שפופרת קרן קתודית

שפופרת קרן קתודית או שפופרת קתודית (באנגלית: cathode ray tube) היא התקן חשמלי-פיזיקלי הבנוי כמכל זכוכית אטום, מרוקן מאוויר או ממולא בגז דליל, שבתוכו קבועות שתי אלקטרודות - קתודה ואנודה. כאשר השפופרת מופעלת, הקתודה מהווה מקור של אלקטרונים שנעים בתוך השפופרת לעבר האנודה. אלקטרונים אלו קרויים קרניים קתודיות (cathode rays) או קרן אלקטרונים (electron beam).
ניסויים שנערכו בעזרת שפופרות קתודיות הובילו לשורה של תגליות ופריצות דרך בפיזיקה, הכוללות את גילוי קרינת הרנטגן, גילוי האלקטרון וגילוי האפקט הפוטואלקטרי. גילויים אלו הביאו לפיתוחים טכנולוגיים רבים שבהם נעשה שימוש בשפופרות קתודיות. פיתוחים אלו כוללים את מכשירי הרנטגן, הנורה הפלואורסצנטית ונורות פריקה אחרות, והתקני התצוגה מסוג שק"ק (CRT), אשר שימשו ברוב מכשירי הטלוויזיה שיוצרו במהלך המאה ה-20. כמו כן, שפופרות ריק, המהוות סוג של שפופרות קתודיות, הן התקנים חשמליים שהופעלו כדיודות וכמגברים, והיה להן תפקיד מרכזי בהתפתחות האלקטרוניקה.
ניסויים בקרניים יוניות, המהוות המשך לניסויים בקרניים קתודיות, משמשות בימינו למחקרים בפיזיקה גרעינית, בפיזיקת חלקיקים ובפיזיקה מולקולרית.

גילויים ראשונים

במאה ה-18 החלו מדענים להבחין בכך שניצוצות מהתפרקויות חשמליות עוברים מרחקים גדולים יותר בתוך ריק. בשנת 1838 העביר מייקל פאראדיי זרם חשמלי בין שתי אלקטרודות הנמצאות בצינור שממנו נשאב האוויר, והבחין בתופעה שנראתה כקרן אור חלשה היוצאת מהקתודה (האלקטרודה השלילית) והולכת ונחלשת עד שהיא מגיעה לאנודה (האלקטרודה החיובית). התופעה זכתה לשם "קרניים קתודיות", שכן ההשערה הייתה שחלקיקים הנפלטים מהקתודה ומואצים לעבר האנודה גורמים לאור. בהמשך המאה ה-19 נעשה מחקר רב על קרניים אלו, מחקר אשר בין השאר זיכה את הפיזיקאי פיליפ לנארד בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1905. בנוסף, מדענים השתמשו בתופעה לשם הדגמות, כאשר הם עוברים מעיר לעיר ומראים את האורות המופלאים שניתן ליצור בעזרת חשמל.

משפופרת גייסלר למנורות הניאון

בשנת 1857 המציא הפיזיקאי ונפח הזכוכית הגרמני היינריך גייסלר את שפופרת גייסלר, שהיא שפופרת קתודית שממנה נשאב האוויר והוחלף בגז דליל כלשהו, כגון ניאון או ארגון - התוצאה היא היווצרותם של אורות בצבעים שונים, בהתאם לגז שנמצא בתוך השפופרת. ויליאם קרוקס שיפר את המכשיר ויצר את שפופרת קרוקס. בכך למעשה נוצר הבסיס לנורות הפלואורסצנטיות הנמצאות בשימוש עד היום. עם זאת, נדרשו פיתוחים טכנולוגיים רבים עד אשר ניתן היה לשווק את השפופרות כאמצעי תאורה, ובאותה תקופה השימוש המסחרי העיקרי של השפופרות היה כאמצעי בידור.
הפיזיקאי הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקרל (אביו של אנרי בקרל) היה הראשון שציפה שפופרת גייסלר בחומר פלואורסצנטי, וכך המיר את הצבעים שנוצרו בשפופרת לצבעים נוספים. יעילותן של שפופרות אלה הייתה נמוכה, ומשך חייהן קצר. הפיזיקאי האנגלי ג'ורג' סטוקס חקר גם הוא את תופעות הפלואורסצנטיות בשפופרות קתודיות, ותגליותיו מילאו תפקיד חשוב בפיתוח המנורות הפלואורסצנטיות המסחריות.
תומאס אדיסון, בניסיונותיו לפתח שיטות להפקת אור מחשמל, חקר את שפופרות גייסלר במשך תקופה קצרה והמציא בשנת 1896 מנורה פלואורסצנטית המשתמשת בציפוי מסידן, ואף רשם עליה פטנט בשנת 1907. גם הממציא ניקולה טסלה בנה מנורה פלואורסצנטית המשתמשת בזרם חילופין (AC) בתדר גבוה. ההצלחה המסחרית הראשונה הושגה על ידי דניאל מור (Daniel McFarlan Moore), עובד לשעבר של אדיסון, אשר הציג בשנת 1895 מנורה פלואורסצנטית המבוססת על פחמן דו-חמצני ועל חנקן. המצאות אלו סללו את הדרך למנורות הפלואורסצנטיות המודרניות.
יתרונן של המנורות הפלואורסצנטיות על פני מנורות להט טמון בכך שהן דורשות הספק חשמלי נמוך יותר, אך יש להן שני חסרונות עיקריים: אורן אינו מכיל את כל צבעי הקשת, ועלות הייצור שלהן גבוהה יותר.

גילוי קרני ה-X

בשנת 1895 החל וילהלם רנטגן בניסויים על שפופרות קתודיות, וניסה לצלם את האור הנוצר בשפופרות אלו. באחד הניסויים הוא גילה שנייר הצילום שלו סופג קרינה גם כאשר השפופרת הקתודית מכוסה. רנטגן הבין שמדובר בסוג חדש של קרינה, היכולה לעבור דרך חומרים, וקרא לה "קרינת-X". כשבועיים לאחר התגלית הראשונית יצר את התמונה הראשונה מקרניים אלו, תמונת עצמות כף ידה של אשתו, אנה ברטה. בזכות גילוי קרני ה-X זכה רנטגן בפרס נובל הראשון לפיזיקה, בשנת 1901.
התגלית של רנטגן הפכה במהרה לכלי שימושי ברפואה, כאשר כבר ב-1896 החלו רופאי שיניים להשתמש במכשירי רנטגן לזיהוי חורים בשיניים ומנתחים השתמשו בהן לצורך איתור שברים בעצמות המטופלים. למכשירי רנטגן נמצאו שימושים רבים בתחומים שונים, כגון בדיקות לא-הרסניות של חומרים וכן בקריסטלוגרפיה, שבה קרני ה-X משמשות לחקר מבנה של גבישים ושל מולקולות ביולוגיות (קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן). גם פענוח מבנה ה-DNA על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק התבסס על תמונות רנטגן של המולקולות שנעשו על ידי הפיזיקאית רוזלינד פרנקלין.
היום ידוע שקרני-X הן סוג של קרינה אלקטרומגנטית (בדומה לאור הנראה ולגלי הרדיו) בתדר גבוה מאוד (כלומר, הקרניים מורכבות מפוטונים בעלי אנרגיה גבוהה). בתוך השפופרת קיים מפל מתח אשר גורם להאצת האלקטרונים ומביא אותם לאנרגיה קינטית גבוהה, ובהתנגשות עם האנודה אנרגיה זו משתחררת - חלקה בצורת פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה, כלומר בתור קרינת רנטגן.

גילוי האלקטרון

ויליאם קרוקס, ממציא השפופרת הקרויה על שמו, גם גילה את תופעת הפוספורסנציה: כאשר קרינה קתודית פוגעת במשטחים מחומרים מסוימים, משתחרר אור בנקודת הפגיעה. בזכות גילוי זה ניתן היה לזהות את מיקום נקודת הפגיעה של הקרניים הקתודיות באנודה, ומדענים החלו לנסות ולבחון כיצד להסיט את נקודת הפגיעה הזאת. הראשון שהצליח בכך היה הפיזיקאי ג'יי. ג'יי. תומסון.
תומסון התמנה למנהל מעבדת קוונדיש בשנת 1884, ובעצת קודמו לתפקיד החל לחקור את תופעת הקרניים הקתודיות. באותה תקופה הסברה הייתה שהקרניים מורכבות מחלקיקים טעונים הנפלטים מהקתודה ומואצים אל האנודה, ולפיכך ניתן להסיט את החלקיקים בעזרת שדה חשמלי. תומסון בנה שפופרות קרניים קתודיות שבהן האנודה מכוסה בחומר פוספורסצנטי (כך שניתן לראות את נקודת הפגיעה של הקרניים באנודה) ובנוסף מכילות זוג משטחים מתכתיים המשמשים להסטת הקרניים (deflector) - הפעלת מתח חשמלי עליהן יוצרת שדה חשמלי המסיט את הקרניים הקתודיות. תומסון אכן הצליח להבחין בהסטה של הקרניים ולמדוד אותה כפונקציה של השדה החשמלי. לאחר מכן הוא ביצע ניסוי נוסף שבו הסיט את הקרניים בעזרת שדה מגנטי. השוואת התוצאות משני הניסויים הללו אפשרה לתומסון להסיק את היחס בין המטען החשמלי למסה (q/m) של החלקיקים המרכיבים את הקרינה הקתודית. תומסון הבחין כי היחס שהוא מדד הוא אוניברסלי: כלומר, אינו תלוי בפרמטרים ניסיוניים שונים, כגון החומר שממנו מורכבות האלקטרודות והטמפרטורה שלהן. לפיכך הוא הסיק שהקרניים הקתודיות מורכבות מחלקיקים תת-אטומיים. תגלית זאת של תומסון נחשבת היום לגילוי האלקטרון, ועליה הוענק לתומסון פרס נובל לפיזיקה בשנת 1906.
ניסוייו של תומסון, מעבר לגילוי האלקטרון, בישרו על עידן חדש בפיזיקה ניסיונית: עידן של יצירת קרניים מחלקיקים טעונים וחקר תכונותיהם על ידי מחקר התנועה שלהם בשדות חשמליים ומגנטיים. בשיטות אלו נעשו שימושים בניסויים במאיצי חלקיקים שהובילו לתגליות רבות בפיזיקה גרעינית ולגילויים של חלקיקים אלמנטריים. בנוסף, התחום של ספקטרומטריית מסות, המבוסס על מדידת המסות של יונים בשיטות שונות המבוססות על הדינמיקה של היונים בשדות חשמליים ומגנטיים, החל את דרכו בניסויים אלו.

מנגנוני פליטה של האלקטרון מהקתודה

על מנת שתיווצר קרינה קתודית, חייב להיות מנגנון המאפשר לאלקטרונים להתנתק מהקתודה. קיימים מספר מנגנונים כאלו:

פליטה על ידי שדה חשמלי (Field emission)

כאשר מופעלים שדות חשמליים חזקים, הם מנמיכים את מחסום הפוטנציאל הקושר אלקטרונים למתכת, במידה כזאת המאפשרת לאלקטרון לבצע מינהור דרך המחסום. ההסתברות שאלקטרון יבצע מינהור היא נמוכה מאוד, ולכן הזרמים המתקבלים בתהליך זה הם נמוכים. המדען הראשון שתיאר את המנגנון הזה היה הפיזיקאי האמריקני רוברט ווד (Robert W. Wood) בשנת 1897.

מד ואקום

אחת השיטות למדידת ואקום (מדידת לחצים נמוכים מאוד) מבוססת על שפופרות קתודיות. השיטה מסתמכת על התנגשות האלקטרונים המואצים (מהקתודה אל האנודה) באטומים, שגורמת ליינון שלהם. את האטומים האלו אפשר לאסוף וכך למדוד את כמות הגז השיורי. איסוף האטומים נעשה על ידי הוספת אלקטרודה נוספת (collector) הטעונה במתח שלילי, כך שהיא מושכת אליה יונים חיוביים. מדידת הזרם על אלקטרודה זאת מאפשרת מדידה של הלחץ.