الكاثود البارد

الكاثود البارد ^{[ 1 ]} هو كاثود لا يُسخّن كهربائيًا بواسطة فتيل . ^{[ ملاحظة 1 ]} يُعتبر الكاثود "باردًا" إذا كان يُصدر إلكترونات أكثر مما يُمكن توفيره بالانبعاث الحراري وحده. يُستخدم في مصابيح التفريغ الغازي ، مثل مصابيح النيون ، وأنابيب التفريغ ، وبعض أنواع أنابيب التفريغ . أما النوع الآخر من الكاثود فهو الكاثود الساخن ، الذي يُسخّن بتيار كهربائي يمر عبر فتيل . لا يعمل الكاثود البارد بالضرورة عند درجة حرارة منخفضة: فغالبًا ما يُسخّن إلى درجة حرارة التشغيل بطرق أخرى، مثل مرور التيار من الكاثود إلى الغاز.

لا يعتمد أنبوب التفريغ ذو المهبط البارد على التسخين الخارجي للإلكترون لتوليد الانبعاث الحراري للإلكترونات. ومن أوائل الأجهزة ذات المهبط البارد أنبوب جيسلر وأنبوب بلوكر ، بالإضافة إلى أنابيب أشعة الكاثود المبكرة . وقد أدت دراسة الظواهر في هذه الأجهزة إلى اكتشاف الإلكترون.

تُستخدم مصابيح النيون لإنتاج الضوء كمؤشرات وللإضاءة لأغراض خاصة، وكذلك كعناصر دوائر كهربائية تُظهر مقاومة سالبة . وقد سمحت إضافة قطب كهربائي مُحفِّز إلى الجهاز ببدء التفريغ المتوهج بواسطة دائرة تحكم خارجية؛ وقد طورت مختبرات بيل جهاز "أنبوب التحفيز" ذي المهبط البارد في عام 1936. ^{[ 2 ]}

طُوِّرت أنواع عديدة من أنابيب التبديل ذات المهبط البارد، بما في ذلك أنواع مختلفة من الثايراترون ، والكريترون ، وشاشات العرض ذات المهبط البارد ( أنبوب نيكسي )، وغيرها. تعتمد أنابيب تنظيم الجهد على الجهد الثابت نسبيًا لتفريغ التوهج ضمن نطاق تيار معين، وقد استُخدمت لتثبيت جهد مصدر الطاقة في الأجهزة التي تعمل بالأنابيب. الديكاترون هو أنبوب ذو مهبط بارد متعدد الأقطاب يُستخدم للعد. في كل مرة تُطبَّق نبضة على قطب تحكم، ينتقل تفريغ التوهج إلى قطب متدرج؛ ومن خلال توفير عشرة أقطاب في كل أنبوب وتوصيل الأنابيب على التوالي، يُمكن تطوير نظام عد ومراقبة العد من خلال موضع تفريغات التوهج. استُخدمت أنابيب العد على نطاق واسع قبل تطوير أجهزة عد الدوائر المتكاملة .

أنبوب الفلاش هو جهاز ذو مهبط بارد مملوء بغاز الزينون ، ويستخدم لإنتاج نبضة ضوئية قصيرة مكثفة للتصوير الفوتوغرافي أو للعمل كمقياس وميضي لفحص حركة الأجزاء المتحركة.

المهبط هو القطب السالب. أي مصباح تفريغ غازي له قطب موجب (مصعد) وقطب سالب. يتناوب كلا القطبين بين العمل كمصعد ومهبط عند تشغيل هذه الأجهزة بتيار متردد .

يُفرّق بين المهبط البارد والمهبط الساخن الذي يُسخّن لتحفيز الانبعاث الحراري للإلكترونات . تحتوي أنابيب التفريغ ذات المهابط الساخنة على غلاف مملوء بغاز منخفض الضغط، ويضم قطبين كهربائيين. تشمل أجهزة المهبط الساخن أنابيب التفريغ الشائعة ، ومصابيح الفلورسنت ، ومصابيح التفريغ عالية الضغط، وشاشات الفلورسنت الفراغية .

يمكن لسطح الكاثودات الباردة أن يُصدر إلكترونات ثانوية بنسبة أكبر من الواحد (انهيار). يصطدم الإلكترون الخارج من الكاثود بجزيئات الغاز المتعادل. قد يُثير الاصطدام الجزيء فقط، ولكنه في بعض الأحيان يُحرر إلكترونًا مُكوّنًا أيونًا موجبًا. يستمر الإلكترون الأصلي والإلكترون المُحرر في الاتجاه نحو المصعد، وقد يُنتجان المزيد من الأيونات الموجبة (انظر انهيار تاونسند ). والنتيجة هي أنه مقابل كل إلكترون يخرج من الكاثود، تتولد عدة أيونات موجبة تصطدم به في النهاية. قد تُولد بعض الأيونات الموجبة المتصادمة إلكترونًا ثانويًا. يكون التفريغ مُستدامًا ذاتيًا عندما يصطدم عدد كافٍ من الأيونات الموجبة بالكاثود لتحرير إلكترون آخر في المتوسط، مقابل كل إلكترون يخرج منه. تحد الدوائر الخارجية من تيار التفريغ. تستخدم مصابيح التفريغ ذات الكاثود البارد فولتيات أعلى من تلك ذات الكاثود الساخن. يُسرّع المجال الكهربائي القوي الناتج بالقرب من الكاثود الأيونات إلى سرعة كافية لتكوين إلكترونات حرة من مادة الكاثود.

هناك آلية أخرى لتوليد الإلكترونات الحرة من سطح معدني بارد وهي انبعاث الإلكترونات الميداني . وهي تستخدم في بعض أنابيب الأشعة السينية ، ومجهر الإلكترون الميداني (FEM)، وشاشات عرض الانبعاث الميداني (FEDs).

تُغطى الكاثودات الباردة أحيانًا بطبقة من العناصر الأرضية النادرة لتعزيز انبعاث الإلكترونات. تحتوي بعض الأنواع على مصدر لإشعاع بيتا لبدء تأيين الغاز الذي يملأ الأنبوب. ^{[ 5 ]} في بعض الأنابيب، يُقلل التفريغ المتوهج حول الكاثود عادةً؛ وبدلاً من ذلك، يوجد ما يُسمى بالعمود الموجب، الذي يملأ الأنبوب. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ ملاحظة 2 ]} من الأمثلة على ذلك مصباح النيون وأنابيب نيكسي . تُعد أنابيب نيكسي أيضًا شاشات عرض نيون ذات كاثود بارد، وهي أجهزة عرض خطية، ولكنها ليست مستوية.

تستخدم أجهزة الكاثود البارد عادةً مصدر طاقة عالي الجهد معقدًا مزودًا بآلية للحد من التيار. ورغم أن توليد الشحنة الفضائية الأولية وقوس التيار الأول عبر الأنبوب قد يتطلب جهدًا عاليًا جدًا، إلا أنه بمجرد أن يبدأ الأنبوب في التسخين، تنخفض المقاومة الكهربائية، مما يزيد من التيار الكهربائي المار عبر المصباح. وللتعويض عن هذا التأثير والحفاظ على التشغيل الطبيعي، يتم خفض جهد التغذية تدريجيًا. في حالة الأنابيب التي تحتوي على غاز مؤين، يمكن أن يتحول الغاز إلى بلازما شديدة السخونة ، مما يقلل المقاومة الكهربائية بشكل كبير. إذا تم تشغيلها من مصدر طاقة بسيط بدون تحديد للتيار، فإن هذا الانخفاض في المقاومة سيؤدي إلى تلف مصدر الطاقة وارتفاع درجة حرارة أقطاب الأنبوب.

صورة لمصباح فلورسنت مدمج مضاء من نوع الكاثود البارد

مصباح فلورسنت مدمج مضاء ذو ​​قطب بارد

تُستخدم الكاثودات الباردة في مقومات الكاثود البارد ، مثل صمامات الكروساترون وصمامات قوس الزئبق ، وفي مضخمات الكاثود البارد ، كما هو الحال في محاسبة الرسائل التلقائية وتطبيقات التبديل الأخرى بتقنية الشرارة الزائفة . ومن الأمثلة الأخرى أنابيب الثايراترون ، والكريترون ، والسبريترون ، والإغنيترون .

يُستخدم الكاثود البارد بشكل شائع في لافتات النيون وغيرها من الأماكن التي تنخفض فيها درجة الحرارة المحيطة إلى ما دون الصفر. يستخدم برج إليزابيث وقصر وستمنستر إضاءة الكاثود البارد خلف واجهات الساعات، حيث يُعدّ استمرار دقّها أو توقفها عن الدقّ في الطقس البارد أمرًا غير مرغوب فيه. وقد تم إنتاج مصابيح فلورية كبيرة الحجم تعمل بالكاثود البارد (CCFLs) في الماضي، ولا تزال تُستخدم حتى اليوم عند الحاجة إلى مصادر إضاءة خطية طويلة العمر ذات أشكال مميزة. ( اعتبارًا من عام 2011)استُخدمت مصابيح الفلورسنت المدمجة المصغرة على نطاق واسع كإضاءة خلفية لشاشات الكريستال السائل في أجهزة الكمبيوتر والتلفزيون . وتختلف أعمار مصابيح الفلورسنت المدمجة في أجهزة تلفزيون الكريستال السائل تبعًا لتقلبات الجهد الكهربائي ودرجات الحرارة في بيئات الاستخدام.

بفضل كفاءتها، توسعت تقنية مصابيح الفلورسنت ذات الكاثود (CCFL) لتشمل إضاءة الغرف. وتتشابه تكلفتها مع تكلفة الإضاءة الفلورسنتية التقليدية ، ولكنها تتميز بعدة مزايا: فهي تتمتع بعمر طويل، والضوء المنبعث منها ألطف على العين ، وتضيء المصابيح فورًا بكامل طاقتها، كما أنها قابلة للتعتيم. ^{[ 8 ]}