Катодные лучи — Википедия

Като́дные лучи́, также называемые «электронными пучками» — поток электронов, излучаемый катодом вакуумной трубки.

В 1854 году начались эксперименты с высоким напряжением в разрежённом воздухе. И было замечено, что искры пробегают заметно большее расстояние под вакуумом, в сравнении с обычными условиями.

Открыл катодные лучи Юлиус Плюккер в 1859 году. Также Плюккер наблюдал отклонение открытых им катодных лучей под действием магнита.

В 1879 году У. Крукс установил, что при отсутствии внешних электрических и магнитных полей катодные лучи распространяются прямолинейно, и понял, что они могут отклоняться магнитным полем. С помощью созданной им газоразрядной трубки он обнаружил, что, падая на некоторые кристаллические вещества (названные в дальнейшем катодолюминофорами), катодные лучи вызывают их свечение.

В 1897 году Дж. Томсон обнаружил, что катодные лучи отклоняются электрическим полем, измерил отношение заряда к массе для частиц, из которых они состоят, и назвал эти частицы электронами. В том же году Карл Ф. Браун на основе трубки У. Крукса сконструировал первую катодную, или электронно-лучевую, трубку^[1].

Катодные лучи состоят из электронов, ускоряемых в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом, то есть электродами, находящимися соответственно под отрицательным и положительным потенциалом относительно друг друга. Катодные лучи обладают кинетической энергией и способны придавать механическое движение, например, лопастям вертушки. Катодные лучи отклоняются под действием магнитного и/или электрического полей. Катодные лучи способны вызывать свечение люминофоров. Поэтому при нанесении люминофоров на внутреннюю поверхность прозрачной трубки, свечение можно видеть на внешней поверхности трубки. Этот эффект используется в вакуумных электронных приборах, например в электронно-лучевых трубках, электронных микроскопах, рентгеновских трубках и радиолампах.

Кинетическая энергия E катодных лучей вблизи анода (если между катодом и анодом отсутствуют какие-либо преграды) равна произведению заряда электрона e на межэлектродную разность потенциалов U: Е = eU. Например, если разность потенциалов равна 12 кВ, электроны приобретают энергию 12 килоэлектронвольт (кэВ).

Для возникновения катодных лучей необходим выход электронов из катода в межэлектродное пространство, который называется электронной эмиссией. Она может происходить в результате нагрева катода (термоэлектронная эмиссия), его освещения (фотоэлектронная эмиссия), электронного удара (вторичная электронная эмиссия) и т. д.

Хотя электроны катодных лучей быстро теряют энергию в плотном веществе, но сквозь достаточно тонкую стенку (доли мм) они могут проникать из вакуумной трубки в воздух, если ускоряющий потенциал достаточно высок (десятки киловольт). Пробег в воздухе катодных лучей с энергиями в десятки килоэлектронвольт ограничен несколькими сантиметрами.

В вакууме катодные лучи не видны, однако при взаимодействии с веществом они вызывают его радиолюминесценцию ввиду возбуждения атомных оболочек и высвечивания энергии атомом посредством фотонов, в том числе видимого света. В частности, при наличии остаточного газа в вакуумной трубке можно наблюдать его свечение (см. розовое свечение в трубке на фотографии ниже). Радиолюминесценция наблюдается также у вещества анода или других объектов, попадающих под пучок (например, стекла в торце трубки Крукса), и у воздуха при выводе катодных лучей за пределы трубки.

Катодные лучи используются в электронно-лучевых технологиях^{[англ.][2]} , например, созданный для напыления плёночных покрытий универсальный электронно-лучевой испаритель УЭЛИ-1^[3], а также в электронной литографии. Электронно-лучевые технологии более экологичны, менее энергоёмки и практически безотходны^[4]. Применяются также в 3D-принтерах (Electron-beam melting, EBM, Послойный синтез электронным пучком), компания Arcam^[англ.] производит 3D-принтеры использующие электронный луч.

• 
  Трубка Крукса
• 
  Трубка Крукса в работе
• 
  Катодный луч в магнитном поле
• 
  Катодный луч в магнитном поле

• Абрамян Е.А. Промышленные ускорители электронов. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 250 с.
• Никеров В.А. Электронные пучки за работой. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 128 с. — (Научно-популярная библиотека школьника).
• Дж. Р. Пирс. Теория и расчёт электронных пучков. — М., 2012. — 217 с. — ISBN 978-5-458-48359-9.
• Абрамян Е.А., Альтеркоп Б.А., Кулешов Г.Д. Интенсивные электронные пучки: физика,техника,применение. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 231 с.
• Алямовский И. В. Электронные пучки и электронные пушки. — М.: Советское радио, 1966. — 231 с.
• Молоковский С. И., Сушков А. Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 304 с. — ISBN 5-283-03973-0.
• Современные методы расчета электронно- оптических систем. — Л.: Материалы ; Всесоюзного семинара по методам расчета электронно-оптических систем ( 22-24 янв. 1985 г. Ленинград)., 1986. — 166 с.
• З. Шиллер, У. Гайзиг, З. Панцер. Электронно-лучевая технология. — М.: Энергия, 1980. — 528 с.
• Попов В. Ф., Горин Ю. Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. — М.: Высш. шк., 1988. — 255 с. — ISBN 5-06-001480-0.
• Виноградов М.И., Маишев Ю.П. Вакуумные процессы и оборудование ионно - и электронно-лучевой технологии. — М.: Машиностроение, 1989. — 56 с. — ISBN 5-217-00726-5.

• Электронный луч в пересекающихся полях (англ.)
• Электронный луч в пересекающихся полях

В другом языковом разделе есть более полная статья שפופרת קתודית (иврит). Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода

В статье есть список источников, но не хватает сносок. Без сносок сложно определить, из какого источника взято каждое отдельное утверждение. Вы можете улучшить статью, проставив сноски на источники, подтверждающие информацию. Сведения без сносок могут быть удалены. (23 февраля 2023)