Ссылка на тот самый курс: https://www.youtube.com/user/Zefar91
В ответ на пост об одесском учителе-блогере, который преподает физику: мало кто знает, что также есть совершенно крутой популяризатор математики!
Ссылки на тот самый курс 100 уроков математики для школьников:
1. Съемка 2014 года: https://www.youtube.com/watch?v=j2ZZou7AanI&list=PL_Pq3r...
и
2. Съемка 2019-2020 года: здесь лучше качество, но пока еще не все лекции пересняты: https://www.youtube.com/watch?v=iB3iS5mY1h4&list=PLqBfxn...
PS
Помимо того, что Алексей Савватеев делает для популяризации школьной математики, он развивает и более серьезную математику:
- является научным руководителем Кавказского Математического Центра
- разъезжает по всей стране с лекциями для школьников, студентов, взрослых, университетов, бизнесов
- делает переподготовку школьных учителей
- неоднократно входил в шорт-лист финалистов премии "Просветитель" в номинации «Естественные и точные науки» -- в этом же шорт-листе был, к примеру, Станислав Дробышевский
- преподает в Московском Физико-Техническом Институте (вуз стабильно входит в топ-3 сильнейших российских вузов)
- создал и ведет собственный Ютуб-канал про математику, где за год набрал более 100 тысяч подписчиков: https://www.youtube.com/channel/UCWk8OxsylgmZ_VgY7jC9pjQ
А также записал курсы лекций по следующим темам:
3. Теория игр
4. Научно-популярный курс Математика для всех
5. Целая куча онлайн-курсов для Курсеры и OpenEdu
Плюс ко всему, написал книгу "Математика для гуманитариев", которую можно как купить в читальном магазине, так и абсолютно бесплатно скачать с его сайта: https://savvateev.xyz/book/
Уникальный человек!
Хомяки приветствуют вас друзья.
Сегодняшний выпуск будет посвящен любопытной электронной свече, пламя которой имеет необычную природу происхождения. Генератор факельного разряда, второе народное название которого "Факельник". Их существует несколько видов, конкретно этот собран на обыкновенном транзисторе. В ходе рассказа узнаем как настроить такую систему и рассмотрим факторы которые могут влиять на работу устройства. Параллельно будем экспериментировать с высокочастотными полями, зажигать экзотические лампочки, передавать энергию без проводов и в общем все как вы любите. Под конец попробуем довести генератор до критического состояния и посмотрим сколько он проработает.
Эта история начинается с одного человека, который написал мне в инстаграме что-то типа:
— Привет, я знаю как настраивать "Факельник"
Как раз в это время я пил пивас на кухне и думаю...
— Да, а чего это я не знаю как настраивать "Факельник", и начал разбираться
В принципе это устройство довольно простое, но из-за того что оно работает на высоких частотах свыше 10 мГц и довольно больших токах, в его основе должны лежать несколько специфические радиодетали.
Схема состоит всего из шести отдельных элементов и хомяк с любопытством спешит их изучить. Слева на право. Резонатор, дроссель по питанию, контурная индуктивность на керамике и контурный серый конденсатор, MOSFET транзистор на радиаторе и коричневый слюдяной конденсатор КСО. Эти кадры как вы понимаете снимались в самом конце, когда всё было настроено и резонансы были подогнаны друг к другу.
Принципиальная схема тут выглядит как те три березы в поле, но в них довольно легко можно потеряться. Более научно этот генератор называется Генератором Колпитца или ёмкостной трехтонкой.
Изначально вся схема существовала в виде навесного монтажа, но показывать такое, как бы не принято, потому обвес транзистора приобретает более красивый вид. Точней не так. Длина всех проводников в обвязке транзистора должна быть как можно короче, чтобы в них различных паразитных наводок было как можно меньше.
Тут стоит супрессор на 18 вольт параллельно подстрочному резистору и несколько обычных резисторов в делителе затвора. Так же на ноге истока параллельно питанию схемы сидят девять керамических конденсаторов по 10 мкФ, в теории должно быть 90 мкФ, а по факту 73 мкФ. MOSFET транзитор должен размещаться на большом радиаторе, так как нагрев в процессе работы будет адский. Дроссель по питанию намотан на ферритовом 25 мм кольце и имеет 20 витков проводом 1 мм. Были попытки намотать дроссель на обычной керамике, но работа схемы при этом выглядела без изменений. Ферритовое кольцо компактней и в теории должно фильтровать ВЧ помехи идущие от "Факельника" к блоку питания.
Справа от транзистора разместился непревзойденный конденсатор КСО. В переводе аббревиатуры называется "конденсатор слюдяной опрессованный", если в конце стоит буква Т то он еще и термостойкий. В детстве я такие артефакты на помойку выкидывал, не подозревая что современные пленочные конденсаторы обладают собственной индуктивностью и диэлектриком который греется на высоких частотах. Кроме того что внутри конденсаторов КСО находится слюдяной диэлектрик, так тут еще и обкладки состоят из настоящего серебра, правда его тут с гулькин нос, но тем не менее.
В общем когда мне понадобились такие высокочастотные конденсаторы, под рукой их конечно не оказалось. Небольшое количество для экспериментов мне прислал Юрий Попов, за что ему огромное спасибо. В дополнении к конденсаторам в почтовой коробке оказались детали к искровой катушке Тесла и многие другие ништяки, включая радиолампы. На цоколе одной из них есть надпись известного американского завода Westinghouse, это прямо коллекционный экспонат. Вообще мне по душе всякие старые радиодетали, потому в очередной визит на местный радиорынок я скупил все конденсаторы КСО которые там были. Как говориться: запас карман не жмет, положу их в сейф и буду нырять в них как Скрудж Макдак в свое золото)
Так как схема у нас резонансная и ее нужно будет иногда подстраивать, добавим в параллель КСО-шке пластинчатый воздушный конденсатор переменной емкости, которая составляет от 10 до 940 пФ.
Самые важные элементы в конструкции генератора. Контурная катушка индуктивности и контурная емкость. Начнем с индуктивности. Моталась она на керамической основе от какого-то советского радиопередатчика. Использовать в этом деле сантехнические трубы не рекомендую, пластик будет нагреваться ВЧ полем и вносить лишние потери в работу схемы. Индуктор имеет диаметр 35 мм, содержит 9 витков и намотан медным проводом диаметром 1.5 мм. Шаг между витками в высокочастотной технике используют для уменьшения паразитной межвитковой емкости внутри катушки индуктивности. При намотке таких вещей применяют посеребренные проводники, чтоб уменьшить скин-эффект возникающий при протекании переменного высокочастотного тока. Это уменьшает нагрев и в следствии улучшает характеристики контура.
Серый конденсатор. В данной схеме он не простой. К15У - это хитрая керамическая емкость которая имеет большую реактивную мощность. Грубо говоря это мощный конденсатор, который легко работает с большими переменными токами высокой частоты. У меня наверное со временем развилась какая-то болезнь, но при виде кучи конденсаторов у одного из торговцев черным деревом на радиорынке, тут же скупил все! Что касается точности, то 100 пФ значит 100 пФ несмотря на указанное 20-ти процентное отклонение.
Использовать конденсаторы КВИ-2 и КВИ-3 в схеме "Факельника" не рекомендую из-за их чрезмерного перегрева в процессе работы. Диэлектрик у них не предназначен для работы с такими высокочастотными токами.
Один знакомый прислал мне пару фоток, где у него КВИ-2 прекрасно выгорали как семечки. Что касается КВИ-3, то тут та же беда. Для сравнения, два конденсатора рассчитанные на одно и то же напряжение. Только у К15У емкость на 70 пФ меньше и при этом он по габаритам в два раза больше. Здесь размер как бы имеет значение) Вообще для этих дел идеально подойдут вакуумные конденсаторы, в них вообще нет диэлектрика. Нет диэлектрика - нет потерь, нет потерь - нет проблем. Только с габаритами тут выходит заминочка.
Следующий и последний элемент схемы факельного генератора это четвертьволновой резонатор. Грубо говоря это длинная линия в которой волны накладываются друг на друга, многократно усиливаются и вырываются в виде высоковольтного факела. В идеале его нужно мотать на керамической основе, но у меня она оказалась коротковатой для укладки нужной длинны провода. Потому в ход пошли сантехнические трубы диаметром 32 мм. Тут намотано 70 витков проводом 1 мм. На этой замечательной ноте рассмотрение отдельных частей схемы генератора можно считать исчерпывающим.
Теперь можно переходить к настройке. Вкратце про схему. Это обычный однотактный усилитель выполненный на одном полевом транзисторе. У него есть цепь смещения затвора, Г-образный фильтр, резонансный контур и делитель напряжения с положительной обратной связью на затвор, который превращает усилитель в автогенератор.
В начале нам необходимо отключить резонансный контур от схемы и выставить напряжения смещения на затворе. Для этого включим блок питания и установим на нем напряжение 20 вольт и ток скажем 3 ампера. Вставляем часовую отвертку в подстро́ечный резистор и начинаем его крутить в разные стороны. Наша задача поднять напряжение на затворе до такого уровня, когда ток покоя данного усилителя будет равен 100 миллиамперам. Напряжение при этом составило 3.6 вольта. Все, цифровой блок питания нам больше не понадобится, жалко если сгорит.
Заменим его импульсным блоком питания от ноутбука с напряжением 19 вольт и заявленным выходным током в 3 ампера. Интересно, но на активную нагрузку в виде нихромовой нити выходной ток равен 4 амперам, а напряжение просаживается до 10 вольт. А вот при работе с "Факельником" и напряжение что нужно, и ток выходит на ампер больше заявленного. Блоки от ноутбуков всегда удивляли своей выносливостью.
Что касается работы генератора, то все измерения в цепи питания рекомендую производить исключительно стрелочными приборами. Это связано с тем, что под воздействием высокочастотных полей все вокруг сходит с ума: вольтметр, амперметр который клещи, амперметр который китайский, разные электронные часы. Сходят с ума осветительные приборы, видеокамеры и люди, многие среди нас давно чокнулись, потому устройство действует не на всех. Шутка!
Вернемся к настройке устройства. Чуть ранее мы настроили ток покоя усилителя, теперь пора присоединить контур вместе с емкостным делителем напряжения и обратной связью.
Для начала индуктивность намотаем как можно больше, скажем 10 витков и по мере настройки будем их отматывать, если нужно. Как определиться с необходимой емкостью конденсатора? Берите 100 нФ и не ошибетесь. Проще отмотать пару витков от катушки индуктивности, чем каждый раз покупать новый конденсатор с другой емкостью. А шаг у них довольно большой, по 50 пик и выше.
Первое время пробовал подбирать емкость переменным конденсатором. Но из-за малого расстояния между пластинами их начинало шить высоким напряжением. А это не есть хорошо, так как он напрямую соединен с затвором транзистора. На многих форумах утверждают что после пробоя затвора высоким напряжением MOSFET моментально отправляется на помойку, но у меня все работает, шьет и работает. В дальнейшем этот конденсатор был вынесен на нижнее плече емкостного делителя напряжения, так безопасней и он как бы не для того был создан.
Отмотав один виток от контурной катушки индуктивности, мы смогли найти резонанс. Это выражено по максимальной амплитуде сигнала на осциллографа, максимальному току потребления на амперметре и по максимальному отклонению стрелки индикатора электрического поля. Напряженность в горячей точке контура будет настолько высока, что если коснутся ее отверткой то можно вытягивать довольно длинные толстые дуги. Конечно же соблюдая при этом все меры безопасности!
Индикаторов для измерения полей в процессе экспериментов использовалось два. Первый, что в классическом исполнении реагирует исключительно на электрическое поле и в зависимости от его напряженности будет отклонятся стрелка на шкале микроамперметра. Схема тут абсолютно не требует дополнительного питания.
Вкратце о работе стрелочного индикатора электрического поля. Сигнал, который наводится в антенне через разделительный конденсатор С1 поступает на диодный детектор построенный по схеме удвоения напряжения. Диоды здесь применены высокочастотные Д405. В результате на их выходе формируется постоянное напряжение, пропорциональное интенсивности сигнала поступающего на антенну. Конденсатор С2 является накопительным. Переменным резистором можно установить необходимую чувствительность устройства в процессе работы.
Второй прибор более современный. Но он уже реагирует на электромагнитные поля и в зависимости от их плотности по возрастанию будут загораться светодиоды, а питается он от батарейки типа крона.
Современная реализация индикатора электромагнитного поля представляет собой прибор, построенный на кучке микросхем. Это устройство не найти в сети всемирной паутины, им поделился один хороший человек, который специализируется в сфере аналоговых металлодетекторов.
Схема устройства довольно проста. На быстродействующем операционнике MC33174 построен усилительный и детектирующий каскад, сигнал с которого поступает на компараторы микросхемы LM339, компараторы открываются по очереди и поступают на микросхему логики "исключающее или", которая хитрым образом зажигает индикацию только по одному светодиоду. Мало потребляющий таймер LMC555 формирует отрицательное напряжение для работы операционника и компаратора. Давайте закажем несколько плат на сайте Pcbway и посмотрим как это устройство работает на практике. Архив со всеми полезностями можно скачать тут.
После того как все спаяно, важно намотать хорошую катушку с индуктивностью в 15 мГн и пропитать ее эпоксидом для жесткости. Размер катушки: внутренний диаметр 34 мм, внешний 42 мм, а высота намотки 8 мм. Предпочтительней делать плоскую намотку, но у меня не нашлось нормальной приспособы для этих дел. Плата спроектирована под корпус Z14. Данный детектор был разработан для определения плотности электромагнитного поля в катушках металлодетекторов.
Вернемся к факельнику. Катушку индуктивности с её ВЧ полем можно смело называть индуктором, так как внутри него можно спокойно нагревать металлы. Не до красна правда, но иголка разогревается достаточно чтобы воспламенить спичку. При длительной работе болт, который крепит керамику к основанию стеклотекстолита прожег в нем черное пятно.
О напряженности поля в индукторе можно судить по неоновой лампочке, которая ярко вспыхивает вблизи горячего конца контура. Часто пользуюсь неоновыми лампочками для определения напряженных мест, напрягает когда схема может пробить если дотронутся куда не нужно.
И так, мы настроили резонанс в контуре, теперь наша задача намотать резонатор с конца которого будет вырываться тот самый факел ради которого мы тут собственно и собрались.
Прежде чем мы перейдем к этой части, давайте посмотрим как в поле индуктора зажигаются высокочастотные спектральные лампы ВСБ-2. Для тех кто впервые про них слышит, это такие ампулы из кварцевого стекла, внутри которых находятся различные химические элементы.
К примеру, натрий будет светить желтым светом, а галлий сиреневым. Каждый химический элемент излучает свой спектр с узкими атомными линиями, которые используются для калибровки различных спектрофотометрических устройств. Думаю на эту тему будет отдельный фильм, там есть что рассказать.
Давайте проведем расчет длинны провода четвертьволнового резонатора. У нас известна рабочая частота 10.84 мГц. Воспользуемся простой формулой для определения длинны волны. Для этого скорость света нужно поделить на частоту, получаем 27.6 метра. Делим результат на 4 и получаем необходимую длину провода для четвертьволнового резонатора.
Дальше берем рулетку, отмеряем нужный кусок провода согласно расчетам и наматываем его на керамическую оправку. В принципе все просто, если бы не одно, но! Так как провод при намотке укладывается виток к витку, у нашего резонатора появляется межвитковая емкость, которая может увести частоту и делать из него катушку, в которой будет происходить черт пойми что.
Разряды в итоге вышли очень маленькие. Домотаем еще провода и посмотрим что поменяется. Разряды стали толще и длинней. Дальше была взята сантехническая труба диаметров 32 мм и на нее намотано примерно метров 10 провода. Отматывая по витку визуально проводим наблюдение за величиной факела. На определенной длине провода схема была согласована и огонек с легкостью вырывался с терминала резонатора. Отсюда вывод: много провода - плохо, мало провода - тоже плохо. Мотаем заведомо больше витков, отматываем и наблюдаем за работой устройства.
На схеме это выглядит как согласование антенны с задающей частотой контура. Один конец резонатора не совсем висит в воздухе, он создает емкость между свободным концом и землей. В общем тут все сложно. Мне в первые довелось работать с такими высокими частотами и все что вы видели ранее, настраивалось исключительно экспериментальным путем.
У кого-то может возникнуть вопрос. Имеет ли значение в какую сторону мотать четвертьволновой резонатор. Отвечаю - нет! Что по часовой, что против часовой, факел был практически одинаковым. Идеальной настройкой системы можно считать тогда, когда вся энергия с контура передается прямиком в резонатор, многократно усиливаясь по амплитуде, что в результате приводит к вырыванию факела с конца терминала. Резонанс тут настолько острый, что простое влияние руки, создающая дополнительную емкость, сносит его на нет. На самом деле частоты в 10 мГц не такие уж и большие, но все настолько тонко и критично.
В процессе работы MOSFET транзистор вместе с массивным радиатором будут сильно нагреваться, а пирометр показывал температуру от 80 до 100 градусов. Контурная катушка индуктивности греется примерно так же. Конденсатору К15У такие высокочастотные токи вообще нипочем, нагревается до 40 градусов. Отсюда вывод: что радиатор вместе с контуром нужно охлаждать, но тут есть одно но, в процессе работы поток воздуха будет сдувать факел. Потому лучше пусть схема три минуты работает и три обдувается.
Некоторые особенности и предостережения при работе с устройством. Все настройки, которые были показаны ранее проводились с напряжением питания схемы не превышающие 20 вольт. Этого достаточно чтобы получить факел размеров в сантиметр - полтора. Из-за большой напряженности поля вокруг резонатора, часто начинал мигать свет на осветительных приборах, там этим делом управляет процессор и ему становится плохо. Один человек говорил, что у него паяльная станция сгорела рядом с таким генератором. У меня же на фотоаппарате поле влияло на объектив и его электронную систему фокусировки.
Отсюда вывод: все измерения при настройке следует проводить дистанционно, не подключая щупы к отдельным частям схемы. Есть риск спалить осциллограф.
Так же старайтесь не касаться проводов питания и любых металлических предметов рядом с работающим генератором, есть риск получить ожог высокочастотным током, который в них наводится. Пока делал эксперименты с передачей энергии без проводов, все пальцы пообжигал. В квартире при этом стоял запах жареной курицы. Приготовление себя довольно интересное занятие, но такие вавки довольно долго заживают.
Передача энергии без проводов. Так как ранее мы намотали два практически идентичных резонатора, то по теории они должны работать в резонансе друг с другом. Это хорошо видно по горячей длинной дуге, которая тянется с нижней части никуда не подключенной катушки. Если тут наводится такая энергия, то ее можно использовать для питания какой-нибудь лампочки.
Подключаем ее к контактам катушки и видим, что ничего не горит. С проводов при этом продолжают тянутся довольно горячие дуги. Сопротивление в виде лампочки параллельно катушке похоже ухудшает ее добротность и потому ничего не выходит.
Если подключить ее последовательно с резонатором, то это кардинально все меняет. Конец лампы подключается на землю. Тут главное правильно подобрать расстояние между катушками, иначе нить накала перегорит. Если к земляному концу лампы коснутся рукой, через отвертку конечно же, чтобы ожоги не получить, то лампа тут же загорается, при этом через несколько секунд от ВЧ токов начинает активно нагреваться палец изнутри. Эффект микроволновки так сказать.
Многие писали в инстаграме, что ко мне домой вот-вот пожалуют радиочастотные службы на чашку чая с судовыми письмами. А ведь интересно, можно ли считать факельник радиопередатчиком? В проверке этого мифа мне помог один радиолюбитель, с которым мы живем практически по соседству, примерно в 5-ти километрах друг от друга. Он прямо фанат своего дела, у него дома куча различного оборудования, антенн и прочего интересного для выхода в радио эфир, его сканирования и прослушивания.
Мы с ним скоординировались и ровно в назначенное время начался эксперимент. Прием осуществлялся на USB приёмник RTL-SDR. Грубо говоря это такая штуковина, которая позволяет оцифровать и передать на компьютер кусок радиодиапазона, который комп обрабатывает и выдает картинку в виде водопада, где видно любые колебания что происходят в эфире. На частоте 11 мГц на протяжении всего испытания не было ни единого шороха. Прибор включали и выключали. На водопаде чистота и это несмотря на то, что в передатчик вкачивается почти 200 Вт мощности, с потерями на нагрев правда, но то такое. Для примера, старенькая игрушечная рация "Моторола" имеет мощность передатчика всего лишь в 0.5 Вт, но при этом пеленг пытался пробиваться с расстояния в 5 км.
Отсюда вывод: факельник способен забить эфир разве что вашим соседям по дому, которые слушали радио или смотрели футбол по телевизору. Потому радиочастотные службы могут спать спокойно. В отличии от моих соседей.
Переходим к самой интересной части программы. Какое же максимальное напряжение можно подавать на схему генератора? На форумах внятного ответа я не нашел, а проверить это имея регулируемый блок питания как два пальца. С увеличением напряжения растет длинна факела и незначительно вырастает ток потребления. Преодолев отметку в 50 вольт начал мигать свет. Помигал и перестал. Дальше двигаться нет смысла, просто наблюдал как долго оно проработает.
Как и полагается, все сгорело. Теперь по крайней мере понятно верхнюю границу мощности устройства, которую преодолевать не стоит. Настоящий джентльмен всегда и с интересом оценит разрушения, вызванные его экспериментом. Главное все делать в очках!
Температура радиатора составила градусов 200. Реактивная тяга с под ног транзистора заровняла текстолит, оставив черные следы. Закоптился так же радиатор, расплавился припой на smd конденсаторах. Ситуация с транзистором не совсем понятна, похоже переход сток-исток не выдержал издевательств, та как именно между этими ногами образовался прогар.
Меняем сгоревшую деталь и возвращаем генератор обратно в строй. Довольно компактное получилось устройство, ему не хватает только защиты от перегрева. Можно поставить на радиатор биметаллический датчик температуры, который будет размыкать цепь питания. Это важно, мосфеты как показала реальная практика сильно боятся перегрева.
Теперь давайте рассмотрим какие терминалы лучше использовать для выхода факельного разряда. Первый и самый тонкий это платиновая проволока, второй вольфрамовый электрод для сварки, третий вольфрам-ториевый электрод и четвертый это быстрорежущее сверло.
И так, платина в первые секунды начинает плавится, несмотря на то, что температура ее плавления почти 1800 градусов. Не подходит. Дальше вольфрам-ториевый электрод, вольфрамовый электрод и быстрорежущее сверло. Сказать что между ними есть какое-то отличие в работе, это ничего не сказать. За исключение вольфрам-ториевого электрода. Когда он прогреется, радиоактивный торий слегка ионизирует атомы воздуха, тем самым облегчая выход разряда из терминала. Температура плавления вольфрама сумасшедшая — 3422 °C, это абсолютный чемпион по тугоплавкости из всех существующих металлов.
Теперь давайте посмотрим как в высокочастотном поле загораются различные газоразрядные лампочки. Лампу дневного света мы уже видели, а ультрафиолетовую нет. Свечение у нее какое-то зелено-голубоватое что ли, на нее лучше долго не смотреть, а то и ослепнуть можно. Лучше возьмем что-либо попроще, это неоновая газоразрядная лампа ТН-30. У нее цвета переливаются из синего в красный, из красного в синий, довольно красиво. Спектральная лампа ЛТ-2 с содержанием талия. Оранжевым светит не талий, а тот же неон в качестве буферного газа. Разноцветные неонки. В общем набросал под факельник всего что было в хозяйстве.
Как по мне, самое красивое в этом всем эксперименте, это наблюдать как светятся различные экзотические лампы в необычной высокочастотной среде. Я не знаю что там происходит с яйцами в штанах, но злоупотреблять здоровьем своих соседей, а уж тем более своим, с такими высокочастотными полями в течении длительного времени не стоит.
Этот выпуск снимался около двух месяцев, а материала было отснято намного больше чем было показано. В дальнейших планах, куча интересных проектов. Ламповый факельник, различные спектральные лампы в ВЧ полях и прочий беспредел. Если все пойдет по плану конечно. Как было сказано в одной советской хронике...
Для справки. Этот выпуск и возможно два следующих появились благодаря людям в инстаграме, которые поделились своим опытом, материалом и знаниями в разных областях науки и техники. Прям как то название в том советском журнале "Наука и техника". Я то на самом деле обычный двоечник, который мало что учил в школе пытаясь понять как работает мир вне страниц книг и рамок школьного дневника.
Уникальный человек
В отдел полиции № 9 Екатеринбурга обратилась директор средней школы № 48. Женщина сообщила о том, что во время урока в дистанционной форме произошло постороннее вмешательство в систему, а на аватарке появился половой член.
«Во время урока истории в дистанционной форме ученик 9-го класса сбросил в группу NightRaid\Zoom во «ВКонтакте» ссылку на урок. Через некоторое время по этой ссылке на урок начали заходить посторонние лица, которые включали громкую музыку, матерились. Закончилось тем, что детям показали половой орган», — рассказал ЕАН источник в полиции Екатеринбурга.
https://eanews.ru/news/v-yekaterinburge-vo-vremya-distantsio...Хомяки приветствуют вас друзья!
Сегодняшний пост будет посвящен аппарату для точечной контактной сварки аккумуляторов типа 18650 и прочих. В ходе соберем такое устройство, разберем основные принципы его работы и детально изучим сваренные места под микроскопом. Аккумуляторам сегодня придётся нелегко. Казалось бы сварочный аппарат, который в буквальном смысле состоит из одного трансформатора и контроллера, что тут может пойти не так?!
Представьте себе, что одним прекрасным утром у вас сдох шуруповёрт. Крутить шурупы отверткой не царское дело, потому нужно решать проблему. Виновниками этого происшествия стали никелевые аккумуляторы, которые преждевременно отправились в Вальхаллу пить вино и сражаться на мечах. На смену им пришли компактные, высокотоковые литий-ионные аккумуляторы, которые по характеристикам в разы превосходят своих предшественников.
По технологии такие банки соединяются точечной контактной сваркой, которая приваривает токопроводящую ленту к телу аккумулятора. Использовать паяльник тут не рекомендуют из-за возможного перегрева внутренностей батареи, что может привести к преждевременному выходу ее из строя. Устанавливаем на сборку так называемую BMS плату с балансиром и собираем шуруповёрт. Теперь он работает как новенький.
На идею создания сварочного аппарата меня подтолкнул Витя. Человек который ремонтирует в буквальном смысле всё. Для перепаковки аккумуляторных батарей в различных устройствах он как раз применяет аппарат для точечной кантатной сварки. Соединение тут получается настолько прочным, что лента в буквальном смысле отрывается с потрохами. Меня впечатлил данный аппарат, и нужно было разобраться что и как в нем работает.
На самом деле тут все оказалось довольно просто. Сердцем устройства выступает трансформатор от микроволновки с перемотанной вторичной обмоткой, и контроллер который обеспечивает подключение первичной обмотки МОТ-а к питающему напряжению сети на необходимое время для формирования сварочного импульса. Так же нам понадобиться блок питания для контроллера, пару медных кабельных наконечников, сетевой провод сечением в 1.5 кв. мм. и корпус, в котором разместиться все электроника. У меня давно валялся 700 Вт МОТ с отрезанной вторичной обмоткой, как раз появился повод куда-то его пристроить.
Извлекаем магнитные шунты и аккуратно зачищаем отверстия куда будет вставляться толстый провод. Особое внимание уделяем краям, они довольно острые и легко могут повредить изоляцию кабеля.
Что касательно самого кабеля, тот тут лучше не экономить и взять вот этого товарища. РКГМ сечением 25 кв. мм. Производство Россия "Рыбинсккабель". Это хитрый многожильный провод с изоляцией из кремний-органической резины повышенной твердости, в оплетке из стекловолокна пропитанного эмалью или теплостойким лаком. Он очень тонкий и гибкий. Изоляция провода абсолютно равнодушна к повышенным температурам, пламя зажигалки едва способно вызвать хоть какое-то тление. Длинна термостойкого змея 2.2 метра.
Внутренние отверстия магнитопровода смажем вазелином. Ту же процедуру проводим с кабелем. Несмотря на то, что кабель достаточно тонкий по сравнению со своими более дешевыми собратьями, в трансформатор нужно попытаться вместить 4-5 витка. Но вот незадача. 700 Вт МОТ позволяет вместить в себя только 3 витка. Не беда! На помощь приходит система рычагов и отвёрток. В общем, включив смекалку и мотаем 4 витка в такой небольшой трансформатор.
Кабельные наконечники. Хорошие, медные, на 25 квадратов. По технологии их нужно обжать специальным гидравлическим прессом. Пайка тут не рассматривается из-за возможного нагрева провода в процессе дальнейших экспериментов. Обжим провода тут проходит в 6- гранной матрице, которая равномерно обжимает медную гильзу со всех сторон, создавая качественное соединение. После опрессовки на наконечнике могут образоваться небольшие ушки, их необходимо удалить с помощью напильника. В результате у нас получаться красивые обжатые наконечники на концах провода.
Теперь их необходимо соединить к медным шинам на ручке для контактной сварки. Болт тут диаметром 8 мм и длинной 20 мм. Обязательно устанавливаем шайбу Гровера, она обеспечит надежный прижим, если соединительный узел ослабиться в процессе работы.
Самую простую ручку для контактной сварки можно заказать на алиэкспресс. Но мне приглянулся более продвинутый вариант созданный одним народным умельцем. Зовут его Генадий Збукер. Он сам собирает сварочные аппараты, дополняет их ручками которые сам проектирует и печатает на 3D принтере. Называется такая конструкция держатель электродов точечной сварки "ZBU 5.1" с кнопкой и пружинами. 3D модели ранних версий, таких ручек, можно найти на сайте Thingiverse, автор позаботился чтобы при желании каждый мог собственноручно сделать подобный держатель для электродов. Это заслуживает уважения! Так же у него на сайте можно заказать расходные материалы (не реклама, а рекомендация).
Что касаемо ручки для контактной сварки. Выполнена она довольно качественно. Печать корпуса тут осуществляется ABS пластиком. Особенность версии "5.1" в том, что на борту есть два вентилятора, которые способны охлаждать медные шины в процессе непрерывной работы. Питаются они от 5 вольт через разъем micro USB. Ток потребления не более 300 мА.
Из практики скажу, что нагреть ручку за время всех экспериментов мне так и не удалось. Электроды тут подпружиненные и имеют кнопку "концевик", которая при определенном усилии прижима срабатывает и дает команду на сварку. Это сжатие обеспечивает хороший электрический контакт со сварными поверхностями, гарантирует повторяемость качества сварных точек, устраняет образование искр и прожогов аккумуляторов. Именно из-за нагрева и одновременному сжатию заготовок такой способ сварки называли «электрической ковкой». При желании конструкцию электродов на ручке можно изменить для двухсторонней сварки.
Электроды выполнены из жаропрочной хромовой бронзы БрХЦр. Поскольку электроды при сварке быстро изнашиваются, к ним предъявляются требования по стойкости сохранения формы при нагреве до 600 градусов и ударных усилиях сжатия до 5 кг на квадратный миллиметр. В процессе работы такие электроды особо не прилипают и не обгорают. Импульс тока сварки аккумуляторов должен быть очень коротким, иначе есть шанс прожечь дыру в корпусе, что приведет к выходу его из строя.
Задача по управлению длительности импульса лежит на довольно простом контроллере, который был взят с одного сайта. Устройство собрано на базе Arduino NANO, с применением жидкокристаллического дисплея для вывода полезной информации. Управление по меню осуществляется с помощью энкодера. Элементарно и просто подумал я, и начал собирать устройство из имеющихся в хозяйстве модулей.
Функционал контроллера довольно простой. Он выдает два последовательных импульса с паузой между ними. Первый импульс называется "присадочным", а второй "основным". Он приваривает метал друг к другу. Все переменные времени импульса регулируются с помощью энкодера, включая паузу между ними. Управление силовым трансформатором осуществляется c помощью довольно мощного симистора на 40 А. Он устанавливается по входу первичной обмотки. Маркировка BTA41-600.
Для удобства пользования контроллером, все его модули можно разместить на одной плате. Это позволит не путаться в куче проводов идущих от ардуины. Травим плату и смотрим как все функционирует. Лампочка мигает, значит схема собрана правильно. Вид самодельных плат на сегодняшний день постепенно уходит в закат, потому что их производство выгодней заказывать в Китае. Цена правда от размеров во многом зависит, но это уже другой вопрос.
Размещаем модули контроллера для контактной сварки согласно своим указанным местам. Вы уже наверное обратили внимание, что контакты на плате позолоченные. Интересно было посмотреть как они себя покажут в процессе пайки. Особенность позолоченных контактов заключается в том, что они не подвержены различным видам окисления на поверхности металла, что позволяет хранить платы довольно длительное время. Это актуально для больших производств. Также припой растекается по таким контактам как масло по сковороде.
После сборки устройства на плату ардуины нужно загрузить скетч. Делаем это через программу FL Prog буквально в несколько кликов. Программа за пару секунд заливается в мозг и на экране высвечивается все нужные настройки для дальнейшей сварки.
Теперь сделаем красивую панель управления. Для этого нужно разметить все необходимые окна и будущие отверстия на пластиковой панели. Окна аккуратно вырезаем бормашиной, а отверстия сверлим тем шуруповёртом, который мы отремонтировали в начале.
Размещаем внутри корпуса МОТ, импульсный блок питания на 12 вольт и запихиваем внутрь сетевой провод. Длинна его полтора метра. Распределяем все необходим провода по своим разъемам, и в принципе все. С электроникой разобрались.
В результате всех манипуляций у нас получился довольно красивый контроллер для точечной сварки. Силовые провода выводятся через отверстия в верхней крышке корпуса. Тут же разместился разъем для подключения кнопки "концевика". Все эстетично и просто. Вроде как показалось мне. Все подписчики канала знают, что ничего просто так не бывает. Что-то, да должно пойти не так. И это один из тех случаев! Пора проверить аппарат в деле.
Для сварки возьмем старый аккумулятор и никелевую ленту толщиной 0.15 мм. Установим время сварки 20 мс для каждого импульса. Это соответствует одному периоду переменного напряжения из сети. Если там 50 Гц, то это одна пятидесятая. В результате испытаний оказалось, что на самых коротких выдержках времени, ленту не то чтобы варит, а прожигает насквозь. Теперь это не аккумулятор, а сплошная вентиляция...
На других банках сварка проходила несколько иначе, прожиг был меньше, но зато лента между электродами разогревалась до красна. Это было довольно любопытно. При том на одних аккумуляторах лента приваривалась так, что ее практически не оторвать, а на других при том же времени сварки эффекта не было вообще. Лента в прямом смысле отлипала от корпуса, оставляя только две вмятины на металле. Разобраться в проблеме помог цифровой осциллограф, который способен записать сигнал для его дальнейшего изучения.
Причиной прожига аккумуляторов стало время работы силового трансформатора, которое не соответствует установленным значениям. Проблема тут явно программная, так как скечт разработчика неоднократно загружался на другую ардуинку, но результата это не дало.
Сейчас по нашим установленным параметрам сигнал на оптопаре должен быть 10 и 60 мс. А по факту это время в несколько раз затянуто, 80 и 125 мс. Естественно этого времени хватает чтобы перегреть никелевую пластину между электродами и в некоторых аккумуляторах прожечь дно.
Если среди вас есть программисты, у меня просьба, посмотрите код и найдите там ошибку. Это хороший с точки зрения простоты и повторения проект, но он оказался с котом в мешке.
Мы пытались разобраться в дебрях данного кода, но максимум на что хватило знаний так это на визуализацию картинки при загрузке программы. В общем далекий я в этих дела, да и ладно!
Нужно выходить из ситуации.
В Китае есть готовые контроллеры для точечной сварки, заказываю и жду. Это одна из самых продвинутых версий плат. Модель NY-DO2X. Кроме того что она дает двойной импульс с паузой, так еще тут есть возможность регулировать мощность. Симистор тут установлен BTA100 рассчитанный на ток в 100 ампер. Рабочее напряжение 1200 В.
Размечаем и выпиливаем отверстия под новую панель управления. На этом этапе не торопимся чтобы не отрезать чего нибудь криво. На плате видим несколько разъемов. На первый слева подается переменное напряжение номиналом в 9 вольт. На второй подключается кнопка от держателя электродов или внешняя педаль. Второй вариант хороший, если у вас ручка без кнопки, или же вам просто нравится работать с педалями. Трансформатор для питания платы можно выковырять из какого-нибудь старого блока питания от домашнего телефона. Тока в 300 мА хватит с головой.
В общем пробуем варить ленту к аккумулятору. Нажимаем на ручку, идет импульс и что у нас тут. Проварка толком не произошла и лента прилипла к электродам. Такое чувство как будто у трансформатора на 700 Вт не хватает мощности для проварки ленты на коротких выдержках. Не вопрос, одеваюсь и еду на радиорынок за более мощными микроволновочным МОТ-ами.
Слева направо трансформаторы: 700 Вт, 800 Вт и 900 Вт. Чем больше магнитопровод, тем больше мощность. Тут видно на сколько 900 Вт вариант больше своего предшественника. Размеры: длинна 106 мм, высота 89 мм, ширина 66 мм.
Более продвинутые сварочники можно делать на софМОТах от отечественных микроволновок, но во-первых для них нужен огромный корпус, во-вторых это вес, в-третьих рука на такой редкий артефакт не у каждого поднимется. Не будем злить бога, и пустим под нож трансформатор привезенный с радиорынка. Спиливать вторичную обмотку удобней всего ножовкой по металлу. Медь довольно мягкая, потому режется довольно быстро.
Выбиваем провод из сердечника железным стержнем. В общей сложности данная операция занимает 20 минут. Медные косы не выбрасываем, а сдаем на металл и покупаем пиво. Обязательно извлекаем магнитные шунты, которые установлены для мягкой работы магнетрона и зачищаем края отверстий в магнитопроводе как это было показано ранее. В такой большой трансформатор без труда помещается 4 витка. При желании можно вместить и 5-тый, но я не стал переводить вазелин) Последовательно с мощным симистором припаиваем первичную обмотку только что перемотанного МОТ-а. Не жалеем припоя и делаем все как для себя.
Схема соединения просто элементарна. Справится даже ребенок. Пора испытать этот "второй" сварочный аппарат собранный в течении одного фильма. В одном из следующих выпусков будет вообще тройное фиаско политое сверху толстым слоем шоколада, там я еще на 600 баксов влетел, взяв поюзать чужую инфракрасную камеру. В общем канал это дорогое удовольствие. Впитывайте чужой опыт и чужие ошибки. В отличие от меня, вам за них платить не нужно.
Все бесплатно.
Краткое руководство по использованию китайского контроллера. Зажимаем и держим красную кнопку примерно 4 секунды. Устройство при этом зайдет в режим калибровки сетевого напряжения. Его нужно выставить согласно реальным показаниям мультиметра вставленного в розетку. Зачем нужна эта функция, непонятно, но установленные цифры будут меняться пропорционально напряжению в сети.
Что означают лампочки над цифрами? Первый светодиод говорит о наличии питания. Второй светодиод горит когда нажата кнопка на ручке. Третий загорается только в момент наличия импульса. В общем первые три красные светодиода чисто информационные. Четвертая зеленая лампочка - это счетчик наработки, суммирует каждое нажатие на педаль или "концевик" внутри сварочной кучки. Сбрасывается счетчик двойным нажатием на красную кнопку. Дальше оранжевый светодиод. Первый устанавливает длительность "первого импульса". Выбирается он в периодах. Установим один что будет ровняться 20 мс. Второй светодиод задает мощность импульса. Поставим скажем 35 процентов. Минимум 30 максимум 99.9%. Зеленый светодиод между оранжевыми определяет паузу между импульсами. Так же в периодах. Поставим 2. Последние два оранжевые светодиода так же определяют длительность и мощность, но уже "второго импульса". Поставим 2 периода и мощность выкрутим на 100 процентов. Собственно все, теперь можно потыкать в какую-нибудь ленту и посмотреть как происходит сварка, изучить точки, подобрать режимы на контроллере и прочее.
Краткие характеристики получившегося аппарата для точечной сварки. Вес готового устройства вышел 5.7 кг. Переменное напряжение на вторичной обмотке МОТ-а составило 3.8 вольта. Максимальный ток зафиксированный при сварке показал 450 ампер. С этим связан один интересный эффект во время работы аппарата. Магнитное поле у проводов выходит настолько большим, что их разбрасывает друг от друга сантиметров на 20. Магнитопровод при этом довольно сильно притягивает любой рядом лежащий металл, потому тут не рекомендую использовать железный корпус для устройства, при сварке он будет издавать неприятные звуки.
Если накоротко закоротить вторичную обмотку, то даже 700 Вт МОТ способен нагрузить сеть до значений свыше 4 кВт. На сколько больше мне не известно, так как ваттметр уходит в защиту при достижении такой нагрузки. Ток вторичной обмотки при этом зашкаливает за 600 А, свыше предела измерения мультиметра. На входе первичной обмотки максимальный ток зафиксирован 21 ампер, при этом напряжение в сети проседает с 230 до 217 вольт.
При непрерывной работе сердечник у МОТ-а будет нагреваться, за 4 минуты его температура достигнет примерно 52 градуса. И это на холостом ходу без нагрузки. На практике при повышении температуры трансформатор начинает сильней варить, это может привести к прожигу аккумулятора. В этом случае справедливо обдувать трансформатор с помощью вентиляторов.
Переходим исключительно к сварке. Для начала посмотрим как должен выглядеть сигнал на осциллографе. Настройки: первый импульс один период 30 процентов, 2 периода отдыхаем, второй импульс два периода, мощность на всю катушку. Делаем сварную точку и записываем сигнал. Видим каким обрезанным выглядит период мощностью в 30 процентов. После него идет металл два периода отдыха, а затем идет мощный импульс с длительностью два периода и мощностью в сто процентов.
Контроллер благодаря отслеживанию перехода фазы через ноль, открывает симистор на 100 процентах практически в нуле роста амплитуды напряжения. При этом видно что напряжение и ток идут с небольшой задержкой относительно друг друга. При 50 процентах контролер открывает симистор только на половине полупериодов сетевого напряжения. Этот метод аналогичен с Широтно-импульсной модуляцией. Такой режим используется в регуляторах освещенности – диммерах. Яркость свечения лампы накаливания будет напрямую зависеть от площади обрезанной синусоидой. В нашем случае это нужно для всяких деликатных сварок.
Теперь наша задача довольно проста. Нужно приварить ленту для точечной сварки к аккумулятору. Но тут возникает пару вопросов. Какую ленту будем варить и к какому аккумулятору? Помните момент когда у нас сварочник с 700 Вт трансформатором отказывался приваривать никелевую ленту? Идентичная ситуация происходит с новым 900 Вт МОТ-ом.
В начале долго не мог понять в чем причина, но тут оказалось два важных момента.
Высокотоковый аккумулятор, в отличии от обычного, имеет несколько толще стенки корпуса. Возможно и металл корпуса отличается. Никелевая лента у нас тоже довольно толстая. В сумме всех этих факторов даже мощная сварка не способна дать желаемый результат.Решение проблемы - сменить никелевую ленту на стальную. Она сверху тоже вроде как никелированная, но дальше будем ее называть просто стальной. Сварка на тех же установках что и раньше, приварила стальную ленту просто на ура. Отодрать ее кусачками без разрушений не выходит. Собранный аппарат полностью удовлетворил поставленные задачи.
Теперь разберем основные требования при точечной сварке. Длительность и мощность импульсов нужно подбирать таким образом, чтобы свариваемые места имели как можно меньше перегрев. Он проявляется в цветах побежалости вокруг точек сварки. Это не очень хорошо, так как в этих местах частично выгорает металл, что может привести к ослаблению прочностных характеристик соединения. Идеальная сварка выглядит так. Тут нет перегрева, точки белые, лента отрывается от тела аккумулятора с кусками. Именно такого результат мы должны добиться.
Подводные камни. Их очень много, в первую очередь тут нужно понимать физику протекания тока в металле. Металл в месте соприкосновения с электродами представляет току наибольшее сопротивление и потому место будет сильно нагреваться. Наша задача разогреть металл до такой степени, чтобы создалось так называемое сварочное ядро. Нагрев в этом процессе должен происходить не под самими электродами, а между листами металла. Сварные ядра при этом необходимо делать как можно быстрей, очень мощным и коротким импульсом. Если греть место сварки медленно, тепло будет разбегаться по аккумулятору кто куда, без достижения нужного результата.
Электроды, это вообще отдельный мир. Представьте вы долго варили сборку из аккумуляторов 18650 и в один момент решили их заточить. Концы вышли острые, красивые. Но при первых же сварных точках у нас выйдет пропаленный аккумулятор, так как электроды с большой вероятностью погрузятся в корпус банки. Некоторые такие аккумуляторы стоят целое состояние, и повредить один из них это недопустимо.
Что же происходит на самом деле? Дело в том, чем острей электрод, тем меньше его площадь контакта с металлом, в результате при одном и том же токе место у нас будет разогреваться быстрей. Сварное ядро образуется настолько быстро, что это приводит к расплавлению всего металла под электродом.
Еще один очень важный момент, электроды при сварке нужно держать строго перпендикулярно аккумулятору. Они не должны входить под углом. На контакте может образоваться небольшой скос, который рано или поздно приведет к прогару из-за неравномерного протеканию тока через электроды. На этом же примере становиться понятно зачем необходим первый присадочный импульс на малой мощности.
На что влияет расстояние между электродами? В теории чем дальше они разнесены друг от друга, тем лучше. Меньше потерь будет на верхней шунтирующей заготовке. Но как показала практика тут можно играть с настройками, и какое бы расстояние не было, можно добиться хорошего качества сварных точек. Тут большую роль играет с какой шириной ленты вы работаете.
В общем настройки длительности и мощности импульсов решают все. У меня получалось приваривать 0.2 мм. ленту с такими прочностными характеристиками, что она отрывалась вместе с фрагментами корпуса аккумулятора. Все батареи в фильме были разряжены если что.
Рекомендации при выборе настроек сварки. В этом деле много факторов влияющих на конечный результат. К примеру: вы подобрали режим, который хорошо работает с одной и той же лентой и аккумуляторами. Но, если что-то одно поменяете, настройки тоже возможно придется менять. А теперь представьте что у вас кучка разношерстных аккумуляторов, как будете варить? Мощность и время сварки нужно настраивать от меньшего к большему. Поставили точку, лента оторвалась, ничего страшного, поднимаем мощность и смотрим. Теперь лента отрывается с потрохами. То что нужно. Ну что, вы все поняли?
Думаю стоит еще раз перечислить все факторы, которые могут на влиять на конечный результат точечной сварки.
Электропроводка в квартире. Специально для фильма был сделан удлинитель с сечением провода в 2.5 квадрата. Даже смотря на это, слабенький 700 Вт МОТ умудрялся просаживать сеть под нагрузкой.
Основные сварочные характеристики зависят от мощности трансформатора, от сечения силового провода, его длинны, количества витков, качества соединительных узлов с контактной ручной.
Важную роль играет материала электродов, расстояние между ними, заточка и сила прижима. Много определяет материал ленты для контактной сварки, его толщина, ширина и форма. Тип аккумулятора и толщина его стенок. Даже температуру МОТа стоит брать во внимание.
Исходя из всего вышеперечисленного, в каждом индивидуальном случае подбираются настройки для первого и второго импульса на контроллере для получения наилучших сварных ядер с наименьшими цветами побежалости.
Собранный аппарат для контактной сварки получился довольно компактным и универсальным. Он собирался только ради того, чтобы сварить аккумуляторы для шуруповёрта и паяльника с Китая, которому нужно питание 24 вольта. Часто при ремонтах не хватает портативного инструмента. Конструктор в виде ячеек под аккумуляторы 18650 мы печатали на 3D принтере, они упрощают задачу при формирования сборок с разными напряжениями и ёмкостями, позволяя складывать элементы в любой последовательности. Сборки соединяются между собой специальными пазами. Теперь самостоятельно перепаковать свой старый самокат не составит никакого труда.
Для справки. Съемка этого выпуска заняла чуть больше 2-х месяцев. Когда брался за изучение данной темы, даже подумать не мог что тут окажется так много нюансов. По стоимости бюджет фильма перевалил за предполагаемые границы, так как покупать запчастей пришлось практически на 2 сварочных аппарата. В общей сложности было израсходовано 3 метра никелевой ленты и испорчено 2 хороших аккумулятора. Пущено в расход два десятка плохих.
Ну все, видео озвучил, теперь можно идти бухать и готовится к следующему выпуску.
Как сказал Мастер Йода:
Тебя послушать - так сложно все. Слышишь, что сказал я?
― Ты должен чувствовать силу, она между тобой, мной и камнем, везде...
― Да...нооо нет
Хомяки приветствуют вас друзья!
Сегодняшний пост будет посвящен высокому напряжению. Наша задача собрать так называемую лестницу Иакова, по электродам которой снизу-вверх будут бегать разряды. Посмотрим из чего состоит такое устройство, как его правильно настроить чтобы ничего не спалить, а также узнаем способ как можно обесточить собственную квартиру.
Эта история началась с простого знакомства на радио рынке. Витя, местный мастер на все руки показал свою лестницу Иакова, которая состоит из двух строчных трансформаторов от телевизоров и питается от сети 220 вольт. Дуга тут настолько мощная, что порой висит в воздухе даже не думая обрываться. Вернувшись домой мои руки сразу полезли шерстить коробки в которых находится старое, никому ненужное барахло.
Это строчники от отечественных черно-белых телевизоров. Модель ТВС-110ЛА. Объекты достались из увлекательного детства, когда в один прекрасный момент все начали выбрасывать свои зомбоящики на помойки. Наша задача разобрать две такие конструкции и достать из них высоковольтные обмотки.
Если распилить одну из них, то можно увидеть из чего состоят такие артефакты. Внутри герметичного пластикового контейнера находится обмотка из тонкого провода. Ряды её переложены электроизоляционной бумагой, которая пропитана парафином. Им тут залит весь внутренний объем.
На одной из ферритовых половинок намотаем первичную обмотку. Состоит она из пятидесяти витков многожильного провода типа литцендрат толщиной 1 мм. У него каждая жила покрыта изолирующим лаком. Перематываем все скотчем, вставляем в половинки феррита высоковольтные обмотки и собственно все. Так выглядит сердце наших высоковольтных разрядов. Оно конечно не идеально, так как в дальнейшем при длительной работе, железная скоба которая стягивает феррит будет нагреваться.
В конструкции, высоковольтные обмотки смотрят на встречу друг другу, а их тонкие "земляные" провода соединены вместе. Высоковольтные концы тут наращены высоковольтным проводом, чтобы оттуда не выбрался "Зевс" и не пробил в плату управления или еще куда. Это был мануал как правильно собирать высоковольтный трансформатор для лестницы Иакова.
Теперь рассмотрим как делать не нужно. Не нужно мотать двадцать витков, что есть крайне мало на алюминиевую планку стягивающую каркас. Алюминий вроде как не магнитный материал, но на высоких частотах с ним что-то не так. В результате такого подхода при первом же включении у меня сгорел предохранитель в плате управления. Естественно он сдох потому что прогорели два мосфета которые раскачивали высоковольтный трансформатор. Транзисторы деликатные ребята, им что не так, сразу в брак...
При второй попытке зажечь дугу, была намотана первичная обмотка проводом 0.3 мм, количество витков порядка семидесяти. Чем больше и тоньше - тем меньше нагрузка на ключи. Такой вариант имеет право на жизнь, но единственный минус такого исполнения это небольшая мощность. На электродах дуга растягивается максимум на три сантиметра после чего обрывается. Это довольно легкий режим для генератора, после пяти минут непрерывной работы все элементы схемы включая радиаторы на транзисторах оставались холодными.
С высоковольтным трансформатором разобрались. Едем дальше.
Сейчас нам нужно сделать рогатку, по которой разряды будут бегать снизу-вверх вызывая тот самый "ВАУ" эффект. Электроды в лестнице Иакова должны быть жесткими, в противном случае рогатка будет болтаться как дерево на ветру. В качестве электродов можно использовать 5 мм алюминиевый швеллер из ближайшего строительного магазина. Одного погонного метра хватит с избытком. Отпиливает ножовкой по металлу два одинаковых куска по сорок сантиметров. В определенных местах делаем несколько надпилов под углом 45 градусов. В результате процедур выгибаем метал в нужную нам форму.
Электроды устанавливаем на керамическую основу. Она когда-то была мощным заводским предохранителем на сотню ампер. Верхние концы разводим на расстояние примерно восьми сантиметров. Этот промежуток должен быть достаточным чтобы рвать дугу у вершины (подбирается индивидуально). Крепление проводов к рогатке должно быть надежным, если они отвалятся на полной мощности установки, то с большой вероятностью прошьют высоковольтные обмотки. Оно вам надо?
Теперь кто-то может задать вопрос, зачем питать схему от сети 220, если можно собрать простой ZVS автогенератор, которому нужно всего 12 вольт. Да в принципе можно! Только жрёт какой генератор порядка 10 ампер и для нормально работы требует напряжение порядка 30-40 вольт. Один только блок питания займет места больше чем весь мой балкон в хрущёвке. И это уже молчу про адский перегрев ферритового сердечника после нескольких минут работы.
Генератор работающий от сети 220 позволяет разместить на одной плате все, от сетевого фильтра до силовых ключей. Все компоненты тут не являются дефицитными и легко помещаются в одной руке.
Давайте взглянем на принципиальную схему устройства. По входу питания тут предусмотрено несколько защит: предохранитель, варистор который ограничивает возможные высоковольтные выбросы в сеть и термистор ограничивающий ток заряда довольно мощного конденсатора, он нужен чтобs предохранитель не выгорал при включении схемы в розетку. Генератор тут построен на базе микросхемы драйвера IR2153, который управляет силовыми транзисторами.
Изначально планировалось использовать в схеме высоковольтные пленочные конденсаторы. Но затем выбор пал на безындукционные конденсаторы марки MKPH емкостью в 0.33 микрофарада. Их используют в индукционных плитах. Силовые ключи рассчитаны на напряжение 600 вольт и ток порядка 20 ампер. Маркировка 20N60.
Сейчас наша задача соединить все детали согласно схемы. Несколько часов работы в программе трассировщике и на выходе мы получаем довольно мощный компактный генератор. Плату к нему можно вытравить самому, либо обратится с этой задачей к специалистам.
Для сборки этого генератора схема не нужна, так как тут указано где и какой элемент должен находится. Устанавливаем транзисторы на радиатор. На плате предусмотрены посадочные места под разные конденсаторы. Термистор в процессе работы греется, его нужно размещать как можно выше.
В общем припаиваем все на свои места и работу по сборке генератора можно считать исчерпывающей. Обратим внимание на отсутствующий резистор возле микросхемы IR2153. Место него нужно установить построечный резистор на 50 кОм. Это нужно для дальнейшей настройки резонанса.
Включать генератор напрямую в розетку недопустимо! Рекомендую использовать балласт в виде лампочки включенный последовательно со схемой. Если в процессе настройки пробьет ключи, а на линии появится короткое замыкание, лампочка ярко вспыхнет и не даст выбить пробки в квартире. Типа безопасность и все такое.
Прежде чем запускать схему на всю катушку, ее нужно настроить. Вначале нужно запитать драйвер IR2153 и убедится что на ключи поступают управляющие сигналы. С внешнего блока питания подаем на него 15 вольт. Подключаем щупы цифрового осциллографа к затворам силовых транзисторов. Амплитуда управляющих импульсов будет равна напряжению питания микросхемы драйвера. У нее внутри стоит стабилитрон по питанию на 15 вольт, потому данная амплитуда это край.
Микросхема IR2153 управляет ключами довольно хитро. Между открытием первого и второго транзистора существует пауза в 1.2 мкс, называется она "Dead Time". Дело в то том, что ключи должны работать на нагрузку по очереди. Если через оба ключа одновременно пойдет ток, они довольно эффектно взорвутся, так как окажут короткое замыкание для сети. Такие дела...
Предохранитель в схеме подбирается исходя из максимальной потребляемой мощности генератора. Поставим на 3 ампера. Не думаю что мощность превысит 600 Вт. Тут рекомендую использовать панельки формата "вынул - вставил".
Включим на мультиметре режим измерения напряжения и посмотрим что у нас происходит на большом электролитическом конденсаторе. Поднимаем напряжение на лабораторном автотрансформаторе, и видим что конденсатор прекрасно заряжается. При этом ничего не должно греться, дымить, шипеть и прочее. Перекинем щуп мультиметра на нижний вывод 5 Вт резистора и посмотрим появляется ли необходимое напряжение для питания драйвера.
Как видно, необходимые 15 вольт присутствуют. Это означит что генератор собран правильно и теперь его можно смело запускать.
Регулировка частоты тут осуществляется подстрочным резистором. Диапазон регулировки частот начинается от 20 килогерц и заканчивается примерно на 220 килогерцах. Довольно широкий диапазон для наших целей.
Подключаем высоковольтный трансформатор, не стесняйтесь хорошо зажимать провода.
Важный момент, во время работы подобных устройств высоковольтные провода не должны висеть в воздухе и не дай бог как то прикасаться к элементам платы генератора. Рекомендую для этих целей использовать простой разрядник. Так вы защитите высоковольтный трансформатор от внутреннего пробоя, глобальных катаклизмов, армагеддона и прочего.
Теперь переходим к настройке резонанса. Для оценки уровня сигнала на высоковольтных проводах, покладём рядом с разрядником щуп от осциллографа. Он не должен касаться электродов, иначе спалите чего-нибудь. ЛАТР-ом поднимаем входное напряжение и видим как растет амплитуда сигнала на высоковольтных проводах. Замечательно.
Сейчас изменяя сопротивление подстроечного резистора мы изменяет частоту работы генератора. Резонанс можно считать достигнутым тогда, когда амплитуда напряжения на высоковольтной части будет максимальна. Тут нужно учесть важный момент. Если вы настроите резонанс на одном разряднике, а затем вместо него поставите другой, работать в итоге ничего не будет.
Рекомендую делать настройку при наименьшем напряжении на входе генератора. Удивительно, но схема при этом нормально работает. В общем добиваемся наибольших разрядов, поднимаем напряжение и отключаем балласт в виде лампочки. Разряд пошел. Если у вас нет под рукой осциллографа для оценки уровня сигнала, то о резонансе системы можно судить по лампочке.
Спираль при этом будет светить ярче всего из-за увеличения потребления тока генератором. На этой прекрасной ноте настройку устройства можно считать исчерпывающей. Теперь постепенно поднимаем напряжение и смотрим как ползет дуга по концам рогатки.
Некоторые характеристики лестницы Иакова. Максимальная потребляемая мощность установки составляет почти 400 Вт. Резонанс генератора с моим конкретным высоковольтным трансформатором и разрядником составил 71 кГц. У вас значения будут другие. При минимальном входном напряжении на схеме, высоковольтные провода имеют такую напряженность, чтобы светится прямо через изоляцию провода. Пальцы при этом сильно воняют озоном. Мелкие вылетающие разряды с провода легко способны оставлять ожоги на коже. В общем интересно...
Всё собрано и настроено. Пора поместить потроха в какой-нибудь красивый корпус. Для этого был использован прозрачный контейнер для еды от предыдущего фильма про Камеру Вильсона. Напомню, что он тогда не подошел по причине чувствительного к царапинам пластика. Там это недопустимо, а тут на это можно класть. Включаем лестницу Иакова через 100 Вт балласт и видим что дуга еле доползает до средины рогатки. Отключаем балласт и видим что мощность дуги увеличилась, и она с легкостью доползает до самого верха.
Иногда в процессе работы установки приходится наблюдать момент, когда дуга на концах электродов не хочет обрываться. Это выглядит красиво, но нужно иметь в виду, что в таком режиме схема работает на максимальной мощности. Чтобы такого не было, можно сильней развести электроды друг от друга.
В общем не смотря на довольно простую настройку данного девайса, дальше произошло то, чего никто не мог ожидать. Включив установку напрямую в розетку, в схеме пыхнул предохранитель, и одновременно с ним пропал свет в квартире... Самое интересное, это произошло ночью. Ничего не видно... Подойдя с фонариком к счетчику электроэнергии, первое что бросилось в глаза это отсутствие каких либо цифр на индикаторе и не сработавшие сверху автоматические выключатели. "Вот это прикол" подумал я, и бросил взгляд в нижнюю часть электрощита. На лицо явно произошел какой-то прогар... Повезло так повезло.
Звоню в службу поддержки, говорю беда, в квартире пропал свет. Чё делать? Они говорят не паникуй, передаем заявку на обработку. Через 2 часа в домофон позвонили парни в костюмах супергероев и говорят рассказывай, доставай показывай!
Оценив ситуацию они незамедлительно начали устранять неисправность.
Электрики поковырялись в электрощитовой и на скорую руку восстановили электроснабжение в квартире. Времени на это ушло минут 20. Заглянув туда и оценив их работу, я ох...ел. Превосходный шедевр из рубрики "Я его слепила из того что было"... На утро пришлось долбить стену и прокладывать к щитку нормальный медный провод в 6 квадратов. Такое приключение еще не скоро забудется.
Ну а что же произошло на самом деле. Давайте разберемся. При включении лестницы Иакова в розетку, номинальная мощность схемы превысила предельные возможности полевых транзисторов. Их пробивает, в цепи возникает короткое замыкание. Ток, идущий через предохранитель становится больше допустимого и волосок внутри перегорает. Перегорает он не мгновенно как многие думают, а с некоторой задержкой, так как внутри еще тянется мощная дуга. Этой микросекунды хватило, чтоб сжечь старую алюминиевую проводку в квартире.
А почему же раньше ничего не сгорало спросите вы?! Все просто, развязывающий трансформатор, который мы все это время использовали имеет номинальную мощность в 350 Вт. Кроме основной задачи развязать схему от сети 220, он выполняет функцию балласта, прямо как те лампочки, что были упомянуты ранее. Он все это время не давал превысить максимально допустимую мощность лестницы Иакова, защищая ключи от взрыва. В дальнейшем рекомендую смещать частоту генератора с резонанса, или использовать балласты от ламп ДРЛ, иначе будет трах-бабах.
Ремонтируем схему. Тут и драйвер сгорел, и стабилитрон на верхнем ключе, и сами ключи. Чтобы не расстраиваться каждый раз когда что то идет не по плану, рекомендую завести баночку и коллекционировать спаленные радио детали. Моя уже заполнена до краев, пора брать трехлитровую банку.
После продолжительной работы лестницы Иакова был выявлен один довольно существенный недостаток в разводке платы генератора. Площади радиаторов на транзисторах недостаточно для отвода выделяемого тепла. Пришлось нарастить их по высоте. Нагрев при этом составил 90 градусов. Можно поставить небольшой вентилятор для обдува. Назовем это расплатой за компактность.
Для справки. Съемка этого выпуска заняла порядка двух месяцев. Я старался изложить материал последовательно, в начале настройка схемы, а затем ее запуск на полную мощь. В противном случае вы спалите десяток довольно дорогих ключей, предохранителей и возможно обесточите квартиру. Еще и щупы мультиметра могут взорваться.
Как гласит Японская мудрость:
Не бойся, что не знаешь — бойся, что не учишься.
Жена устроилась в школу скорочтения и в связи с пандемией ведёт уроки онлайн.
Пишет мне сейчас, что сегодня урок вела у одного ребенка, вместо трёх.
Одна девочка спряталась и её весь урок мама искала, а мальчик ткнул себе палкой в глаз и потому присутствовать не смог.
В предыдущей части мы узнали как собрать гамма-спектрометр . Научились правильно выбирать кристалл йодистого натрия и многие другие тонкости в этом спектрометрическом ремесле.
Дальше нам нужно построить свинцовый домик. Его задача изолировать спектрометр от внешнего природного фона.
Нам понадобится:
1. Вентиляционная оцинкованная труба диаметром 120 мм с заглушкой на одном из концов.
2. Латунная гильза калибром 76-мм для танковых пушек времен второй мировой войны. Год выпуска 1941. В идеале нам нужна медь, но, латунь имеет в своем составе минимум 60 процентов меди, все остальное это цинк и возможные примеси.
3. Две крепкие массивные ручки для транспортировки свинцового домика. Вес у него будет не маленький.
Сам свинец нам подкинул один хороший знакомый, такие мелкие грузики используют для балансировки колёс на шиномонтаже. Единственный минус такого продукта, липкие наклейки на одной из сторон. Потому одеваем штаны и выбираемся на природу, нужно выпалить все лишнее и растопить благородный металл. Чем хороши подобные вылазки на природу, тут можно неплохо бухнуть, собственно чем мы и занимались в течении всего процесса.
В это время у нас готовится супец из свинца. Тут нужно вовремя снимать пену и прочий шлак, который находится сверху. Чем чище изначальные слитки, тем меньше мусора придется вылавливать. Нагреваем металл с небольшим запасом, и начинаем его поэтапную заливку в вентиляционную трубу. Нижний слой должен быть высотой примерно в 3 сантиметра. Важно заниматься подобными вещами в сухую солнечную погоду, намеки дождя недопустимы, иначе свинец запросто может плюнуть вам в лицо. Усвоили!
Сейчас в трубу необходимо установить и отцентровать с помощью шурупов, танковую 76 миллиметровую гильзу, и продолжить заливку стенок изделия горячим свинцом. После нескольких довольно скучных и повторяющихся процедур свинец у нас закончился. Общий вес изделия получился 23 килограмма. Покидая всеми любимые пикники не забываем пись-пись на костер. Транспортировав болванку домой, с помощью ножовки по металлу отрезаем все лишнее.
Итак, давайте вспомним картину фоновых импульсов, которую мы видели в процессе работы гамма спектрометра. Теперь смотрим что изменится.
Из практики. Слой однородного свинца толщиной 2 сантиметра уменьшает гамма-фон ровно в 10 раз, и это хорошо видно в программе Becquerel Monitor. Для кристалла йодида натрия размером 30*40 мм, количество импульсов вне домика будет ровняться 60-ти, а в домике всего 6-ти.
Наверняка многие зададутся вопросом, зачем столько мороки со свинцом!?
Это пример обычного фона, снятого с и без защиты. На спектре кажется, что тут импульсов не в десяток, а в сотню раз больше.Что касаемо бытовых дозиметров. Радиоскан 701 показывает фоновое значение 11 микрорентген, 2 сантиметра свинца понижает это значение до 7-ми.
Это есть норма, на производстве этих Радиосканов показывали целый бункер из свинцовых кирпичей, мне бы такой...
Гамма-спектрометр собран и настроен. Фотоумножитель запитан высоким напряжением, а на выходе операционного усилителя видим импульсы. Примерно 99 процентов из них должны укладывается по амплитуде в один вольт. Изредка будут проскакивать импульсы большой амплитуды, это космические частицы высоких энергий, которые долетают к нашему детектору. Все осциллограммы которые мы наблюдали в блоке детектирования показаны на этой схеме. Тут и распиновка ФЭУ 85-го, и единорог, в общем все как вы любите.
Продуктом всей ранее проделанной работы является сигнал, который необходимо обработать на компьютере. C помощью специальной программы разложить его на амплитудный спектр, по которому можно судить о том или ином радиоактивном изотопе в исследуемом образце.
Пришло время подключать гамма спектрометр к компу. Вставляем разъем в микрофонный вход. Некоторые для этих целей используют внешние звуковые карты типа Orico, но нужно учесть что у него разъем отличается распайкой.
Программная часть. В начале начал, нам необходимо зайти в меню звука. В настройках микрофона находим раздел улучшения. В нём нужно отключить все звуковые эффекты, которые могут мешать в дальнейшей работе. Так же тут можно послушать звук, который приходит на микрофонный вход. Убедимся что все работает.
Сейчас нам понадобится свинцовый домик. Для надежности на дне гильзы разместим медную пластину. Для чего нужно, и как проявляется рентгеновская флюоресценция свинца на спектре, мы рассмотрим чуть позже. А сейчас нам нужно раздобыть радиоактивный источник.
Самое простое что можно использовать, это старые выключатели или часы со светомассой постоянного действия на основе радия-226. Хранение такого говна дома является не совсем законным, потому данный экземпляр будет нести чисто демонстрационный характер, после чего я его съем. Шутка. Кладем этот адский образец неокрепших умов того времени на дно нашего домика, и опускаем туда гамма-спектрометр.
Сейчас наша задача правильно настроить программу, в которой будем заниматься обработкой спектров. Называется она Becquerel Monitor.
На этом моменте хочу высказать особую благодарность Евгению Соловьеву, который помог в настройке софта и простым языком объяснил многие процессы, происходящие в этом непростом ремесле. Он мастер йода блин! Многие фрагменты этого выпуска были подчёркнуты из его богатого опыта, и были переданы мне, юному падавану. Теперь он это я, я это вы, а вы это он!
Итак, для начала нажмем в программе кнопку старт, и запустим сбор спектра. От радиевых часов на входе звуковой карты будет довольно много импульсов, значит аппаратная часть работает. Собирать спектр сейчас бессмысленно, так как ничего не настроено. Остановим процесс кнопкой стоп.
В разделе меню инструментов, нам необходимо зайти в раздел "изменение конфигурации устройства". Тут создадим имя нашему гамма спектрометру "ФЕУ-85А, натрий йод 30 на 40". Справа видим раздел "основные". Тут нас интересуют два параметра. Первое это время измерения, по умолчанию тут стоит 3600 секунд, то есть один час, добавляем ноль и увеличиваем время до 10 часов. Количество каналов вместо трех тысяч устанавливаем 4-ре. Шаг канала не трогаем и оставляем как есть. В разделе "основные" на этом все, сохраняем установленные параметры.
Переходим в "настройки устройства", этот раздел можно считать основным. Аудио устройство у меня Realtek High Definition, оно встроено в материнскую плату. Частота дискретизации, чем больше, тем лучше. Ставим 192 тыс. герц. Разрядность выбираем 24 бита. Уровень сигнала - cтавим галочку "Автонастройка", и ползунком слева уменьшаем уровень сигнала примерно до 13 процентов, у вас значение может быть другим. Полярность устройства не трогаем. Нижний предельный порог подбирается индивидуально, у меня это значение выходит 0.7, верхний предельный порог оставляем как есть, 100. Порог по форме импульса, оптимальное значение 60 процентов.
Теперь, внизу видим отдельное окно "настройка образцовой формы импульса". В начале тут выставим значение НПП, оно должно быть выше уровня шума, подбирается индивидуально, у меня это 1. ВПП оставляем как есть, 100. Нажимаем кнопку старт, и программа начнет запись образцовых импульсов.
Обратим внимание на их форму, они довольно узкие и острые. Попробуем растянуть импульс на ширину окна. Для этого нам нужно изменить параметр ширины выборки, установим значение 32, и положение пика, поставим 16. Нажав кнопку записи можно заметить как изменился рисунок, импульс растянулся на все окно.
Теперь, что будет если параметр НПП будет ниже уровня шума? В принципе ничего хорошего, сигнал станет похож на какую-то кракозябру. Увеличим параметр НПП до 0.5 и посмотрим что изменится. Форма импульса стала красивей, но всё равно видим некоторые искажения на вершине. Не годится. Приемлемый результат был при значении в единицу. Соберем примерно 2 тысячи образцовых импульсов и сохраним их в программу. Отлично. Обновим конфигурацию устройства.
Старое полотно не годится для зарисовки очередного шедевра, его следует очистить. Запустим сбор нового спектра, и посмотрим что тут видно.
Светомасса постоянного действия в часах довольно активная, она дает выше двухсот импульсов в секунду. Уже примерно через 2 минуты на спектре можно наблюдать отдельные энергетические пики, которые соответствуют СПД радия, но энергии на шкале распределены не верно, посмотрим какое значение покажет нам последний пик. Ага 780 кэв, это много, Этот бугор должен соответствовать исключительно энергии 609 кэв. Вот незадача...
Чтоб исправить данную ситуацию, нам необходимо открыть окно "калибровки энергий". В нем видим три коэффициента, А, Б и С. Уменьшим значение коэффициента Б до такой степени, пока пик с энергией в 609 кэв не будет соответствовать такой же энергии в программе. Растянем спектр чтобы более детально рассмотреть, что и куда у нас смещается.
Сейчас это грубая настройка, она необходима для того, чтобы примерно понять на сколько отличается значение двух важных параметров. При хорошей настройке, канал по цифре должен приближенно соответствовать энергии. Если он будет больше, спектр будет собираться дольше, если меньше, энергетические пики будут не такими детализированными. В общем играясь с уровнем входного сигнала можно двигать спектр в большую или меньшую сторону по отношению к каналу. Всё это подстраивается индивидуально для каждого гамма-спектрометра. У меня данная настройка заняла примерно пол часа.
Включим логарифмический масштаб и растянем картинку. Тут можно видеть область максимальных энергий, которые способна обработать программа. Они соответствуют примерно 3-м с лишним мегаэлетронвольт. Космические кванты собственной персоной!
Точная калибровка спектра. Её принято проводить по источникам, которые имеют одиночные энергетические пики, в классике применяют цезий-137. Но, предлагаю вариант интересней, использовать вместе с цезием еще и калий-40. У нас выйдет картина, по которой можно довольно точно откалибровать наш спектр по трём пикам. Как это сделать? В окне под коэффициентами видим кнопку "многоточечной калибровки". Сейчас нам предлагают выбрать канал. Пойдем от меньшего к большему. Первый пик это рентгеновская флюоресценция бария в исследуемом образце с цезием-137, второй пик соответствует самому радиоактивному изотопу цезия-137. Третий бугор это калий-40. Где взять такие источники расскажу чуть позже. А пока в списке сверху необходимо подкорректировать значения с энергиями.
Для рентгеновской флюоресценции бария это 32 кэв, для цезия 137 - 662 кэв, для калия 40 - 1461 кэв. Нажимаем кнопку выполнить калибровку, и весь спектр автоматически выравнивается согласно энергиям. Коэффициенты А, Б и С сами определили для себя необходимые значения. Теперь нужно сохранить параметры в конфигурацию устройства. Всё, программа настроена и откалибрована.
Что мы имеем в итоге!? Данное распределение представляет собой спектр амплитуд импульсов, получающийся при исследовании моноэнергетических излучений. Именно по параметрам таких пиков восстанавливается характеристика излучения. В конце амплитудного спектра импульсов присутствует пик, соответствующий полному поглощению частицы с определенной энергией детектором.
В идеале пик полного поглощения должен быть бесконечно узким, однако даже в случае идеального сцинтиллятора он будет иметь определенную полуширину, связанную с флуктуациями в детекторе.
Отношение ширины пика к его амплитуде называется энергетическим разрешением сцинтиллятора. Чем меньше эта величина, тем выше разрешающая способность сцинтилляционного детектора, в данном случае это 8 процентов. В основном разрешение принято измерять по пику цезия-137, но, пик висмута-210 в основе радия, который лежит в районе на 609 кэв тоже для это прекрасно подойдет.
Анализ полученных результатов. На сбор приемлемого спектра слабоактивных радиоизотопных образцов, иногда требуется целые сутки. Вот мы и подождали, у нас собралась непонятная гребёнка. Что оно такое и с чем её едят?
Разберём пример на основе радия-226. Каждый радиоактивный изотоп в своей жизни преодолевает полураспад с превращением в другой химический элемент с другим атомным весом. Каждый распад сопровождается выбросом альфа, бета или гамма частиц.
Вот цепочка полураспада радия-226. В процессе он превращается в радон, радон превращается в свинец-214, свинец в барий, и так до тех пор, пока в последней цепочке этого полураспада не образуется какой ни будь стабильный элемент, в данном случае свинец-206. Отсюда понятно, что мы имеем дело не только с радием-226 в часах, еще с целой кучей радиоактивных изотопов, которые рассматривать нужно по отдельности.
Тут нам может помочь ресурс NuDat. Вся эта мазня на рисунке - продвинутая таблица Менделеева. Среди всех возможных изотопов находим радий-226. Нажимаем на его. После загрузки программой необходимого элемента, внизу у нас появится небольшой список, нас интересует пункт "decay radiation".
Он откроет список возможных энергий при распаде. Внизу нас интересует раздел с гамма и рентгеновским излучением. Тут видим, что с большей долей вероятности, 3.64 процента у нас при распаде, выделится энергия соответствующая 186 килоэлектронвольтам. На спектре этот пик находится вот тут, и соответствует той самой нужной энергии 186 кэв. Отлично.
Рассмотрим радиоактивный изотоп цезий-137. Период его полураспада составляет 30 лет. Сам по себе цезий-137 является бета источником, претерпевая бета распад он превращается в изомер бария-137м, который живет всего 2 с половиной минуты и распадаясь плюется гамма квантом с энергией 662 килоэлектронвольт, завершая цепочку распадов и превращаясь в стабильный изотоп бария-137.
Но, на спектре еще видно три каких-то пика. Первый, что на 32 кэв, это рентгеновская флюоресценция бария, когда частица при распаде попадает в барий, в нем происходит рождение своего кванта с энергией в 32 кэв. То же касается и второго бугра, это рентгеновская флюоресценция свинца в свинцовом домике. Большой черный бугор, это эффект Комптона. Происходит он в результате того, что не все гамма кванты полностью поглощаются сцинтиллятором. Большая их часть теряет свою энергию по пути в результате столкновения с электронами веществ, и только после этого поглощаются сцинтиллятором. В общем Комптон на примере цезия, это наши 662 кэв растерявшие энергию по пути.
Уверен что сейчас у многих из вас возник вопрос, где достать легальные радиоактивные источники для исследований!? Всё очень просто. К примеру цезий-137, это обыкновенные белые грибы, употребляемые мною в пищу. Часть из них собраны в Малинском районе, часть привезено из Радынки, села Полесского района что находится в 30 километрах от Чернобыля.
Чтоб зафиксировать хоть какое то превышение по фону, грибы нужно полностью высушить и измельчить в кофемолке. В результате замера такого пакетика, Радиоскан 701 показал фон в 13 микрорентген, а сам спектр от неё, пришлось собирать в течении 10-ти часов.
Подобных источников вокруг нас достаточно много, если знать что искать. Это к примеру вольфрамовые электроды с двух процентным добавлением тория-232. Купить их можно в любом магазине торгующем сварочным оборудованием. Для удобства измерения образец поместим в небольшой пластиковый контейнер. Радиоскан с закрытой крышкой гамма фильтра, показывает порядка 30 микрорентген.
Уран-238 находиться в любом урановом стекле в виде растворенных там солей. Такие пуговицы были куплены в местном детском мире, найти подобную красоту можно с помощью ультрафиолетового фонарика.
Часы с радиевой светомассой постоянного действия. Этот образец был найден с помощью дозиметра на барахолке, продавец даже не подозревал про существование таких артефактов. Держать такое дома не советую, иначе вам понадобится адвокат.
Америций-241. Можно выковырять из пожарного дымоизвещателя, в котором он является частью ионизационной камеры. Такой источник показывает гамма фон порядка 87 микрорентген. Так и запишем на бумажке, 86 мкР.
Калий-40. Это обыкновенная калиевая селитра, которую продают в цветочных магазинах, и применяют в качестве удобрения. Показания равны 13-ти микрорентген. Почти все выше
перечисленные образцы доступны в свободной продаже, и различаются своим разнообразием спектров которые можно изучать и анализировать на практике. Радиоактивность тут "крайне мала", и, чтобы разглядеть хоть какой-то результат того же цезия, потребуется куча времени.
Гамма-спектрометрия это по большей части путешествие в мир загадок, тут придётся разбираться в карявках на экране монитора в надежде узнать что за изотопы излучают те или иные энергии.
Дабы упростить себе задачу, можно сделать библиотеку спектров самых распространенных изотопов, как это показано на этом примере. Сейчас видим линейный масштаб, тут энергия пропорциональна по всей шкале. Включив логарифмический масштаб, мы увидим спектр которой пропорционален определенному логарифму отношения величин, в нем легко разглядеть высокоэнергетическую гамму, которая обычно прилетает в сцинтиллятор с меньшей вероятностью. На этой прекрасной ноте, мы плавно переходим от самой нудной, к самой интересной части. Эксперименты, наблюдения, интриги и расследования...
Температура. Для повышения точности производимых спектрометром измерений, нужно учитывать некоторые моменты. Кристалл йодида натрия при изменении температуры окружающей среды сдвигает спектр. Особенно это хорошо видно утром и вечером, когда температура в помещении отличается на пару градусов. Следовательно, чем больше будет этот разброс за время измерения, тем больше будет дрейф, тем больше размажется спектр по шкале, тем больше процентов будет итоговое разрешение, что есть не хорошо!
Положение спектрометра в свинцовом домике. Желательно проводить все измерения в одном и том же положении, для этого рекомендую сделать метки. Пермаллой хоть и защищает ФЭУ от разных магнитных полей, но это не всегда дает желаемый результат. Спектр так же может съехать в ту или иную сторону.
Много измерений на начальных стадиях проводились через соединение длинного, экранированного провода. Если укоротить его до одного метра, и хорошо заэкранировать спектрометр, то при условии поддержания стабильной температуры в помещении, на спектре можно будет наблюдать улучшение разрешения по цезию, лучшее что получал это 7 процентов, но источник тут слабоактивный. Не уверен что показания корректные. Придерживаясь простых рекомендация, можно из кучки электронных компонентов сделать профессиональный сцинтилляционный измерительный прибор, который позволяет определять изотопный состав радиоактивных материалов.
Теперь, кто-то может спросить, так зачем все таки нужна медь между спектрометром и свинцом!? Проведем простой эксперимент. Измеряем фон в домике с и без свинца. На спектре можно наблюдать повышенную рентгеновскую флюоресценцию свинца в районе 80 кэв, если наложить одну картинку на другую, то разница очень хорошо заметна. Медь помогает подавить этот паразитный эффект.
Много времени заняло понимание отличительных признаков сцинтилляторов. Кристалл как говорится он и в Африке кристалл. Но, йодид натрия активированный таллием это нечто не простое.
Немного о желтом кристалле. Все измерения проводились при одинаковом напряжении на ФЭУ в 600 Вольт. Грубо говоря просто менялся кристалл без всяких регулировок. Наблюдая за картиной, даже невооруженным взглядом было видно, что все импульсы какие то маленькие по амплитуде, если верить в ранее высказанную теорию продавца про пожелтевший только у стенок кристалл, то там вероятней всего происходит следующее.
Тот фотон света который родился в недрах прозрачности, поглощается на где-то недрах желтости, в результате к фотоэлектронному умножителю долетает мало фотонов. Какое-никакое умножение происходит, но на выходе мы получаем пригодный только для счета сигнал.
В счетном режиме действительно регистрируется большее количество распадов природного фона. В программе видим аж 90 частиц в секунду.
Разрешение по пику цезия-137 тут 14 процентов, в этом случае можно действительно разглядеть силуэт цезия на спектре. С радием всё не так просто, эти моно бугры и дезориентировали меня 2 года назад, заставив прекратить работу в данном направлении. Подозрения были на неисправную схему преобразователя и фотоэлектронный умножитель. В итоге пришлось покупать еще один ФЭУ, еще один кристалл, тратить ресурсы и время на понимания того, что произошло.
А произошло следующее, меня попросту обманули. Естественно мне захотелось вернуть деньги, или хотя бы поменять желтый сцинтиллятор на нормальный, я набрал продавца и рассказал ему всю историю, на что он мне ответил:
— Прозрачность (желтизна и белизна) очень субъективная оценка, некоторые люди говорят что все ок, всё работает. Кто-то говорит ну не получится спектрометр, возьму на счётные режим.
Для понимания что такое счётный режим. Существует сцинтилляционный радиометр СРП-88. Принцип его работы состоит в том, чтобы любой импульс пришедший с ФЭУ, усилить до определенного уровня, скажем до 5-ти вольт, и подать на его счетную часть схемы. Такому радиометру грубо горя плевать на амплитуду выходного сигнала с фотоэлектронного умножителя. Его основная задача считать! Отсюда вывод, для счета пойдет даже кристалл с помойки. Тут больше возникает вопрос сколько квантов света потеряются на пути к ФЭУ.
Продолжение разговора:
— Понимаете, человек, когда берёт 85, 86, 87 года кристалл, понятное дело что он не будет соответствовать тем характеристикам, которые есть в новом кристалле 2000- х годов;
— То есть все они с желтизной!?
— Ну вот они в такой степени прозрачности, можно так сказать;
— Да ладно! Вот кристалл 1976 года, он не разу не желтит и с ним проводились все работы во время подготовки этого выпуска. Вы говорите что желтые кристаллы у вас покупают для спектрометрических задач!?
— Покупают ...
— Я первый, кто говорит что жёлтый кристалл не годится для этих дел!?
— Да, первый человек ...
Я обратился в группу спектрометристов с вопросом: "Попадались ли кому хорошие кристаллы данного продавца?". На что все дружно ответили: "НЕТ!"
— Я бы на вашем месте не отчаивался...
— Я и не отчаиваюсь, всё нормально, откуда еще набраться опыта, кроме как не в попытках разобраться что к чему.
Для справки. Съемки этого выпуска заняли рекордные три года. Не все хомяки смогли увидеть конечный результат исследований в этом направлении. Отдельно хочу поблагодарить Евгения Соловьева, Дмитрия Новикова, Сергея Матюшенко, Василия Чечюлинского и многих других, кто тем или иным способом помогал в подготовке этого проекта. Тут много технической информации. Если в процессе где-то допущены ошибки, милости прошу в комментарии!
Я не спектрометрист, а всего лишь хрен с дороги.
Как сказал Мастер Йода:
Тебя послушать - так сложно все. Слышишь, что сказал я?
― Учитель, двигать камни - это одно. А тут - совсем другое дело!
― Нет! Не другое! Другое в голове лишь.
Хомяки приветствуют вас друзья.
Сегодняшний пост будет посвящен сцинтилляционной гамма-спектрометрии и изучению невидимого мира на языке гамма-квантов. Многие окружающие нас в повседневной жизни вещи могут содержать радиоактивные изотопы, они могут быть как природного, так и техногенного происхождения. Распадаясь они излучают альфа, бета или гамма излучение. Нас интересует последний товарищ из списка подозреваемых. Сегодня мы его поймаем, преобразуем, и по энергетическим следам вычислим коварный изотоп. В ходе рассмотрим как собрать гамма-спектрометр и как его настроить. Узнаем как правильно выбирать кристалл йодистого натрия и многие другие тонкости в этом спектрометрическом ремесле.
Представьте ситуацию: Идёте вы такие по продуктовому рынку, и тут в вашем кармане срабатывает дозиметр и оповещает о превышении радиационного фона. Вопрос: как узнать каким радиоактивным изотопом заражены помидоры бабы Раи? Всё просто, для этого необходимо поместить объект в специальный свинцовый домик и исследовать его с помощью гамма-спектрометра. Через несколько часов по характерным энергетическим пикам мы узнаём, что помидорки заражены радиоактивным изотопом цезия-137, и его дочерним продуктом распада барием-137. Вероятно у бабы Раи дома ядерный реактор! Краткое руководство пользователя довольно исчерпывающее, потому давайте посмотрим с чего все начинается, и как это все работает.
Предыстория. В далеком 2017-ом году, на сайте РадиоКОТ мне попалась интересная статья про гамма-спектрометрию. Автором ее является Максим. Как выяснится в дальнейшем, это создатель приборов серии Атом. Статья довольно простая, тут подробно написано что необходимо для сборки данного устройства, нарисованы схемы. Есть пояснения некоторых нюансов по настройке, и работе с самодельным гамма-спектрометром. Как два пальца подумал я, и уже через неделю на моем столе лежали все необходимые комплектующие для работы над проектом.
Самым экзотическим элементом всей конструкции является кристалл йодида натрия. Поиски данного артефакта в основном приводили к Евгению Нагурному, продавцу, который почти на всех форумах продает подобные штуковины. Мы с ним созвонились, я ему рассказал что собираюсь делать гамма спектрометр. Он со своей стороны посоветовал найти для этого проекта фотоэлектронный умножитель ФЭУ-85А, технический вазелин в качестве оптической смазки и рекомендовал купить у него сцинтилляционный кристалл йодида натрия размером 30*70 мм. Он больше чем в статье, а значит прибор должен выйти чувствительней. Вот такой красавец мне приехал. Единственное что вызывало сомнение, это странный желтоватый оттенок. Написал продавцу про цвет, на что он ответил если кристалл чистый, прозрачный, и просматривается до дна, значит он отличного качества. "Это хорошо!"
Все компоненты на руках, работа мутится, колеса крутятся. Так как в оригинальной статье дана только схема, разводить плату нужно самому. Пару вечеров, и на бумаге начали вырисовываться первые эскизы. Тут и посадочные места под свои радио элементы, и размеры такие, чтоб всё устройство поместилось в картонную трубу для удобства использования. Методом фоторезиста переносим дорожки на фольгированный стеклотекстолит. Вытравливаем плату, и напаиваем на нее микросхемы, резисторы, конденсаторы и прочие компоненты, размещение которых предусмотрено заранее. Тут добавлен усилитель звуковой частоты для определения щелчков гамма-квантов, попадающих в кристалл сцинтиллятора. Также добавлен dc-dc преобразователь, который позволяет питать все устройство от обычного 5-ти вольтового повербанка.
Архив с гербер-файлами и прочими полезностями
Схема собрана и настроена. На экране осциллографа отчетливо видны импульсы разной амплитуды, которые в свою очередь свидетельствуют о работоспособности гамма-спектрометра. Всё бы хорошо, но при подключении устройства к компьютеру, программа анализирующая поступающие на вход звуковой карты сигнал, показывает какие-то непонятные бугры, которые не имеют ничего общего со спектрами заранее известных контрольных источников. Дальнейшие несколько месяцев попыток разобраться в причине возникновения проблемы, ни к чему хорошему так и не привели. На этом этапе я забил большой толстый болт, и перешел к работам над другими проектами...
Через какое-то время один незнакомец спросил меня:
— Как успехи!?
— Говорю: никак;
— Он такой: да, ну тогда держи гербер-файлы правильной платы преобразователя.
Этим незнакомцем оказался Дима Новиков, радиолюбитель и спектрометрист со стажем. Он пробудил второе дыхание в этом направлении, и работа закипела по новой. Дальнейшая задача стояла обратиться к китайцам, и заказать у них печатные платы.
Примерно через полторы недели ко мне приехал аккуратный вакуумированный пакет, в котором находились 10 плат. Зачем так много спросите вы!? Запас карман не жмёт! Теперь можно производить монтаж радиоэлементов. В начале напаиваем феном массивные детали, а затем мелкие с помощью паяльника. Вся процедура монтажа занимает не больше 30 минут, после чего на свет появляется регулируемый преобразователь отрицательного высокого напряжения, которым мы будем питать фотоэлектронный умножитель. Но, чувствую мы как то разогнались, и уверен многим сейчас не понятно что к чему. Попытаюсь объяснить на пальцах.
Гамма-спектрометр ровным счетом состоит из пяти деталей, все они сейчас представлены на ваших экранах. Слева находится бакелитовая панелька с делителем напряжения для фотоэлектронного умножителя. Дальше высоковольтный блок питания, который мы только что собрали. По средине видим кристалл сцинтиллятора, он представляет из себя вещество, в котором происходит преобразование невидимого гамма излучения в видимый свет. Он попадает в фотоэлектронный умножитель и усиливается, давая на выходе информацию, которую нам в дальнейшем предстоит обработать. Самая правая железка это пермаллой, но нужен для защиты ФЭУ от внешних электромагнитных воздействий.
В рамках данного проекта применялись исключительно кристаллы йодида натрия активированные таллием NaJ(TI). Данный образец в красивой советской обертке обошелся примерно в 70 баксов. Удовольствие скажем не из дешевых. Данные сцинтилляторы самые распространенные, у них высокая эффективность поглощения гамма и рентгеновского излучения, высокий световыход, хорошее энергетическое разрешение и достаточно короткое время высвечивания. Этот кристалл в прямом смысле светится в рентгеновских лучах красивым синим светом, длинна волны которого лежит в районе 415 нм.
Вообще, для более грубой демонстрации этого явления можно взять обыкновенную кухонную соль, и засветить ее рентгеном. В результате она тоже будет сцинтилировать в видимом диапазоне света, но использовать ее для гамма-спектрометрии не выйдет, так как она имеет зонную структуру, и за один процесс распада будет выделятся очень мало фотонов. Чистый йодид натрия тоже невозможно использовать для этих целей, потому кристалл активируют таллием. Он изменяет структуру соединения, создавая дополнительные энергетические уровни, поэтому готовый материал отличается высокой эффективностью люминесценции.
В идеале, излучаемое сцинтиллятором количество фотонов должно быть пропорционально поглощённой энергии, это позволит получать энергетические спектры излучения. Грубо говоря, чем больше энергия гамма-кванта прилетевшего в кристалл, тем больше вспышка света, тем больше фотонов попадет в фото электронный умножитель. Все просто.
Теперь давайте рассмотрим, на что нужно обращать внимание при выборе кристалла йодида натрия активированного таллием. Первое и самое важное - цвет! Кристалл должен быть идеально прозрачным, в нем не должно быть желтизны, помутнений или каких либо трещин. На этом кадре хорошо видны основные отличия. Так же внимательно следует осмотреть оптическое окно, кудой будет выходить свет, на нем не должно быть пятен и следов отслоения кристалла от стекла, подобные дефекты можно разглядеть только при хорошем освещении. Так как йодид натрия является очень гигроскопичным, следует обратить внимание на герметичность алюминиевого контейнера, предотвращающего контакт с влагой в окружающей среде.
Большинство образцов которые можно найти в продаже, выпущены еще в далеком советском союзе. Данный образец размером 30*70 мм родился на свет в октябре 1985 года. При покупке вам могут акцентировать внимание на паспорте, в котором указан световой выход. Документ этот очень важный, на него обратим особое внимание. Внизу черным по белому написано, что детекторы сохраняют свою работоспособность в течение 12 месяцев со дня отправки заводом изготовителем. В общем этот паспорт просрочен минимум на 30 лет, потому пойду пущу его по прямому назначению)
Визуальную оценку никто не отменял! Внимательно смотрим на цвет, и с подозрением относимся к желтизне. По одной из теорий, такой цвет говорит о нарушении технологии производства, в следствии чего плохо просушенный светоотражающий порошок, который находится между алюминиевым контейнером и кристаллом, каким-то образом вступил в реакцию с йодидом натрия.
К чему это в итоге приводит!? Желтизна препятствует хорошему прохождению света, что приводит к значительному ухудшению итогового разрешения, и больше 14% от такого образца ожидать не следует. Для примера, зеленым показан спектр прозрачного 8% кристалла, тут отчетливо видны все отдельные энергетические пики, в то время как желтый кристалл (чёрный спектр) слил всю картину в одну сплошную кашу. Желтый кристалл подобен катаракте, он вроде мир видит, но детали разглядеть не может. Такие образцы годятся только для счетных приборов, где важно только наличие импульсов. В этих случаях такие желтки несомненно будут работать.
Особенность сцинтилляторов. Если засветить ультрафиолетом (с виду прозрачный до дна, но желтый по оттенку кристалл), он сразу помутнеет, и с виду станет похож на молоко. А ведь основное правило хорошего сцинтиллятора, это полностью поглотить ионизирующее излучение, и полностью пропустить вспышку собственного сцинтилляционного света. Для примера показан хороший кристалл, он прозрачный как при дневном свете, так и в ультрафиолете, при этом нет никаких помутнений.
Еще один интересный параметр — послесвечение. Хорошие кристаллы обладают довольно долгим послесвечением после воздействия ультрафиолета, на этом кадре это хорошо видно. Любопытно, но желтый кристалл этим параметром не обладает вовсе. Ради интереса даже пытался сделать фото с 30 секундной выдержкой обоих образцов сразу после засвета. Тут всё очень хорошо продемонстрировано.
Подобным образом ведет себя и треснутый сцинтиллятор. Он остается абсолютно прозрачным, и сквозь него разглядываются все трещинки. Послесвечение тут не так ярко выражено, но на фото с длинной выдержкой его так же хорошо видно. Многие говорят, что кристалл после внешнего воздействия света необходимо выдержать несколько суток в темноте, чтобы он успокоился. Из практики, уже через пол часа после зверских издевательств с применением ультрафиолетового фонаря, спектры до и после облучения практически никак не отличались. Это хорошо видно если наложить один спектр на другой. Тут даже количество фоновых импульсов в свинцовом домике осталось неизменным.
Что касается размеров, чем больше кристалл, тем больше его площадь, тем больше гамма-квантов из окружающего пространства будет в него попадать. Размер сцинтиллятора 30*40 мм подразумевает сам размер кристалла, а герметичный контейнер со светоотражающим порошком имеет несколько большие габариты, которые выходят на 6 мм больше от указанного размера по высоте и ширине. Если вынуть содержимое герметичного контейнера, йодид натрия окажется соленым на вкус и будет оставлять после себя йодные пятна на раковине. После чего он побелеет, поговнеет и придёт в непригодность.
И так, гамма-излучение попадает в сцинтиллятор и взаимодействует с ним, порождая вспышки света в теле кристалла. Дальнейшая наша задача их поймать и преобразовать в электрический сигнал. Для этого применяют фотоэлектронные умножители. Фотоны света, попадающие на фотокатод ФЭУ, выбивают из него фотоэлектроны, те в свою очередь фокусируются на первый динод, и выбивают из него вторичные электроны, те фокусируются и направляются на следующий динод каждый раз при этом умножаясь. Для фокусировки и ускорения электронов, на анод и диноды подаётся высокое напряжение. В конечном результате этих манипуляций на аноде ФЭУ регистрируется импульсы тока, которые напрямую зависят от поглощенной энергии гамма-излучения.
Число электронов прилетевших к аноду, напрямую зависит от количества динодов, расположенных внутри фотоэлектронного умножителя. Так же его спектральная чувствительность должна быть согласована с длиной излучения самого сцинтиллятора.
К примеру у ФЭУ-85А область максимальной спектральной чувствительности лежит в диапазоне от 380-420 нм, что согласуется с кристаллом йодида натрия с его длиной волны в 415 нм. Так же важно учитывать амплитудное разрешение, тут указано 10%. Число каскадов усиления, то есть динодов 11. В рамках данной работы сравнивались два 85-х ФЭУ, с буквой А и без. В чем разница? Одни говорят что у ФЭУ с буквой А меньше темновой ток анода, что дает меньше шумов. Другие же утверждают что это отбраковка с завода.
На практике при сравнении обоих образцов разницы никакой не было, как по шумам, так и по разрешению. Единственное что ФЭУ-85А работает при более низком напряжении в 540 вольт вместо 600. В итоге остановился на букве А, чем меньше напряжение, тем меньше будет шумов на спектре.
Это ФЭУ-31, его спектральная чувствительность нам подходит, но динодов тут всего 8, а амплитудное разрешение 11%. Образец явно хуже по характеристикам. Что касаемо самих паспортов, для ФЭУ-85А он гарантирует сохранение технических характеристик в течении 12 лет со дня производства. В общем эта бумажка просрочена на 20 лет. Верить ей не стоит, все нужно проверять в работе.
Что касаемо выбора ФЭУ при покупке с рук. В первую очередь нужно визуально осмотреть стеклянный баллон на отсутствие трещин. Если таковы имеются, то вероятно товарищ мертв. Об этом так же будет свидетельствовать сурьмяно-цезиевый фотокатод, который обесцветится вступив в реакцию с кислородом. Собственно всё, остальные параметры можно узнать только при проверке на установке.
Чтобы запустить фотоэлектронный умножитель, на него нужно подать высокое напряжение, соединив диноды через делитель в виде резисторов, согласно схеме проекта. На этой плате так же находится трансимпедансный усилитель, он преобразует входной ток в пропорциональное выходное напряжение, которое подается на прямую в звуковую карту компьютера.
Теперь переходим исключительно к сборке и настройке гамма-спектрометра. Фотоэлектронный умножитель удобней всего соединять через панельку, это уменьшает риск повредить стеклянный баллон. Одна такая лампа стоит примерно 40 баксов. Будет обидно если что-то пойдет не так.
Дальше мягкой тканью протираем стеклянное окно сцинтиллятора, и натягиваем на корпус резину подходящего диаметра. Она будет центровать ФЭУ относительно окна. На вопрос где её достать, это кусок резины от велосипедной камеры.
Для обеспечения хорошего оптического контакта, между ФЭУ и сцинтиллятором находится специальная жидкость. Какая именно? Силиконовая смазка, самая густая которую получилось найти. Вы можете спросить, почему я не стал использовать технический вазелин который рекомендовал продавец кристалла? Всё просто, он не подходит в связи с поглощением ультрафиолета, он так же будет поглощать свет сцинтиллятора, и станет не оптической смазкой, а преградой, ухудшающей выходные параметры. Аптечный очищенный вазелин имеет ту же проблему.
Потому рекомендую от себя силиконовую смазку, она на протяжении всех экспериментов отработала на ура. Наливать её много не нужно, иначе она вытечет и запачкает вам чего-нибудь. Нужно немного придавить и прокрутить элементы относительно друг друга, чтоб выдавить излишки силикона.
Замечательно, у нас выходит такая красивая сборка. Для защиты ФЭУ обмотаем его несколько раз тонким вспененным полиэтиленом, и наденем сверху трубку из пермаллоя — магнито мягкого материала, защищающего внутренности лампы от различных внешних электромагнитных воздействий. Как магнитное поле может влиять на электронно-лучевые трубки мы показывали в одном из предыдущих постов. Достать пермаллой можно покопавшись на барахолке, от старого осциллографа, вокруг него находится то, что мы ищем. Только есть проблема, форма тут не подходит. Необходимо поработать молотком. Нужно выровнять края, и сформировать цилиндр. Металл во время деформации образует зоны напряженности, которые необходимо отпустить с помощью нагрева материала до примерно малинового цвета.
При нагреве можно наблюдать так называемую точку кюри, характеризующую изменение фазового перехода второго рода. Говоря проще, металл после определенной температуры перестает магнитится магнитом, довольно интересно! В общем, пермаллой ищите где, хотите.
Он нужен, без него всё равно что пойти в туалет без бумаги.
Теперь блок питания отрицательного высокого напряжения. Тут все детали легкодоступные, за исключением драйвера ключа IR2121, который нашелся только в массивном DIP корпусе, и высоковольтного трансформатора, который нужно мотать самому. Уверен, на этом этапе половина людей в зале встанет и начнет покидать кинотеатр, но погодите, тут всё просто.
На раскладке ближайшего рынка где все по 10 рублей, находим китайскую электро-зажигалку, внутри нее находится превосходный секционный трансформатор. Задача размотать его вторичную обмотку, и намотать новую проводом 0.2 мм. Витков примерно 200-250. Первичную катушку на феррите не трогаем. После намотки пропитываем готовый трансформатор воском или эпоксидом. Процесс занимает минут 20, когда знаешь что делать.
Мне же понадобилось пару месяцев на решение этого вопроса. Были перепробованы десятки различных типов высоковольтных трансформаторов, включая варианты от люминесцентных ламп подсветок мониторов, и заканчивая строчными трансформаторами от старых телевизоров типа ТВС. Но от всего этого наблюдалось слишком много шумов.
Самым простым и надежным оказался самодельный вариант. От него тоже наблюдался небольшой шум, но он был минимальным.
Доработка. В схему добавлен снаббер, фильтр, который подавляет паразитные индуктивные выбросы и колебания при переходных процессах. Вкратце это последовательная цепочка из резистора и конденсатора, которая подбирается индивидуально в каждой схеме. Установка такого фильтра позволяет уменьшить пульсации блока питания по высоковольтной части.
Если без снаббера пульсации при 600 вольтах достигали 1 вольта, то фильтр уменьшает их до полу вольта. Результат в 2 раза на лицо.
В статье рекомендуется при первом включением преобразователя, выкрутить подстроечный резистор в минимальное положение, это важно, пренебрежение этого пункта повышает риск выхода из строя силовой части схемы. Регулировка напряжения в схеме осуществляется с помощью ШИМ контроллера TL494. Меняя сопротивление резистора, можно наблюдать как изменяется скважность управляющих импульсов. Максимальное напряжение которое можно получить от такого преобразователя примерно 3 кВ. Сам больше 2-х не поднимал, не было необходимости.
Стабильность. Схема превосходно держит выставленное напряжение независимо от входного питания в диапазоне от 8 до 14 вольт. То же касается стабильности при климатических испытаниях. Важно, что бы напряжение не менялось при изменениях окружающей температуры, иначе это приведет к ухудшению разрежения итоговых энергетических спектров. Данная схема нагревалась с помощью фена. При 57 градусах, даже почернел жидкокристаллический индикатор на термометре, но напряжение на блоке питания стоит практически неподвижно. Уровень!
При правильной настройке, при 600 вольтах, потребление схемы будет составлять всего 33 мА. Сборки аккумуляторов 18650 с током 3 ампера, хватит для непрерывной работы устройства в течении 90 часов.
На самом деле схема достаточно простая, и при правильной сборке будет работать с первого раза. Для облегчения настройки, тут указаны все осциллограммы, которые показывались ранее в фильме.
Итак, блок питания готов. Осталось подпаять сигнальный провод к выходу операционного усилителя. Он обязательно должен быть экранированным. Это может быть либо аудио кабель, либо советский вариант с посеребренной оплеткой.
В результате у нас должна получится вот такая сборка, состоящая из платы преобразователя напряжения, и платы делителя с операционным усилителем, на которой находится бакелитовая панелька.
Электронная часть готова и ждет воссоединения с блоком детектирования. Поможем этому свершиться и размещаем панель на заднице ФЭУ. Так же не забываем тонким проводком соединить пермаллой к общему выводу схемы. Важный момент, плата умножителя не должна содержать остатков флюса и прочих продуктов жизнедеятельности электронщиков. Может что-нибудь пробить. Для надежности, блок детектирования стягивается резинками. Усердствовать не нужно, иначе можно продавить оптическое окно сцинтиллятора, повредить ФЭУ или еще чего. На этом собственно всё. Гамма спектрометр готов к работе.
Фотоэлектронный умножитель очень чувствительный, и его может в прямом смысле зашкалить. В общем остановился на картонном тубусе. Стильно, модно, молодежно.
Выставим напряжение преобразователя в районе 600 вольт, и смотрим какой сигнал у нас приходит с выхода операционного усилителя. На осциллографе будем наблюдать импульсы с разной амплитудой. Это всё фоновое излучение. Природная радиация в виде гамма-квантов попавших в кристалл сцинтиллятора.
Импульсы тока идущие с анода ФЭУ довольно короткие, потому операционный усилитель их принудительно растягивает до примерно 200 микросекунд, так звуковой карте их будет проще обработать.
Если поднести к сцинтиллятору выключатель со светомассой постоянного действия на основе радия-226, то импульсов станет очень много. Цифровые осциллографы дело хорошее, но в некоторых режимах работы они настолько тупые, что порой хочется биться головой об стену.
На советском варианте импульсы видны в реальном времени, они просто превосходны...
Радиофобы, вы еще не вжались в кресло от вида обычного радиационного фона? Природная радиация существует везде, от нее не спрятаться, она ионизируют и разрушают ваши клетки ДНК. Страшно? Мне тоже! Надо с этим как-то бороться. Будем строить свинцовый домик. Его задача изолировать спектрометр от внешнего природного фона.
Вторая часть
================================================================
Архив с гербер-файлами и прочими полезностями
На Новый год подарили ребёнку (мальчик) конструктор на тему электроники, ребёнку 5 лет
Сказать, что ему понравилось- ничего не сказать. Быстро освоил все схемы из инструкции и стал выдумывать новые. Играли с ним постоянно. Считаю, для мальчика вещь очень полезная
Так вот, недолго думая, предложили родителям в садике купить такой конструктор для детей в группу. Все поддержали и вот. В общей сумме немного более 3000 рублей и 3 разных набора конструктора по электронике у нас в руках. Наборы есть разные, думаю, легко найдёте, в зависимости от содержимого.
В наборе имеются разные микросхемы, лампочки, переключатели, диоды и ( что очень интересно и здорово) радио приёмник!
Инструкции для сбора есть в наглядном виде (рисунка), что будет удобно воспитателям, и в виде схем
Не рекламы ради, а развития детей для.
Уверен, это пойдёт им на пользу! Ибо как пишут на том же Пикабу : «Просто не учи физику в школе, и вся твоя жизнь будет наполнена чудесами и волшебством.»
Звонок на урок. Физика.
Препод решил показать нам опыт. Цель опыта была следующая: показать, что лампочка загорится после того как он уберет источник тока.
Физик собрал цепь: источник тока, катушка, сопротивление м лампочка, которая параллельно подсоединена к катушке.
На перемене я был в классе и наблюдал, как он шаманит над этой цепью. В результате лампочка действительно загорелась.
Но вот попытка повторить сие действо на уроке не окончилась триумфом.
Препод нам пытается объяснить что должно быть и почему так и никак иначе и параллельно вникает, что не так с цепью, почему она не работает. На что класс говорит:"Давайте так, мы Вам на слово проверим, что лампочка должна гореть. " А физик нам отвечает:" Не, тут надо разобраться. А то если все начнут верить в физику, то она превратится в религию."
Описание из ролика:
"Урок физики в Ришельевском лицее"
Тут ещё видеоуроки по электронике:
https://www.youtube.com/playlist?list=PL1Us50cZo25m2FDcpykgj...
Как падает пружина
Тут не так сложно с объяснениями, но для школьников сложновато с расчётами (расчёты и решения основаны на высшей математике). Проще всего объяснить можно так: нижняя часть пружины начнёт падать только тогда, когда до неё дойдёт информация, что верхний конец никто не держит, поскольку отсутствует сила упругости (в покое уравновешены сила упругости и тяжести, поэтому нижний конец не падает на землю в состоянии, когда пружину держат). Пока есть сила упругости, нижний конец не падает. Как только сила упругости исчезает (пружина сжалась) — нижняя часть падает вместе со всем остальным.
Эффект открытого сифона
Неньютоновская жидкость — при течении вязкость зависит от градиента скорости, жидкость неоднородная и состоит из крупных молекул, которые образуют сложные пространственные структуры. На ролике её сначала закручивают (придают скорость), как в обычном сифоне, сперва вверх, потом вниз (основано на разнице уровней жидкости в сосудах). Струя держится за счёт сил когезии — сцепления друг с другом частей одного тела «жидкости», обусловленное силами молекулярного взаимодействия.
Ферромагнитная жидкость
Жидкость, сильно поляризующаяся под действием магнитного поля (видно, что человек держит в руках магниты). Она представляет собой ферромагнитные частицы нанометровых размеров в основной жидкости (может быть вода). Жидкость не сохраняет остаточной намагниченности, и когда человек убирает магнит, она принимает обычную форму.
Взрыв моста
Полагаю, что мост взорвали старый. Чтобы он правильно упал, его нужно подорвать в разных местах и разрушить на мелкие фрагменты (проще разбирать) последовательно направленными взрывами.
Эффект маятника
Свободные колебания являются затухающими, поэтому амплитуда маятника уменьшается, и он не достигает своей первоначальной точки. Закон сохранения энергии никто не отменял.
Магниты против яблока
Вероятно, здесь участвуют неодимовые магниты. Яблоко просто из-за своей шарообразной формы выскользнуло, то есть они его не раздавили, а откинули в сторону.
Электросварка
За счет электрической дуги (большой силы тока), выделяется тепло, достаточное для плавления металла электрода. Этот расплавленный металл капает с электрода на поверхность другого металла, который тоже из-за высокой температуры плавится. Закон Джоуля-Ленца (Q=I^2Rt), сопротивление металла с ростом температуры также увеличивается, причём чем ближе к точке плавления, тем больше (в разы). Соответственно, растёт количество теплоты, а значит, и температура.
В основе снежинки лежит шестиугольник правильной формы. Но по мере роста снежинке сложнее сохранить форму, поэтому появляются отростки.
Так взрывается петарда
При поджигании начинки петарды — пороха — происходит быстрое его сгорание, тем самым образуется большое количество газов и создаётся избыточное давление, которое и разрывает оболочку петарды. Так и происходит взрыв.
Вечный двигатель
Впрочем, не вполне корректный заголовок, хотя механизм и похож. Человек крутит привод, если он его перестанет крутить — пружина упадёт на стол и прекратит своё движение. Вечный же, скорее, подразумевает работу без участия внешних сил.
Огненный торнадо
Это не совсем торнадо в полном понимании, скорее просто закручивающиеся языки пламени. Видимо, горят пары легковоспламеняющейся жидкости. И за счёт движения нагретого и холодного воздуха возникает непрерывный подсос воздуха по аналогии с кузнечными мехами, образуются центростремительные потоки, которые и закручивают пламя в спираль.
Эффект домино
Каждая падающая кость домино выводит стоящую за ней кость из положения равновесия: смещает её центр масс, поэтому она начинает падать.
Перегорание лампочки
При горении лампочки вольфрамовая спираль нагревается до огромной температуры, до белого каления. Меняется её сопротивление, металл испаряется, спираль под действием силы тяжести провисает, и туда стекает часть расплавленной спирали. В результате всего этого та часть спирали, что находится в точках крепления, истончается сильнее и в момент загорания лампочки перегорает, потому что она тоньше и не выдерживает ток (накаляется быстрее).
Акустическая левитация
Акустическая левитация — устойчивое положение тела, имеющего массу в стоячей акустической волне. Стоячая волна ультразвука удерживает капли (тут есть разные зоны, устойчивые и неустойчивые).
Принцип работы швейной машинки
Детально показана работа механизма швейной машинки. Две нити: одна в игле и подаётся сверху, вторая — в катушке снизу и подаётся оттуда же. Челночный механизм захватывает верхнюю нить, вытаскивает её из иглы, тем самым делая петлю, которая обвивает нижнюю нить; механизм, продвигая ткань вперёд, меняет место входа иглы и образует строчку.
Принцип работы дверного замка
Попадая в такой тип замка (английский), ключ выставляет все цилиндры в положение, когда все они находятся на одной высоте и не мешают провернуть механизм.
Как отряхивается кот
Так отряхивается не только кот, но и все животные. Благодаря вращению они создают центробежную силу, за счёт которой капли воды покидают поверхность их шерсти.
Ионный двигатель на катушке Тесла
Обычный трансформатор Теслы. Разряд ионизирует газ в воздухе. Скорее всего, это стримеры, которые содержат ионизированные атомы газа и отщеплённые электроны.
Сухая вода (Фторкетон ФК-5-1-12) и спичка
Ну тут скорее химия, чем физика, но всё же. Вещество запатентовано 3M, одно из применений — в системах пожаротушения. Около 70% эффекта — это уменьшение температуры, а 30% — замедление пламени. При этом не снижается концентрация кислорода.
Бумеранг
В данном случае бумеранг (как правило, обладает аэродинамической формой, за счёт которой повышается дальность броска, и сам бумеранг возвращается к месту запуска) летит по круговой траектории. Плоскость бросания и форма позволяют ему описывать окружность вокруг метателя.
Бутылка воды после двух часов в морозилке
Это дистиллированная вода, в ней нет соли и примесей, соответственно, нет центров кристаллизации (поэтому она и не замёрзла). Когда бутылку встряхивают, образуются пузырьки воздуха, которые становятся центрами кристаллизации. А при температуре −25 С вода лавинообразно замерзает.
Ссылка на торрент с идеями и уроками АRDUINO
уроки на английском и русском(промт) языках
разделен на 3 части..
magnet:?xt=urn:btih:471B4B42541AAA901076C475BD2D1389B9B3D258&dn=ard&tr=udp%3a%2f%2ftracker.openbittorrent.com%3a80%2fannounce&tr=udp%3a%2f%2ftracker.opentrackr.org%3a1337%2fannounce
яндекс диск
Если у кого-то мощный компьютер на винде или wine и есть желание помогать иногда в конструировании подборок статей - жду вашей помощи.
Увлекаетесь Электроникой? тогда этот пост для вас.. это вторая часть , всего будет 10 частей охватывающих все сферы. Формат CHM