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知識大圖解:電子槍

「電子槍」可不是什麼火力強大的武器,而是日常電器中的重要元件。

電子槍是一種多用途的電子元件,在許多設備中扮演關鍵的角色,應用範圍涵括3D印表機、焊槍、英國鑽石光源中心(Diamond Light Source)的大型同步加速器,以及美國金博爾物理研究所(Kimball Physics)的電力系統。

電子槍的運作原理可用最基本的動能和電流來解釋。將電子槍安裝在電氣裝置的真空管中,它會將電子和離子從金屬源(陰極)釋放出來,轉變成可供利用的能量波束,這個過程稱為「熱離子發射」。

Electron guns

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電子槍中有一根小燈絲會加熱陰極,使其釋放出電子流。電子迅即加速,並被拉往鄰近帶正電的陽極。陽極上開有小孔,電子穿過之後,會形成一道集中的電子束,繼續在裝置內前行。1897年,湯木森(J. J. Thomson)在進行陰極射線的實驗後研究其用途,並利用這個概念發現了電子的存在。

電子槍大致可分成兩大類型:熱離子發射與場發射。前者比較常見,可在高溫下運作。場發射(field emission)產生的熱量較少,但是亮度較高、電場較強。此外,「泛射式電子槍」則可將電子束散射至較為寬廣的區域。

 電子槍如何將能量轉變成實用產品?

關鍵在於釋放出原本固定在導體中的電子,但真正困難的是控制逃脫出來的電子。我們會將金屬加熱,使得電子離開陰極,然後用高電場來分離這些電子。 

電視和鑽石同步加速器看似截然不同,電子槍在兩者中如何運作?

電子槍的用途非常廣泛,但其背後的物理概念倒是不難。基本上就是提供電子能量,讓電子脫離束縛態。在鑽石中心,我們的電子槍上裝有一組電極,可以重整電子束,並將其送進線性加速器。舊型陰極射線管電視機則裝有能夠產生上萬伏特的零件,來加速電子束,使其直接打在螢幕上成像。所以,電視和鑽石同步加速器主要差別在於激發出電子後,對電子所做的處理。

要是沒有發明電子槍,整個產業界會變得如何?

可能一直到最近都還不會發明電視機,但是這關係其實也不算太大,因為廣播和電視節目的發射機也都需要用到裝有電子槍的放大器;若沒有電子槍,根本不會有電視節目可看。而且不只是電視節目訊號,老式的電動閥也是基於電子束而研發出來的,如果現代世界少了電子槍,整個電子產業的發展等於少了一個關鍵步驟。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第07期(2015年4月號)

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