей волны для микроволновых частот.
The most common use of electron guns is in cathode ray tubes, which were widely used in computer and television monitors before the advent of flat screen displays. Most color cathode ray tubes incorporate three electron guns, each one producing a different stream of electrons. Each stream travels through a shadow mask where the electrons will impinge upon either a red, green or blue phosphor to light up a color pixel on the screen. The resultant color that is seen by the viewer will be a combination of these three primary colors. An electron gun can also be used to ionize particles by adding electrons to, or removing electrons from an atom. This technology is sometimes used in mass spectrometry in a process called electron ionization to ionize vaporized or gaseous particles. More powerful electron guns are used for welding, metal coating, 3D metal printers, metal powder production and vacuum furnaces. Electron guns are also used in medical applications to produce X rays using a linac (linear accelerator); a high energy electron beam hits a target, stimulating emission of X rays. Electron guns are also used in travelling wave tube amplifiers for microwave frequencies.
Измерение и обнаружение
Нанокулонометр в сочетании с чашей Фарадея может использоваться для обнаружения и измерения пучков, испускаемых электронными и ионными пушками. Другой способ обнаружения электронных пучков от электронной пушки – использование люминофорного экрана, который светится при попадании на него электронов.
A nanocoulombmeter in combination with a Faraday cup can be used to detect and measure the beams emitted from electron gun and ion guns. Another way to detect electron beams from an electron gun is by using a phosphor screen which will glow when struck by an electron.