ЭЛТ-монитор разгонял электроны до 30% скорости света. Это был ускоритель частиц на 25 кВ

Если верить классификационным рекомендациям ICRU и IAEA, каждый второй российский офис до 2009 года был оснащён ускорителем заряженных частиц. Просто никто не читал документацию.

На строчном трансформаторе любого семнадцатидюймового ЭЛТ-монитора начала двухтысячных была выбита маркировка: 24.5 kV. Это рабочее напряжение маммографических рентгеновских трубок, электронных микроскопов и небольших лабораторных ускорителей частиц.

В статье я разберу, чем формально является ускоритель частиц, покажу, что ЭЛТ-кинескоп удовлетворяет всем критериям, посчитаю по релятивистским формулам скорость электронов внутри трубки, сравню её с LHC и расскажу, почему в 1967-м у американцев в гостиных стояли низкокачественные рентгеновские аппараты и никто этого не замечал.

Что вообще считается ускорителем

Задав себе этот вопрос, я полез читать скучные документы. По классификационным рекомендациям ICRU и IAEA, ускоритель заряженных частиц — это устройство, которое содержит:

• Источник заряженных частиц

• Узел ускорения в электрическом поле

• Систему фокусировки пучка

• Систему отклонения (опционально)

• Мишень или точку взаимодействия

И всё. Никаких требований по энергии, размеру, назначению или сложности. Линейный ускоритель в стоматологическом кабинете на 6 МэВ — ускоритель. Синхротрон ESRF в Гренобле на 6 ГэВ — тоже ускоритель. Циклотрон в подвале радиохимической лаборатории — тоже ускоритель.

Теперь возьмём электронно-лучевую трубку.

Анатомия кинескопа

Цветной ЭЛТ-монитор состоит из:

Катод — три спирали накала из вольфрама с оксидной активацией (типично BaO/SrO). При нагреве до 800–900 °C даёт термоэлектронную эмиссию. Это источник электронов, по три штуки на каждый цвет.

Анодный блок — несколько последовательных электродов с возрастающим напряжением. Первый ускоряющий анод обычно 300–500 В, фокусирующий 5–8 кВ, основной анод (графитовое покрытие на колбе) 20–30 кВ. Это узел ускорения.

Фокусирующий узел — электростатическая линза, формируемая разностью потенциалов между фокусирующим и основным анодом. Сжимает пучок до пятна диаметром 0.2–0.3 мм на люминофоре.

Отклоняющая система — две пары магнитных катушек на горловине трубки. Строчные катушки гонят пучок горизонтально на частоте горизонтальной развёртки (для VGA 800×600 при 85 Гц — 53 кГц), кадровые — вертикально на частоте кадровой развёртки.

Мишень — слой люминофора на внутренней стороне экрана. Для красного использовали Y₂O₂S:Eu³⁺ (оксисульфид иттрия, активированный европием), для зелёного ZnS:Cu,Al, для синего ZnS:Ag,Cl. Электрон бьёт в кристалл, выбивает фотон.

Источник, ускорение, фокус, отклонение, мишень. Один в один компоновка линейного ускорителя.

Я долго думал, не натянуто ли это сравнение. Потом полез смотреть, как сами инженеры RCA, Telefunken и Sony называли это устройство в патентах сороковых-пятидесятых годов. Cathode Ray Tube — катодно-лучевая трубка. Катодные лучи — это поток электронов в вакууме под действием ускоряющего напряжения. Это буквально формальное определение, под которое из массовой бытовой техники не подходит ничего, кроме ЭЛТ.

Откуда вообще берётся 25 киловольт

Из розетки в монитор приходит 220 вольт переменки, блок питания режет это до 5–24 вольт постоянки на плате. А на аноде колбы 25 киловольт. Между этими двумя цифрами лежит отдельная инженерная задача, которой в учебниках электроники обычно посвящают пару глав.

Решение классическое: трансформатор строчной развёртки (в советской и постсоветской документации ТДКС, трансформатор диодно-каскадный строчный) плюс умножитель напряжения. ТДКС работает не на сетевых 50 Гц, а на частоте строчной развёртки, 15–110 кГц в зависимости от режима. На такой частоте магнитопровод получается в десять раз меньше и легче, чем у обычного сетевого трансформатора той же мощности. Поэтому ТДКС помещается на плате размером с ладонь, а не занимает половину корпуса.

Дальше работает выходной каскад. Силовой высоковольтный транзистор (классика жанра — BU2520, 2SC5388, S2055) переключает ток в катушке строчной развёртки на каждой строке. Когда транзистор закрывается, индуктивный выброс на первичной обмотке ТДКС создаёт во вторичке импульс в несколько киловольт. Этот импульс попадает на диодно-конденсаторный каскад, залитый компаундом прямо в корпус ТДКС (поэтому ТДКС в ремонте меняется целиком).

Каскад — это умножитель Кокрофта-Уолтона. Цепочка из диодов и конденсаторов, каждая ступень которой добавляет к выходу 2·V_peak. Для n ступеней:

V_out = 2n · V_peak

В цветном кинескопе стоит обычно 5–8 ступеней. Каскад превращает 3–5 кВ переменки со вторички ТДКС в 25–30 кВ постоянки на аноде. Ток при этом мизерный, единицы миллиампер — пучку электронов больше и не надо.

А теперь забавная деталь. Эта же схема, диодно-конденсаторный каскад, была собрана в 1932 году Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном в той самой Кавендишской лаборатории, где Томсон тридцатью пятью годами раньше открыл электрон. Кокрофт и Уолтон подняли своей установкой 800 киловольт, разогнали протоны и впервые в истории искусственно расщепили атомное ядро — лития-7 на две альфа-частицы. Нобелевскую премию за это им дали в 1951-м.

То есть в строчной развёртке любого ЭЛТ-монитора стоит прямой схемотехнический потомок установки, на которой первый раз раскололи ядро. Топология та же, диоды стали быстрее, конденсаторы дешевле, частота выше.

Считаем скорость

Берём типичный 17-дюймовый ЭЛТ-монитор начала двухтысячных с анодным напряжением U = 25 кВ.

Кинетическая энергия электрона, прошедшего эту разность потенциалов:

E_k = eU = 25 кэВ

Энергия покоя электрона:

E₀ = m_ec² = 511 кэВ

Отношение E_k/E₀ ≈ 0.049. Это уже не пренебрежимо малая величина. Считать нерелятивистской формулой v = √(2eU/m_e) нельзя — получим завышенный ответ на 3–4%, что для расчётов физика катастрофа.

Используем лоренц-фактор:

γ = 1 + E_k/E₀ = 1 + 25/511 ≈ 1.049

Скорость:

β = √(1 − 1/γ²) ≈ 0.302

В абсолютных единицах: v ≈ 9.06 × 10⁷ м/с, или 90 600 километров в секунду. Тридцать процентов скорости света.

Электрон проходит расстояние от катода до экрана (примерно 25 см для семнадцатидюймовой трубки) за:

t = 0.25 / (9.06 × 10⁷) ≈ 2.8 нс

Это время одного транзита. Для сравнения: период строчной развёртки VGA 800×600 при 85 Гц составляет около 18.9 мкс — то есть за одну строку проходит порядка 6 700 таких транзитных времён. Только не потому что пучок «стреляет» 6 700 раз (он непрерывен), просто чтобы почувствовать масштаб: пока луч медленно ползёт по строке слева направо, каждый отдельный электрон пролетает всю трубку насквозь за наносекунды.

Кстати, в продвинутых учебниках электронной оптики ЭЛТ-кинескоп берут как первую задачу при освоении релятивистской кинематики — именно потому что классическая формула уже даёт заметную ошибку.

Где это на шкале реальных ускорителей

ЭЛТ-монитор отстаёт от LHC по энергии электрона в 2.7 × 10⁸ раз. Но по принципу действия и по физическому семейству это одно и то же устройство. Электронный микроскоп тоже работает на 100–300 кэВ, и в трансмиссионных моделях (TEM) электрон точно так же ускоряется на одной разности потенциалов между катодом и анодом. Просто мишенью служит тонкий срез образца, а не люминофор — и регистрируют прошедшие или рассеянные электроны.

То есть электронный микроскоп — это, по сути, тот же кинескоп, только вместо люминофорного экрана тут гистологический образец и детектор за ним.

Рентген и стекло со свинцом

Когда быстрый электрон тормозится в плотном веществе, он излучает фотон. Это явление называется тормозным излучением. Спектр этого излучения непрерывный, обрывается на максимальной энергии электрона.

Для электрона с энергией 25 кэВ это значит, что при торможении внутри кинескопа — преимущественно в стекле лицевой панели и в металле теневой маски — генерируются мягкие рентгеновские фотоны с энергией до 25 кэВ. Люминофор тоже вносит вклад, но основная часть тормозного излучения приходится на более плотные материалы конструкции. Это тот же энергетический диапазон, что у медицинской флюорографии (только там работают на 50–80 кВп).

Чтобы пользователь не получал дозу, переднее стекло ЭЛТ-трубки делают из специального состава с добавкой оксида свинца, бария и стронция. Типичный экранный стеклоблок содержит до 22% PbO. Это полноценный рентгенозащитный экран толщиной 7–10 миллиметров. Внутренняя цилиндрическая часть колбы тоже стеклосвинцовая, но с меньшим содержанием (там и фон ниже).

В 1967 году General Electric выпустила линейку цветных телевизоров, в которых из-за дефекта шунтирующего регулятора анодное напряжение могло подниматься до 30–35 кВ вместо штатных 24. У некоторых моделей утечку рентгена замерили на уровне в 100 000 раз выше допустимого норматива. Отозвали 154 тысячи штук. После этого инцидента в США приняли Radiation Control for Health and Safety Act 1968 — закон, который регулирует все источники ионизирующего излучения, включая бытовые телевизоры.

Так что если у вас дома стоял ЭЛТ-телевизор и вы любили сидеть к нему вплотную, успокою сразу: уже с начала семидесятых производители держали утечку в пределах 0.5 миллирентген в час на расстоянии 5 см от экрана, а через метр сигнал не превышал природный фон. Но устройство, способное в принципе светить рентгеном — это уже рентгенотехника, пусть и хорошо отрегулированная, закрытая толстым свинцовым стеклом.

Связь с открытием электрона

В 1897 году Джозеф Джон Томсон в Кавендишской лаборатории работал с катодной трубкой Крукса — стеклянной колбой, в которой между двумя электродами создавался разряд при давлении 0.01–0.001 атмосферы. Томсон наблюдал отклонение катодных лучей в электрическом и магнитном поле, измерил траектории и из них вывел отношение заряда к массе частицы. Это была первая экспериментальная демонстрация существования электрона как отдельной частицы. В 1906-м Томсон получил за эту работу Нобелевскую премию по физике.

В том же 1897 году Карл Фердинанд Браун в Страсбурге построил первый осциллоскоп на катодной трубке с люминофором — отсюда и народное «трубка Брауна». В 1909-м Браун получил Нобелевскую премию — формально за беспроводной телеграф вместе с Маркони, но трубка к тому моменту уже стала стандартным научным инструментом.

Все ЭЛТ-телевизоры и мониторы, которые когда-либо производились, — прямые потомки той самой трубки Томсона и Брауна. Аноды стали мощнее, фокусировка точнее, добавились отклоняющие катушки и теневая маска для трёхцветного режима, но базовая физика не менялась с 1897 года.

Когда вы смотрите на советский «Рубин-714» или японский Sony Trinitron, вы смотрите на прибор, на котором был открыт электрон. Прям буквально — серийная промышленная версия экспериментальной установки 1897 года, которую сто лет производили миллиардами штук и продавали в каждый дом. Плюс рядом, в нескольких сантиметрах от трубки, тикает каскад Кокрофта-Уолтона из той же Кавендишской лаборатории, только тридцатью пятью годами младше. Получается, в одной семнадцатидюймовой бочке сидят сразу два нобелевских прибора из одного здания в Кембридже.

Я нигде не видел, чтобы это формулировали так напрямую. Обычно пишут «принципы те же», но не доводят мысль до конца. А мысль довольно простая: телевизор — это два нобелевских эксперимента, превращённых в массовый бытовой прибор.

Что взамен

LCD, OLED и MicroLED — это уже не ускорители частиц. Жидкий кристалл просто поворачивает плоскость поляризации света под напряжением, OLED-пиксель излучает за счёт рекомбинации электронно-дырочных пар в органическом полупроводнике. Никаких релятивистских скоростей, никакого тормозного рентгена, никакого свинцового стекла, никаких каскадных умножителей на 25 кВ.

Это нормально и даже в своем роде лучше — современные дисплеи тоньше, легче, не бликуют, точно цветопередают, не жгут электричество (250–300 Вт у среднего ЭЛТ-телевизора против 50–70 Вт у LED-телевизора того же размера). Но в чисто инженерном смысле мы спустились с уровня «ускоритель электронов в каждом доме» на уровень «полупроводниковая лампочка с трафаретом». Технологически — деградация, а вот эргономически и экологически — апгрейд.

Последний массовый ЭЛТ-телевизор был выпущен в Индии в 2015-м (Videocon). Электронно-лучевые мониторы исчезли с полок году в 2009-м. Сейчас купить рабочий 21-дюймовый Sony Trinitron на Авито можно за 5–15 тысяч рублей, и среди ретрогеймеров на них охота: для эмуляторов NES/SNES/PS1 нужен именно ЭЛТ, иначе картинка не та. Низкий input lag, мгновенный отклик пикселя, правильная нелинейная гамма, мягкое размытие subpixel-арта в полутона. На LCD это всё ломается. Так что CRT превратились из массового устройства в нишевой геймерский инструмент.

Кинескоп ушёл с рынка из-за веса, из-за энергопотребления, габаритов и стоимости свинцового стекла, которое тяжело утилизировать. А сама технология — катод, ускорение, фокусировка, отклонение, мишень — никуда не делась. Она осталась в электронных микроскопах, в рентгеновских трубках, в линейных медицинских ускорителях, и в синхротронах. Просто из массового устройства превратилась в специализированный инструмент за десятки и сотни тысяч долларов.