تفنگ الکترونی فیلامان تنگستنی

تعداد بازدید: 1932
چهارشنبه 03 دي 1393

تفنگ الکترونی فیلامان تنگستنی

در تفنگ های فیلامان تنگستنی (Tungsten Hairpin Electron Gun)، کاتد تولید کننده الکترون یک سیم تنگستنی است که به صورت سنجاق سر خم شده و سر V شکلی دارد و شعاع نوک آن حدود 100 میکرومتر است. در این تفنگ ها فیلامان با عبور جریان، گرم شده و پرتوی الکترونی تولید می کند. دمای کاری تنگستن، در هنگام انتشار الکترون، حدود 2700 درجه کلوین است. در این شرایط با استفاده از قانون ریچاردسون-داچمن، چگالی جریان پرتو منتشر شده 1.75 آمپر بر سانتی متر مربع است. عمر یک فیلامان تنگستن در شرایطی که به آن شوک حرارتی وارد نشود، وابسته به نرخ تبخیر رشته تنگستن است. اگر با صرف نظر از کاهش عمر فیلامان، دمای کاری آن به 2900 درجه کلوین افزایش یابد، اکثر الکترون ها انرژی معادل 0.25 الکترون ولت خواهند داشت. البته محدوده تغییرات انرژی آن ها در بازه صفر تا 2 الکترون ولت قرار می گیرد.

 الکترون های به دست آمده از فیلامان (کاتد)، با استفاده از اختلاف پتانسیلی معادل 1000 تا 50000 ولت، به سمت آند شتاب داده می شوند. قسمت در برگیرنده یا همان نگهدارنده فیلامان به صورت یک کلاهک شبکه ای یا به صورت استوانه فلزی است که به آن اصطلاحا وهلنت (Wehnelt) می گویند. این نگهدارنده، دارای یک روزنه مرکزی است که دقیقا مقابل نوک فیلمان قرار می گیرد. وهلنت نسبت به کاتد (فیلامان) در یک ولتاز منفی نگهداشته می شود، تا الکترون های ایجاد شده در فیلمان را به خارج از محفظه نگهدارنده، دفع کند. ولتاژ منفی مذکور به صورت بایاس (متغییر بر حسب شرایط) و در مقادیر صفر تا 500 ولت اعمال می گردد. شرایط الکتریکی فیلامان، وهلنت و آند باعث ایجاد یک میدان الکترواستاتیکی می شود. نتیجه این شرایط همگرا شدن پرتو الکترونی و ایجاد یک نقطه همگرایی برای پرتوی الکترونی است.

قطر نقطه همگرایی ( که به صورت یک دایره کوچک تقریبی است) با d0 نشان داده می شود. الکترون ها پس از همگرایی در نقطه همگرایی، با زاویه α0 واگرا می شوند.

کاتد فیلامان تنگستنی     وهلنت و فیلامان
 

چگالی جریان فیلامان

چگالی جریان کاتد (فیلامان) که با Jc نشان داده می شود از رابطه زیر بدست می آید:

در این رابطه Jc بر حسب آمپر بر سانتی متر مربع، Ac مقدار ثابتی به اندازه 120 A/cm2K2 که برای تمام گسیلنده های گرمایونی یکسان است، T دمای گسیل بر حسب کلوین، k ثابت بولتزمان (8.6×10-5 eV/K) و Ew تابع کار رشته بر حسب الکترون ولت است. دما و تابع کار، بیشترین اثر را بر گسیل گرمایونی دارند و تاثیر Ac ناچیز است. از آن جا که دمای رشته برای پرهیز از تبخیر آن باید کمترین مقدار ممکن باشد، بنابراین لازم است که تابع کار کوچکی داشته باشد. تنگستن یکی از موادی است که تابع کار کوچک و چگالی جریان زیاد در دماهای بسیار کمتر از دمای ذوب خود دارد. اگر مقدارهای مربوط به تنگستن (Ew=4.5 eV , T=2700 K) در رابطه فوق جایگزین شود، چگالی جریان کاتدی حدود Jc=3.4 A/cm2 به دست خواهد آمد.

تابع کار مواد، به شدت متاثر از شرایط سطحی آن ها است و کمترین مقدار آلاینده می تواند تغییر بزرگی در آن پدید آورد. بنابراین باید هنگام جا به جایی رشته، مراقبت کرد تا از هرگونه تماس وسابل غیر تمیز و یا دست به مجموعه تفنگ الکترونی پرهیز شود.

روشنایی

روشنایی اصلی ترین مشخصه پرتوی الکترونی تولید شده در یک تفنگ الکترونی است. روشنایی معیاری است از تعداد الکترونی که در واحد زمان از فیلامان انتشار می یابد و بر طبق تحقیقات دانشمندانی چون لانگمویر روشنایی پرتوی الکترونی با رابطه زیر تعیین می گردد:

در این رابطه ib جریان انتشار الکترون فیلامان است. لانگمویر نشان داد که رابطه مذکور می تواند، ماکزیممی به صورت زیر داشته باشد:

در این رابطه، در ولتاژهای بالا (که در میکروسکوپ های الکترونی رایج است)، jc دانسیته جریان کاتد، E0 ولتاژ شتاب دهنده، e بار الکتریکی و k ثابت بولتزمن می باشد. لذا رابطه به شکل زیر خلاصه می شود:

با توجه به این روابط دیده می شود که هر چه شعاع نقطه همگرایی کمتر، زاویه واگرایی (از نقطه همگرایی) کمتر، ولتاژ شتابدهنده پرتوی الکترونی بیشتر و دانسیته جریان (سطحی فیلامان) بیشتر شود، روشنایی پرتوی الکترونی، بیشتر خواهد بود. بنابراین مشخصات فیلمان و سایر قسمت های تفنگ الکترونی بر خواص پرتو الکترونی تولید شده تاثیر می گذارد. مقدار رایج do و αo در میکروسکوپ های الکترونی روبشی به ترتیب حدود 25 الی 100 میکرون و 8×10-3 - 3×10-3 rad است.

ارتباط چگالی جریان پرتوی الکترونی و روشنایی

با افزایش چگالی (دانسیته) جریان در نقطه همگرایی T می توان روشنایی را افزایش داد. افزایش روشنایی از دو طریق امکان پذیر است:

1- افزایش جریان انتشار در یک قطر پرتوی الکترونی ثابت

2- کاهش قطر پرتوی الکترونی در یک جریان انتشار ثابت

این تغییرات، منجر به افزایش حساسیت (sensivity) و قدرت تفکیک (resolution)، در عملکرد میکروسکوپ های الکترونی می شود.

تغییرات ولتاژ تفنگ الکترونی، محدود است، بنابراین تنها راه عملی برای افزایش روشنایی افزایش دمای فیلامان و در نتیجه آن افزایش جریان انتشار و روشنایی است. به طور مثال: اگر دما از 2700 درجه کلوین به 3000 درجه کلوین افزایش یابد، روشنایی حدود 5 برابر می شود. اما اینجا هم محدودیت دیگری وجود دارد، زیرا با هفت برابر کردن روشنایی یک فیلامان، ممکن است عمر کاری آن یک هشتادم تا یک چهلم مقدار معمول شود، یعنی حتی به یک ساعت تقلیل یابد.

ولتاژ بایاس

در تفنگ های الکترونی گرمایونی فیلامان تنگستنی، یک ولتاژ منفی نسبت به کلاهک نگهدارنده اعمال می گردد که بر حسب شرایط متغییر است یا به بیان دیگر به صورت بایاس اعمال می شود. الگوی کلی اعمال ولتاژ بایاس، به این شکل است که با عبور جریان از فیلامان یک ولتاژ منفی به کلاهک اعمال می گردد. با افزایش و کاهش مقاومت بایاس، ولتاژ بایاس هم افزایش یا کاهش می یابد.

اگر بایاس بیش از حد پایین باشد، گرادیان میدان منفی، ضعیف می شود و همگرا شدن بسیار کم خواهد بود. بنابراین فوکوس چندانی به وجود نخواهد آمد در نتیجه زیاد بودن مقدار d0 منجر به کاهش روشنایی می شود. اگر بایاس به شدت افزایش یابد، آنگاه میدان الکترواستاتیک اطراف فیلامان آنقدر قوی می شود که می تواند منجر به بازگشت الکترون ها به فیلامان شود. در این شرایط دانسیته جریان انتشار و به دنبال آن روشنایی آنقدر کم می شود که ممکن است به صفر برسد. بنابراین برای هر جریانی نیاز به یک ولتاژ بایاس بهینه است.

پایداری پرتوی الکترونی

برای فراهم کردن پرتوی الکترونی مناسب، علاوه بر جریان انتشار و ولتاژ بایاس مناسب، باید به پایداری، تقارن و تراکم آن نیز توجه داشت. همانطور که گفته شد، با افزایش جریان فیلامان (if)، گرم شدن و ایجاد پدیده ترمویونی (گرمایونی)، الکترون تولید می شود. با افزایش جریان فیلامان، مقدار انتشار الکترون یا جریان انتشار، افزایش می یابد، اما این اتفاق به طور نامحدود  ادامه پیدا نمی کند. با رسیدن جریان انتشار الکترون به یک مقدار ماکزیمم، مقدار آن ثابت شده و دیگر با افزایش جریان فیلامان، تغییری در جریان انتشار الکترون، مشاهده نمی شود. در این شرایط گفته می شود فیلامان اشباع شده است. زیرا، با افزایش جریان فیلامان، ولتاژ بایاس هم افزایش می یابد و گرادیان میدان منفی در اطراف فیلامان شدت گرفته و بازگشت الکترون ها به سمت فیلامان، انتشار الکترون از آن را محدود می سازد. از لحاظ عملی بهترین شرایط کاری، شرایط اشباع است، یعنی شرایطی که جریان فیلامان دقیقا به اندازه ای باشد که جریان انتشار ماکزیمم شود، در این حالت است که پرتوی الکترونی تولیدی، از پایداری مناسبی برخوردار می شود.

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

فرهاد گلستانی فرد ، روش های شناسایی و آنالیز مواد ، انتشارت دانشگاه علم و صنعت ، 1383.

مریم کرباسی، میکروسکوپ الکترونی روبشی و کاربردهای آن در علوم مختلف و فناوری نانو، مرکز انتشارات جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان، 1388.

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

 

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

تفنگ الکترونی فیلامان رشته تنگستنی
فیلامان رشته تنگستنی
کاتد تنگستنی
Tungsten Filaments for Electron Microscopes
فیلامان تنگستنی
برچسب ها: روشناییمیکروسکوپ الکترونیتفنگ الکترونیروش های آنالیز و شناسایی مواد
دریافت نشان عالی ارزش آفرینی ملی شرکت پاکمن در پنجمین کنگره برند ملی، اقتدار ملی
حضور پاکمن و دریافت نشان عالی ارزش آفرینی ملی شرکت پاکمن در پنجمین کنگره برند مل ...بیشتر
پاکمن; حامی دومین کنفرانس بین المللی نقش مهندسی مکانیک در ساخت و ساز شهری
پاکمن; حامی دومین کنفرانس بین المللی نقش مهندسی مکانیک در ساخت و ساز شهری که در ...بیشتر
هجدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 97
هجدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 97   ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تاسیسات ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی تهران 97
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تاسیسات ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی تهران ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه صنعت ساختمان و صنایع وابسته مازندران 97
بیستمین نمایشگاه صنعت ساختمان و صنایع وابسته مازندران 97   ...بیشتر
تقویم نمایشگاه های بین المللی سال 1397
نمایشگاه به عنوان يكی از مهمترين بخش های تجاری و اقتصادی ایران با بهره مندی از ف ...بیشتر
دوازدهمین نمایشگاه ساختمان و تاسیسات گرمایشی و سرمایشی زنجان 97
بیستمین نمایشگاه ساختمان و تاسیسات گرمایشی و سرمایشی زنجان 97   ...بیشتر
بیستمین نمایشگاه بین المللی ساختمان شیراز 97
بیستمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان شیراز 97   ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان و راهسازی بیرجند
هفدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان و راهسازی بیرجند 97     ...بیشتر
شانزدهمین نمایشگاه ساختمان و سیستم های گرمایشی و سرمایشی کرمانشاه
شانزدهمین نمایشگاه صنعت ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی کرمانشاه 97 &nb ...بیشتر
یازدهمین نمایشگاه بین المللی سیستم های سرمایشی و گرمایشی ارومیه 97
چهاردهمین نمایشگاه بین المللی سیستم های گرمایشی و سرمایشی ارومیه 97   ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر