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.

משפופרות קתודיות לצגי טלוויזיה

הרכיבים הבסיסיים שמהם בנויים צגי הטלוויזיה המבוססים על שפופרות קתודיות נמצאו כולם בניסויים של תומסון. צגים בטכנולוגית CRT (צגי הטלוויזיה הראשונים שהומצאו, והיחידים שהיו בשימוש עד לשנות ה-90 של המאה ה-20) מבוססים על תותח אלקטרונים שהוא למעשה קתודה, שני זוגות של אלקטרודות המשמשות להסטת הקרן ימינה ושמאלה וכן למעלה ולמטה, ולבסוף מסך מצופה בחומר זרחני (אין קשר ליסוד זרחן) הפולט אור כאשר אלקטרונים פוגעים בו. צג ה-CRT הראשון הומצא בשנת 1897 על ידי הפיזיקאי הגרמני קרל פרדיננד בראון. בצגי הטלוויזיה, הקרן הקתודית סורקת במהירות את המסך, ועוצמת האור בכל נקודה על גבי המסך נקבעת לפי האות החשמלי הנכנס למכשיר. באופן זה מכשירי ה-CRT משמשים כמתמר ההופך אות חשמלי לתמונה.

צגים המבוססים על שפופת קרן קתודית זכו למגוון רחב של שימושים, העיקריים בהם כמכשירי טלוויזיה, צגי מחשב, תצוגות מכ"ם ואוסצילוסקופים. רק בסוף שנות ה-90 של המאה ה-20 החלו מסכים המבוססים על טכנולוגיות אחרות כגון LCD ופלזמה להחליף בהדרגה את מסכי הקרן הקתודית.

החיסרון בצגים אלו הוא עומקם: על מנת לקבל תמונה גדולה תמונה חדה בעזרת שפופרת קרן קתודית יש צורך במרחק גדול בין הקתודה לבין המסך, בעוד שטכנולוגיות אחרות מאפשרות לייצר צגים שטוחים.

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.

פליטה תרמיונית (Thermionic emission) 

פליטה זו מתרחשת כאשר מחממים את הקתודה לטמפרטורה גבוהה מספיק כך שחלק מהאלקטרונים מקבלים אנרגיה גבוהה דיה על מנת להשתחרר מהאלקטרודה. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך זרם האלקטרונים המתקבל גבוה יותר (מכיוון שלאחוז גבוה יותר של אלקטרונים יש אנרגיה מספיק גבוהה בשביל להתנתק מהאלקטרודה).

הפליטה התרמיונית התגלתה לראשונה בשנת 1873 על ידי דניאל לורדן, שהבחין שכדור טעון שלילית המחומם לטמפרטורה גבוהה, מאבד אט אט את המטען שלו. התופעה התגלתה מחדש על ידי תומאס אדיסון בשנת 1880 כאשר ניסה לחקור את הסיבות שחוטי הלהט בנורות שהוא המציא נאכלים עם הזמן, ומסיבה זאת התופעה נקראה גם "אפקט אדיסון". בהתבסס על ניסוייו של אדיסון, שילב ג'ון פלמינג (John Ambrose Fleming) פליטה תרמיונית בשפופרת קתודית וכך המציא את הדיודה הראשונה, בשנת 1904. המחקר החשוב ביותר והאפיון של התופעה התבצע על ידי אוון ריצ'רדסון (Owen Willans Richardson) ועל כך הוא זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1928.

גילוי הפליטה התרמיונית חולל מהפכה בניסויים בשפופרות קתודיות, שכן הוא איפשר לבצע את הניסויים בזרמים גבוהים של אלקטרונים, ובאופן זה גם פרץ את הדרך לשימושים המעשיים בשפופרות קתודיות. כך לדוגמה, בצגי טלוויזיה, הקתודה שבתוך תותח האלקטרונים היא למעשה חוט להט המחומם לטמפרטורה גבוהה (כאלפיים מעלות), וכך מתאפשר זרם מספיק של אלקטרונים בשביל ליצור צבעים בוהקים על המסך.

האפקט הפוטואלקטרי 

כאשר האלקטרודה מוארת באור בתדר מתאים, אלקטרונים יכולים לצבור מספיק אנרגיה על ידי בליעה של אור, על מנת להשתחרר מהאלקטרודה.

האפקט הפוטואלקטרי התגלה לראשונה על ידי היינריך הרץ אשר גילה שאור אולטרה סגול גורם לאוויר להיות טעון יותר. ג'יי ג'יי תומסון היה הראשון להשתמש בשפופרת קרן קתודית כדי לחקור את האפקט הפוטואלקטרי, ואחריו המשיך בכך פיליפ לנארד. מחקריהם הניבו שורה של תגליות: הסתבר שכמות האלקטרונים הנפלטים מהקתודה תלויה בעוצמת האור, כי מהירות האלקטרונים קשורה לאורך הגל של האור (או לתדר שלו) וכן כי קיימת תופעת סף – תדר מינימלי או אורך גל מקסימלי לפליטת אלקטרונים. את שלל התופעות הניסיוניות הללו הסביר באופן תאורטי אלברט איינשטיין, בשנת 1905, על בסיס ההנחה (שמקורה בעבודותיו של מקס פלאנק על קרינת גוף שחור) שהאור איננו רק גל, אלא ניתן גם לתיאור כמורכב מחלקיקים, הקרויים היום פוטונים. ההסבר של איינשטיין נחשב היום לאחת מאבני הדרך החשובות בדרך לביסוס תורת הקוונטים, ובזכותו קיבל איינשטיין פרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.

שפופרת הריק

אחד הרכיבים האלקטרוניים הבסיסיים והחשובים ביותר הוא הדיודה: התקן המעביר זרם בכיוון אחד בלבד. הדיודות הראשונות התבססו על שפופרות קתודיות ונעזרו בתופעת הפליטה התרמיונית. המונח שפופרת ריק משמש לתיאור שפופרת קרן קתודית שאינה ממולאת בגז, ומשמשת כרכיב אלקטרוני (דיודה, מגבר ועוד).

דיודה המבוססת על שפופרת ריק (דיודת ואקום) כוללת שתי אלקטרודות הנמצאות בתוך שפופרת ריק, אשר אחת מהן מחוממת לטמפרטורה גבוהה (באופן טיפוסי, משתמשים בחוט להט כאלקטרודה, בדומה לחוט הלהט שנמצא בתוך נורות חשמליות). אם מפעילים מתח חשמלי שלילי על האלקטרודה החמה, האלקטרונים המשתחררים ממנה מואצים אל האלקטרודה החיובית, ומתקבל זרם חשמלי; לעומת זאת, אם הופכים את המגעים ומחברים לאלקטרודה החמה את המתח החיובי, לא יתקבל זרם, כי האלקטרונים נמשכים בחזרה אליה. מכאן שהדיודה משמשת כהתקן המעביר זרם חשמלי רק בכיוון אחד. ג'ון פלמינג השתמש בדיודה על מנת לבנות מיישר זרם בשנת 1904. רוברט פון ליבן (Robert von Lieben) ולי דה פורסט (Lee De Forest) הוסיפו אלקטרודה נוספת, בצורה של רשת, בין הקתודה לאנודה, והראו שהפעלה של מתח קטן על אלקטרודת הרשת מאפשרת לשנות בצורה חזקה את הזרם העובר בשפופרת. המצאתם היא למעשה המגבר הראשון.

המצאת הדיודה סללה את הדרך לבנייה של מעגלים אלקטרוניים וכך הביאה לשלל המצאות חדשות כגון הרדיו והמחשב. למעשה רוב המכשירים האלקטרוניים עד לשנות השבעים של המאה ה-20 התבססו על שפופרות ריק. בשנת 1948 הומצא הטרנזיסטור המבוסס על מוליך למחצה, שניתן להשתמש בו כתחליף לשפופרות ריק, ומאז ואילך האלקטרוניקה עברה בהדרגה לשימוש בהתקנים מוליכים למחצה.

החיסרון העיקרי של דיודות המבוססות על שפופרות ריק הוא זמן חיים קצר יחסית, בשל בלאי והרס הריק והתפוררות הקתודות החמות. בעיות נוספת של שפופרות ריק, לעומת ההתקנים המבוססים על מוליכים למחצה, הן קושי במזעור הדיודות (הטכנולוגיה של התקנים מוליכים למחצה השתפרה לאורך השנים באופן שאיפשר להקטין את גודל הטרנזיסטורים למחצית בכל שנתיים לערך, תופעה הנקראת חוק מור) וצריכת הספק גבוהה כתוצאה מהצורך בחימום הקתודה.

היתרון העיקרי של שפופרות ריק הוא כי ההתנהגות שלהם קרובה מאוד לאידיאלית (ליניאריות בתחום רחב) לעומת התקני מוליכים למחצה, שתחום הליניאריות שלהם מוגבל. מסיבה זאת עדיין נעשה שימוש כיום בשפופרות ריק, בעיקר כמגברים במערכות מוזיקה יוקרתיות, שכן הצליל המופק בעזרתן נחשב לטוב יותר.

ניסוי פרנק הרץ

בשנת 1913 ביצעו ג'יימס פרנק וגוסטב הרץ ניסוי המבוסס על שפופרת קתודית, עליו הם זכו בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1925. הם השתמשו בשפופרת קרן קתודית שבתוכה הותקנה רשת, שעליה ניתן להפעיל מתח חשמלי, וכך להאיץ את האלקטרונים הנפלטים מהקתודה. פרנק והרץ, בשלב הראשון, מדדו את זרם האלקטרונים דרך הקתודה כפונקציה של האנרגיה הקינטית שלהם וקיבלו תלות חלקה וקבועה. בשלב השני הם הוסיפו לשפופרת אדים של כספית, וחזרו על הניסוי. במקרה זה הם גילו שהזרם המתקבל דרך הקתודה איננו פונקציה חלקה, כמו שניתן לראות באיור, אלא מראה התנהגות של עליות וירידות.

ההסבר להתנהגות זו נובע מההתנגשויות שבין האלקטרונים לבין אטומי הכספית. כל עוד האנרגיה של האלקטרונים נמוכה, ההתנגשויות ביניהם לבין אטומי הכספית יהיו אלסטיות, כלומר התנגשויות שבהם האלקטרונים לא מאבדים אנרגיה, אלא רק מוסטים ממסלולם, ולכן הזרם על הקתודה לא ישתנה. אולם, כאשר האנרגיה של האלקטרונים מספיק גבוהה, האלקטרונים יכולים לעורר את אטומי הכספית בהתנגשויות פלסטיות, ובשל כך לאבד אנרגיה. כתוצאה מכך, הזרם דרך הקתודה יפחת. אנרגיית הסף לעירור אטומי הכספית מתאימה למעבר רמות האנרגיה בתוך אטום הכספית.

הניסוי סייע לאשש את מודל האטום של בוהר שנוסח זמן קצר קודם לכן. למעשה ניסוי זה היה הניסוי הראשון שלא בא מתחום הספקטרוסקופיה שהראה שלאטומים יש מבנה של רמות אנרגיה.

שימושים נוספים

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.

לקריאה נוספת
Steven Weinberg, The Discovery of Subatomic Particles, Cambridge University Press, 2003
Paul Horowitz, Winfield Hill, The Art of Electronics, Cambridge University Press, 1980
 הרצאת הנובל של לנארד על קרניים קתודיות.

קישורים חיצוניים
 אתר מקיף מאוד על שפופרות קתודיות היסטוריות 
 הרצאה בועידת TED על הולדת המחשב, העוסקת במחשבים המבוססים על שפופרות ואקום 
 הוראות בנייה לשפופרת קתודית ביתית 
 שפופרות גייסלר
 

פיזיקה: מתקני ניסוי ותצפית
היסטוריה של הפיזיקה
אלקטרוניקה