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」。

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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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