В статье пойдёт речь о достаточно примитивных ЭЛТ, которые относительно легко изготовить самому. Причём сделать такие намного проще, чем может показаться большинству любителей DIY.
Мой мотив для их создания должен быть очевиден. Это определённо не экономия денег на сборке ТВ. Скорее, дело в особой притягательности самого процесса. Сборка этих трубок закрыла один из моих давних гештальтов, который возник ещё в молодости. Тогда я любил иной раз заглянуть за телек, чтобы полюбоваться свечением нитей его электронных ламп и магическим светом самой ЭЛТ.
От проекта я хотел получить полноценное удовлетворение. Поэтому мне нужно было собрать реальные ЭЛТ, способные направлять электронный луч на люминесцентный экран и как минимум показывать фигуры Лиссажу за счёт отклонения этого луча с помощью магнитных катушек. К моей великой радости, все ЭЛТ с задачей справились.
Вот несколько фото и анимаций:
В основе этих ЭЛТ лежит холодный катод, то есть просто электрод, без нагревателя или нити накаливания. По сути, это модифицированные газоразрядные трубки, работающие с ионизированным воздухом в условиях легко достижимой степени вакуума всего в несколько сотен микрон. Не уверен в точности измерений, но полагаю, что моя 3-мм ЭЛТ работала при давлении выше 1 торра. Как правило, чем больше ЭЛТ, тем ниже должно быть давление вакуума. Думаю, самый крупный экземпляр, где в качестве экрана внутри большой трубки использовалось дно стеклянного флакона, работал в диапазоне от 100 до 300 микрон.
В качестве импровизированного источника высокого напряжения я подключил вывод автотрансформатора Variac к первичной обмотке трансформатора от неоновой вывески. Для выпрямления напряжения со вторичной обмотки я использовал высоковольтный диод с eBay. В качестве фильтра последовательно установил три конденсатора, параллельно подключив к каждому отдельный шунтирующий резистор на 10 МОм для равномерного распределения напряжения. Альтернативно можно реализовать ВВ выпрямитель, установив последовательно несколько диодов 1N4007, также с резисторами на 10 МОм. Без резисторов первым из строя обычно выходит самый слабый по напряжению диод, нагрузка на оставшиеся возрастает, и в конечном итоге поочерёдно отказывают все.
С таким БП можно легко корректировать напряжение от нуля до 5 кВ. ЭЛТ же исправно работали в диапазоне где-то от 2 до 5 кВ.
В каждой трубке между катодом и минусом источника питания я последовательно включил комбинированный резистор на 1 МОм. Чтобы обеспечить мощность рассеивания в 12,5 Вт при этом сопротивлении я использовал 25 резисторов на 0,5 Вт, спаяв их по схеме последовательно-параллельного соединения.
В подобных экспериментах всегда есть риск рентгеновского облучения, так что гарантировать их безопасность я не могу. Но, насколько я знаю, риск возникает, только при напряжениях выше 15 кВ. Я же во всех своих экспериментах использовал от 2 до 5 кВ.
У меня нет условий для создания качественных, вакуумированных устройств, поэтому мои ЭЛТ работают с подключённым вакуумным насосом. Давление я регулирую, открывая и закрывая кран вакуумной магистрали. Я использовал обычный механический насос, с какими работают мастера по ремонту холодильного оборудования, подключив его стандартными шлангами с фитингами на 1/4” под развальцовку. Профессиональные вакуумщики определённо не сочтут это решение удачным для подобной работы.
Думаю, при большом желании и упорстве одну из этих миниатюрных ЭЛТ можно было бы заставить работать и с помощью простой самодельной помпы, как описывалось в колонке Amateur Scientist журнала «Scientific American» 1966 года. Вскоре планирую попробовать.
Заблуждение насчёт ЭЛТ и цитата из работы Морриса и Ли
Существует глубокое заблуждение, что ЭЛТ не могут работать при столь высоком давлении из-за крайне малой длины свободного пробега молекул газа. Даже многие высокообразованные физики скажут вам, что ЭЛТ не способны работать при таких уровнях давления. Только при этом часто упускают из виду тот факт, что хоть длина свободного пробега молекул воздуха и крайне мала, у электронов этот пробег в тех же условиях во много раз больше.
И я хочу привести здесь выдержку из работы Морриса и Ли. Она взята из брошюры, которую я приобрёл у них в конце 60-х. В самой брошюре описывается много интересных экспериментов с глубоким вакуумом.
«Расстояние, которое может преодолеть молекула или элементарная частица, напрямую зависит от расстояния между свободными частицами вокруг неё. К примеру, молекулы воздуха при атмосферном давлении могут преодолевать в среднем несколько миллионных дюйма до отклонения в результате столкновения с другими молекулами. При давлении 1 мм рт. ст. молекула воздуха может успеть преодолеть примерно .002”, а электроны — около 3/8”. При давлении в 1 микрон эти расстояния увеличиваются до 2” и 30 футов соответственно».
Именно поэтому мои ЭЛТ прекрасно работали при таком уровне вакуума, который легко может обеспечить любитель. Отчасти, эта брошюра и вдохновила меня на их создание.
Представьте себе очень плотное поле астероидов, подобное тем, что мы видим в научно-фантастических фильмах. В этом случае легко заметить — чем больше астероид и чем быстрее он движется, тем скорее он столкнётся с другими астероидами. Но подобные сцены всегда разворачиваются на фоне непроглядной тьмы далёкого космоса. И здесь также легко представить, что можно выстрелить крохотной и быстрой пулей, которая пролетит мимо всех этих астероидов, не задев ни один из них. В действительности существует множество путей, которыми крохотный и быстрый объект может вылететь из поля астероидов по прямой, избежав столкновений.
Стандартная газоразрядная трубка
Стандартная газоразрядная трубка — это базовый элемент при создании ЭЛТ с холодным катодом. Диаметр такой трубки примерно один дюйм. Справа в ней находится отрицательный катод, а слева — положительный анод. При подаче сглаженного постоянного напряжения в несколько киловольт возникают выраженные страты и характерные разрядные процессы.
Процесс сборки
Критических параметров при сборке подобных ЭЛТ немного. Расстояние между анодом электронной пушки и катодом в моих экспериментах обычно составляло от 1” до 2,5”. При этом расстояние между пушкой и экраном может сильно отличаться. Главное иметь в виду, чем оно меньше, тем ярче итоговое изображение и выше давление, при котором может работать ЭЛТ.
Обратите внимание на фото всех моих ЭЛТ: одна была собрана из стеклянной трубки диаметром 1”. В качестве экрана я в ней использовал покрытое люминофором дно стеклянного флакона, который свободно в эту трубку поместился. Полученный экран оказался расположен напротив электронной пушки, и проецируемое изображение было лучше всего видно с её стороны. Расстояние между экраном и пушкой можно было легко менять, просто наклоняя ЭЛТ и перекатывая флакон из стороны в сторону.
В качестве электронной пушки выступает простая газоразрядная трубка с анодом, в котором я проделал небольшое отверстие. Электроны притягиваются к этому аноду с достаточной скоростью, чтобы пролетать через отверстие, формируя электронный луч. Если вакуумная полость простирается за пределы этого отверстия, то у нас получается электронно-лучевая трубка. Вот так просто! Электроны перемещаются через отверстие в вакуумную полость, где сталкиваются с любым препятствием на своём пути, будь то стенка сосуда, люминофор, бумага, металл, да что угодно. В конечном же итоге они всегда возвращаются обратно к положительному аноду, который остался позади.
Этот электронный луч можно легко отклонить с помощью магнитного поля, созданного расположенным рядом магнитом или токовой катушкой. Мне удалось реализовать это отклонение при помощи электростатической пластины, но здесь есть нюансы в сравнении с коммерческими ЭЛТ, где пластина находится в ионизированном газе. Подробнее об этом чуть ниже.
Большинство электронных пушек я сделал из обычных стеклянных трубок с внешним диаметром 5-6 мм. В качестве положительного анода (на фото выше) сгодится полоска толстой алюминиевой фольги с маленьким отверстием (можно вырезать из формы для выпекания). Обернув фольгу вокруг края трубки, её нужно проткнуть булавкой с торца по центру. Как вариант, для анода можно использовать и металлическую трубку малого диаметра. Я также собрал одну пушку, просто заузив нужный край стеклянной трубки и разместив анод в другом месте ЭЛТ.
В качестве катода (на фото не видно) можно взять алюминиевый сварочный прут и любым удобным способом герметично разместить его в противоположном конце трубки. Имейте в виду, что для минимизации распыления лучше использовать именно алюминий. Под распылением я имею в виду процесс, когда атомы металла разлетаются с катода и оседают на внутренней стенке трубки. Это уменьшает срок жизни ЭЛТ. У алюминия очень низкая скорость распыления в сравнении с другими металлами вроде меди или серебра.
Выступающие из резиновой пробки электрические контакты можно также изготовить из сварочного прутка диаметром 1/16” или меньше. Либо взять подходящий отрезок струнной проволоки. Просто зафиксируйте его в дрели и осторожно вкрутите.
Всю эту конструкцию с резиновой пробкой (видно на фото) можно вставить в более толстую (1”) стеклянную трубку или флакон. На чертеже ниже показано, как всё это выглядит. Прежде чем вставлять электронную пушку во флакон, я взял немного люминофора (из разбитой люминесцентной лампы), размешал с водой, разболтал эту смесь по дну флакона и оставил высыхать.
У каждой ЭЛТ есть некий оптимальный уровень вакуума, при котором она работает лучше всего. И это всегда максимальный уровень (то есть минимальное давление), какого можно достичь, пока не прекратится электронный разряд. В любой разрядной трубке он прекращается, когда давление опускается до достаточно низкого уровня. Чем меньше диаметр трубки, тем при более высоком давлении она сможет работать. Из этого следует, что ЭЛТ с электронной пушкой малого диаметра должна функционировать при более высоком давлении, чем та, где у пушки диаметр больше. То есть ЭЛТ с «мелкокалиберными» электронными излучателями из-за более высокого рабочего давления и меньшего пути луча обычно будут иметь меньший размер.
Есть множество материалов, которые будут давать свечение при столкновении с ними луча электронов. Если комнату затемнить, то в области контакта луча со стенками стеклянного сосуда можно увидеть голубое пятно.
Как я уже сказал, для покрытия экранов большинства своих ЭЛТ я использовал люминофор, который собрал из лампы, разбившейся при падении на пол несколько лет назад. Выругался я тогда знатно, но потом понял, что у меня появилась возможность собрать материал, с которым я давно хотел поэкспериментировать. Люминофор — это мелкий белый порошок, который можно легко наскрести с осколков люминесцентной лампы. А для сборки ЭЛТ его нужно очень немного. Этот порошок является одним из лучших претендентов на покрытие экрана трубки, так как в этом и есть его изначальное назначение — светиться при бомбардировке электронами. Я просто смешал люминофор с небольшим количеством воды, нанёс на дно ЭЛТ и оставил высыхать.
Да, да, да!!! Я прекрасно знаю об угрозе отравления при контакте с содержимым люминесцентных ламп, но считаю, что эти угрозы всё же не такие серьёзные, как те, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Однако имейте в виду, что при извлечении люминофора из ламп вы делаете это на свой страх и риск. У меня есть своё мнение, но я точно не эксперт, чтобы раздавать советы насчёт сопутствующих угроз. Скажу лишь, что с юных лет много раз слышал предостережения об особой опасности пореза осколком люминесцентной лампы.
Я также выяснил, что при низком освещении в качестве экрана может выступить и кусок бумаги, закрашенный маркером. Это может стать эффектным приёмом, если вы хотите впечатлить свою подружку. Такой экран, как можно догадаться, лучше всего читается, когда смотришь на него со стороны электронной пушки. Однако вскоре область, которой доставалось от электронов больше всего, начала выгорать. Возможно, стоит попробовать в качестве экрана плоский кусочек керамики, также закрасив его маркером. Такой экран должен хорошо подойти для просмотра с обратной стороны. Вот только у меня подходящей керамики нет, поэтому проверить не удалось.
Ещё под лучом электронов будет светиться порошок-отбеливатель Clorox. Я его тоже не пробовал, но если этот порошок хорошенько перемолоть и превратить в пасту, добавив немного воды, то из него получится пригодный экранный люминофор. Правда, маркер и порошок-отбеливатель под электронным лучом светятся явно хуже, чем под УФ.
Иллюстрации
На рисунках ниже показана схема типичной ЭЛТ с использованием обычного стеклянного флакона. Размер такой трубки может быть почти любой. На втором изображении крохотная ЭЛТ с внешним диаметром 3 мм.
В этой миниатюрной ЭЛТ расстояние от анода до экрана и от катода до анода составляет примерно 1/8” — 3/16”.
Для изготовления её экрана я нагрел стеклянную трубку до расплавления и вытянул в тонкую нить. Разорвав эту нить надвое, я снова поместил её в пламя, чтобы сформировалась маленькая сфера. Полученную сферу я вынул из огня и спрессовал между двух предметных стёкол, оставив так до остывания. Пришлось повторить этот процесс раза четыре, чтобы не сломать хрупкую деталь при отламывании остатка нити. После этого я приклеил готовую пластинку к торцу трубки на эпоксидный клей.
Прежде чем вклеивать анод, я засыпал в трубку немного люминофора и встряхнул её, чтобы он осел на экране.
В качестве электронной пушки использовался отрезок латунной трубки длиной 3/8” и диаметром 1/16”. Чтобы заузить край, направленный на экран, я зажал трубку в патроне дрели и слегка «заточил» о стальную пластину.
Запуск ЭЛТ
Опишу принцип работы подобных ЭЛТ. На анод подаётся высокое напряжение, и параллельно запускается вакуумный насос. Почти сразу электронная пушка начинает светиться. Когда давление падает, в ней возникают характерные светящиеся страты. Чем давление ниже, тем шире страты и тем ближе они смещаются к аноду, постепенно исчезая. Когда страт почти не остаётся, на экране начинает проявляться тусклое свечение. Это значит, что давление стало достаточно низким, чтобы часть проходящих через анод электронов начала долетать до экрана. При дальнейшем понижении давления пятно на экране становится всё отчётливее и ярче. В этот момент ЭЛТ работает при оптимальном уровне вакуума (давлении). Я всегда стараюсь удерживать систему в этом состоянии, закрывая/открывая кран магистрали насоса. При дальнейшем понижении давления свечение разряда в электронной пушке полностью затухает, а с ним затухает и экран. Перекрытие крана позволяет поднять давление, следом за которым возвращается и свечение.
Легко увидеть, как исходящий из разрядной трубки свет попадает на экран, формируя электронное пятно. В его реальности можно убедиться, если поднести к ЭЛТ магнит, который позволит легко перемещать пятно из стороны в сторону.
Чтобы отклонять луч электронным способом, нужно разместить рядом с трубкой катушки. Для управления центрированием подойдёт, опять же, магнит, размещённый на нужном расстоянии от ЭЛТ.
Электростатическое отклонение
Несмотря на то, что эти простые ЭЛТ хорошо поддаются магнитному отклонению, мне удалось реализовать вертикальное отклонение с помощью электростатической пластины. Я не сильно заморачивался, поэтому у вас вполне могут получиться другие результаты.
Электростатическая пластина для вертикального отклонения и магнитная катушка для горизонтального
Во всех своих экспериментах с ЭЛТ я подключал анод к земле, а на катод подавал отрицательное постоянное напряжение в несколько киловольт через резистор 1 МОм. Все показатели напряжения, подаваемые на отклоняющую пластину, были заданы относительно земли (положительного анода).
Для управления пластиной я использовал звук с аналогового синтезатора, подключив выход аудиоусилителя к повышающему трансформатору. На выход трансформатора последовательным включением добавил отрицательное напряжение смещения 200 — 300 В, чтобы аудиосигнал мог отклонять луч как в положительную, так и в отрицательную сторону. Использование горизонтально отклоняющей магнитной катушки, управляемой сигналом 60 Гц, позволило визуализировать звук точно так же, как он визуализируется при использовании осциллографа. Короткий ролик с фрагментами моего эксперимента есть на YouTube.
В ионизированном газе отклоняющая пластина действует несколько иначе, нежели в сверхвысоком вакууме, используемом в коммерческих ЭЛТ. В этом случае газ выступает проводящим экраном, препятствующим воздействию поля пластины или сетки. Я это выяснил в ходе экспериментов с самодельными электронными лампами. Когда внутренний остаточный газ ионизировался, сетка переставала влиять на электронный луч между катодом и анодом.
В коммерческих ЭЛТ отклоняющая пластина отталкивает электронный луч при подаче отрицательного напряжения и притягивает его при подаче положительного.
В случае ЭЛТ с холодным катодом я наблюдал, что при подаче на пластину отрицательного напряжения луч отклонялся ожидаемым образом. А вот если подавалось положительное напряжение, отклонения не происходило. Вместо этого луч становился более сфокусированным. Причём для этого пластине не требовалось находиться рядом с электронным лучом — она могла располагаться в любой части ЭЛТ.
Когда на отклоняющую пластину подавалось положительное напряжение, между ней и анодом возникал слабый ток.
На первый взгляд приведённое выше фото может показаться необычным. Кажется, будто они противодействуют друг другу. Но это вполне естественно, так как пластина отклоняет луч по направлению поля, а магнитная катушка — под прямым углом.
У меня не получилось реализовать с помощью пластин и горизонтальное, и вертикальное отклонение. Поэтому здесь для горизонтального отклонения я использовал катушку. Я где-то читал, что Браун — изобретатель ЭЛТ — пришёл к таким же результатам, когда пробовал применить к своей ЭЛТ с холодным катодом электростатическое отклонение.
Автор: Bright_Translate
