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知識大圖解:電子槍

知識大圖解_96
・2015/04/27 ・983字 ・閱讀時間約 2 分鐘

「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
請點擊看大圖。

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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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。
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