بخشی از مقاله
چکیده :
به منظور ایجاد باریکه الکترونی با کیفیت بالا و غیر واگرا و همچنین بررسی پارامترهایی که به کیفیت پرتو در طراحی تفنگ الکترونی گرمایونی کمک میکند، تفنگ الکترونی گرمایونی چند ده کیلو الکترون ولتی ، با انجام محاسبات چگالی جریان باریکه الکترونی،شدت باریکه الکترونی، تعداد الکترون هاي خارج شده از تفنگ الکترونی با استفاده نرم افزار CST شبیه سازي و طراحی شده است. در نهایت باریکه الکترونی همگرا، با انرژي تقریبی 70 کیلو الکترون ولت از این تفنگ الکترونی گرمایونی قابل حصول است.
.1 مقدمه
تفنگ هاي الکترونی ابزاري هستند که تحت شرایط فیزیکی مختلف از خود دسته اي از الکترون ها با انرژي در محدوده ي چند تا چندده کیلو الکترون ولت گسیل میکنند و از نظر ساز و کار به دو دسته تقسیم میشوند:
-1 تفنگ الکترونی نشر حرارتی: در این نوع تفنگ که بر اساس پدید ه ي گرمایونی کار میکند، یک رشته ي فلز تا دماي بالایی گرم شده و درصد معینی از الکترون ها سطح فلز را ترك می کنند.
-2 تفنگ الکترونی نشر میدانی: در این نوع تفنگ، سطح یک فلز تحت ولتاژ بالایی قرار داده شده و الکترون ها بر اساس پدیدهي تونل زنی سطح فلز را ترك میکنند.
تفنگ الکترونی، واژه جدیدي براي توصیف بخشی از لوله کاتدي بود که اجزایی براي ایجاد، تمرکز، کنترل و کانونی کردن باریکه الکترونی را شامل می شد. دانشمند آلمانی، بوش در سال 1926 ثابت کرد همانگونه که یک باریکه ي نور مرئی توسط عدسی متمرکز می شود، یک باریکه ي الکترونی نیز می تواند به وسیله ي میدان هاي الکتریکی و مغناطیسی متمرکز شود.
این کشف، آغازي بر اپتیک الکترون بود که در تلویزیون و میکروسکوپهاي الکترونی استفاده میشود. فیزیکدان بریتانیایی، ریچاردسون در سال 1928 مطالعه روي موضوعی که بعدها گسیل گرمایونی نامیده شد را آغاز کرد و بخاطر کار روي پدیده ي گرمایونی و بخصوص کشف قانونی که به نام خودش نامیده شد، موفق به دریافت جایزه ي نوبل شد.
پی یرس در سال 1940 براي اولین بار پیشنهاد کرد که با شکل دادن به الکترودها در تفنگ الکترونی و قرار دادن آن تحت زاویه اي معین، می توان شعاع باریکه الکترونی را در محدوده اي به طورثابت حفظ و سپس آن را همگرا کرد]١.[ در اینجا با بکارگیري چندین آند و تقسیم ولتاژ بین آنها به منظور شتاب دادن به باریکه الکترونی تولیده شده، و چندین عدسی مغناطیسی براي همگرا نمودن باریکه و بررسی چگالی جریان باریکه الکترونی، یک باریکه الکترونی همگرا و مناسب جهت استفاده در زمینه هاي صنعت، پزشکی و کشاورزي و .......، با استفاده از نرم افزار CST شبیه سازي شد.
.2 اصول طراحی
در طراحی تفنگ الکترونی گرمایونی از تنگستن به عنوان فیلامان، به دلیل داشتن تابع کار مناسب - 4/5 eV - و نقطه ذوب بالا - 3600 oc - و استوانه وهنلت، نگهدارنده فیلامان در یک ولتاژ منفی مختصر نگه داشته می شود تا الکترون هاي ایجاد شده در فیلمان را به خارج از محفظه ي نگهدارنده هدایت کند. ولتاژ منفی به صورت بایاس - متغیر بر حسب شرایط - اعمال می شود.
بسته به مقدار پتانسیل منفی این الکترود، الکترون ها در نقاطی جلوتر و یا عقب تر از سطح آند کانونی میشوند. در حقیقت کار این استوانه این است که الکترون هاي بار فضایی را با قطري کوچکتر در نقطه اي بنام نقطه ي تقاطع متمرکز و کانونی نماید. در واقع بایستی این نقطه را به عنوان چشمه ي الکترونی در نظر گرفت. پتانسیل الکتریکی این الکترود حدود 50 تا 200 و گاهی تا 500 ولت کمتر از پتانسیل کاتد است. در واقع بطوریکه این الکترود، تصویر بار فضایی به قطر 1 تا 2 میلی متر را در نقطه ي تقاطع، به مقداري حدود 50 میکرون میرساند. [2]
با این روش، پرتو به صورت همگرا با یک نقطه ي همگرایی تولید می شود. همچنین از سه آند استوانه اي شکل به منظور اعمال ولتاژ و ایجاد میدان الکتریکی قوي و شتاب دادن به باریکه الکترونی تولید شده از فیلامان و سه عدسی مغناطیسی جهت همگرا نمودن باریکه الکترونی استفاده شده است. در این طراحی، ولتاژ اعمال شده به استوانه وهنلت -9/6 kV - - ، ولتاژ فیلامان - - 10 kV - ، ولتاژ آند اول 55 kV - - ، آند دوم - 60 kV - ، آند سوم - 65 kV - و عدسی هاي مغناطیسی با جریان 1 آمپر - 1500 دور سیم مسی - استفاده شده است.
همچنین با استفاده از رابطه چگالی جریان ریچاردسون-داشمن که براي ولتاژهاي بالا کاربرد دارد ، چگالی جریان باریکه الکترونی خارج شده از تفنگ الکترونی گرمایونی محاسبه شده و با استفاده از محاسبه چگالی جریان، شدت باریکه و در نهایت تعداد الکترون هاي خارج شده از تفنگ الکترونی گرمایونی در دماي کاري 2200 درجه سانتی گراد محاسبه گردیده است.
