ЛФ-9П

Внешне неприметная лампа, в металлическом экране, без всяких опознавательных знаков. Я поначалу даже не понял, что это такое, распознать удалось только с помощью коллег по увлечению. А зря - лампа единственная в своём роде.

   Это так называемый политрон. Отдельный подвид функциональных трубок, которые и сами-то по себе являются электровакуумными приборами весьма особого рода. Конструктивно они подобны осциллографическим трубкам, но в них электронный луч попадает на функциональную матрицу с переменной по площади электронной прозрачностью. В результате величина тока модулируется по определенной функции от двух или более переменных. Это даёт возможность практически мгновенно, за время порядка единиц микросекунд, получать решения сложных алгебраических, тригонометрических или иных функций с точностью в доли процента.

   Политрон - вершина этой категории электровакуумных приборов, он может использоваться в качестве решающего устройства при интегрировании дифференциальных уравнений до 10-го порядка.

   Политрон реализует новый метод преобразования сигналов, отличительный признак которого заключается в использовании объемного электрического поля в вакууме в качестве промежуточной преобразующей среды и свободно перемещающегося в нем объемного электрического заряда в качестве исполнительного элемента.

   Прибор позволяет с помощью простых технических средств решать задачу преобразования пространственной (одномерной) информации, представленной электрическим сигналом, во временной сигнал, без использования коммутаторов.

   Благодаря высокому входному сопротивлению прибор легко согласуется с интегральными полупроводниковыми схемами и может использоваться в качестве перестраиваемого элемента систем распознавания, управления, фильтрации и т. п.

   Данные из отраслевого справочника на него.

Начало разработки таких трубок в СССР относится к 50-м годам прошлого века, но на протяжении долгого времени они оставались лишь на стадии лабораторных и опытных образцов. Серийный выпуск был начат много позже, предположительно в 70-х годах. Производитель политрона неизвестен, скорее всего это фрязинский НИИ "Платан".

Пример использования - Перестраиваемые системы преобразования информации (ПСПИ) (3,5мб).

   По своему применению политрон значительно отличается от "обычных" функциональных трубок. Он представляет собой электронно-лучевой прибор с электростатическим управлением пучком медленных (нерелятивистских) электронов. Первоначально прибор был задуман как электрически управляемый нелинейный или функциональный преобразователь величин тока или напряжения в широком диапазоне частот от 0 Гц до 30 МГц. Для этих целей в типовую конструкцию функциональной трубки были добавлены корректирующие электроды, установленные вдоль движения луча и находящиеся под отрицательным потенциалом.

    Конструктивно политрон напоминает обычную электронно-лучевую трубку, однако он выполнен в виде прибора с двумя функциональными зонами: формирующей и операционной.

   Здесь также имеется электронная пушка 1, формирующая электронный пучок 2. Пушка состоит из катода косвенного нагрева, модулятора, электронно-оптической системы, построенной по обычной схеме электронной оптики, и пары горизонтально отклоняющих пластин Х. В некоторых источниках также упоминается пара вертикально отклоняющих пластин Y, в некоторых описаниях они отсутствуют.

   Между формирующей и операционной зонами находятся изолирующие электроды (второй анод), обеспечивающие развязку влияния полей между двумя зонами.

   Операционная зона представляет собой область, в которой осуществляется управление положением электронного пучка в пространстве путем изменения характеристик поля на двух рядах функциональных пластин ФП-5,-6, расположенных симметрично относительно коллекторных пластин 3 и 4. Между коллекторами находится противодинатронный электрод, обеспечивающий растекание электронов на оба коллектора и не позволяющий выбитым электронам перейти на противоположный коллектор.

   Если в телевизионной трубке пучок электронов фокусируется в "точку", которая путем сканирования создает изображение на экране, то здесь дело обстоит иначе. Электронный пучок, оставаясь размытым, в виде электронного пятна попадает одновременно на обе коллекторные пластины, которые в реальной конструкции имеют корытообразную форму, что исключает рассеивание электронов за пределами этих пластин. Они выполняют роль детектора, автоматически разделяющего пучок на две части подобно тому, как это делает призма в оптических приборах при разложении белого света на спектральные составляющие. Поэтому при движении электронов пучка в любом из направлений, определяемых осями координат x, у, z, образуются своеобразные "электронные весы", автоматически отражающие баланс электронов, содержащихся в пучке в любой момент времени t. Причем точность взвешивания, или, иначе говоря, разрешающая способность таких весов оказывается очень высокой, вплоть до одного электрона. Это объясняется тем, что коллекторные пластины в реальной схеме соединяются с источником электронов - катодом, входящим в состав электронной пушки 1.

   В результате образуется пространственно-временная обратная связь, приводящая к автоматической устойчивости происходящих в политроне процессов. При этом действует закон сохранения зарядов. То есть электроны, создаваемые катодом, никуда не исчезают и не перемешиваются с частицами в других электрических цепях, обеспечивающих заданный режим работы политрона, в силу действия известного принципа суперпозиции.

   Отдельной особенностью политрона является наличие в нем системы функциональных пластин (ФП), расположенных веерообразно по обе стороны пучка и гальванически изолированных друг от друга. Эти пластины также оказывают действие на пучок по всем трем координатам при его перемещении по коллекторным пластинам. Принципиально важным условием формирования пакета ФП является необходимость сохранения непрерывности поля между смежными парами пластин. Характеристика непрерывности имеет форму параболы. Таким образом, если пучок перемещать с помощью пластин X, а на ФП воздействовать совокупностью напряжений, определяющих характер граничных условий, то электронное пятно на коллекторных пластинах будет испытывать действие по всем трем пространственным координатам и времени t (независимо от того, задается оно в явном виде или нет) за счет конечной скорости движения зарядов.

   При этом возникает своеобразная "квантовая бомбардировка" электронами, как самих коллекторных пластин, так и других электродов, расположенных в непосредственной близости от пучка электронов. В результате такой бомбардировки возникают вторичные явления, которые можно было бы разделить на две части:

Электрические характеристики политрона

Функциональная характеристика

При проверке приборов важное значение имеет функциональная характеристика, которая представляет собой функцию тока с коллекторов при равных, чередующихся по знаку напряжениях на функциональных пластинах и линейной развертке в инфранизком диапазоне частоты. При экстремальном значении напряжений на функциональных пластинах это будет базовая функциональная характеристика.

На рисунке показано семейство характеристик, где функция тока зависит от горизонтально отклоняющего напряжения Ux и напряжения на каждой паре функциональных пластин Uф.п.

Режимы напряжения на функциональных пластинах чередуются в такой последовательности, что нечетные пластины одного ряда находятся под одинаковым положительным напряжением, а четные — под таким же по абсолютному значению отрицательным. Для второго ряда пластин распределение напряжений обратное. Базовая функциональная характеристика показана на рисунке для одного коллектора, для второго с учетом того, что сумма их токов постоянна, она будет в противофазе.

Практическое значение базовой функциональной характеристики заключается в оценке качества сборки конструкции прибора. В частности, оценивается ортогональность между плоскостями горизонтально отклоняющих пластин и функциональных пластин, коллекторами. На вид характеристики оказывают влияние соотношение между шириной ФП и промежутком между ними, форма луча, равномерность распределения электронов в луче и т. д.

В идеальном случае базовая функциональная характеристика должна представлять собой синусоиду с пятью периодами.

Характеристики модулятора и корректирующих пластин

Этот вид характеристик политрона практически не отличается от обычных характеристик для электронно-лучевых приборов. Характеристика модулятора и корректирующих пластин в зависимости от напряжения на первом диоде показана на рисунке:

При работе прибора выбирают напряжение на модуляторе в районе точки, где dI_K/dU_а1 = 0, при сумме токов всех коллекторов равной 100 мкА с сопротивлениями нагрузки R_Н1=R_Н2=20 кОм. Такой выбор позволяет обеспечить работу политрона на линейном участке при наилучшем виде базовой функциональной характеристики.

Корректирующие пластины представляют собой пару пластин, расположенных перпендикулярно горизонтально отклоняющим пластинам и необходимых для балансировки положения электронного луча вдоль оси Y. Они являются аналогом вертикально отклоняющихся пластин обычных электронно-лучевых трубок.

Зависимость тока коллектора от напряжения на корректирующих пластинах (Uкор) также показана на рисунке.

Нагрузочная характеристика

При работе прибора с электронной схемой важно знать его нагрузочную характеристику. В политроне эта характеристика определяется как функция тока коллекторов от значения сопротивления в цепи коллекторов в статическом режиме. Полученные зависимости приведены на рисунке:

Характерной особенностью нагрузочной характеристики прибора является изменение значения тока с коллектора при изменении нагрузки. Связано это с тем, что напряжение на сопротивлениях нагрузки противодействует электронному пучку и тем самым уменьшает значение тока через нагрузочное сопротивление. В этом проявляется особенность прибора, заключающаяся в наличии обратной связи и зависимости выходных характеристик от подключенных к прибору цепей, в частности цепи коллектора. Как и для электронных ламп, в потоке электронов имеет место ионная компенсация. В момент, когда Rн ~ 500 кОм, наблюдается увеличение тока, что происходит из-за нарушения компенсации.

Одна из практических рекомендаций, вытекающая из анализа нагрузочной характеристики, заключается в том, что в большинстве схем для стабилизации работы прибора необходимо, чтобы сопротивление в цепи коллектора было постоянным.

Нулевая линия

Большое значение для точности работы ФЭЛП в системах преобразования информации имеет стабильность нулевой линии политрона, которая представляет собой характеристику тока с коллекторов при линейно нарастающем напряжении на отклоняющих пластинах и заземленных функциональных. Её можно увидеть на общем графике функциональных характеристик.

Причины ее искажения следующие:

  1) краевой эффект, выражающийся в искривлении формы поля на крайних пластинах;
  2) изменение сечения электронного пучка при перемещении его отклоняющими пластинами, что объясняется сравнимостью диаметра пучка с расстоянием между отклоняющими пластинами, из-за чего перепад напряжений вдоль диаметра становится ощутимым;
  3) изменение скорости электронов в пучке отклоняющими пластинами;
  4) технологический перекос из-за неточной сборки отклоняющих пластин относительно коллекторов и функциональных пластин;
  5) эксцентричность положения пучка относительно нулевой линии, разделяющей два коллектора.

Все эти факторы вызывают систематические искажения функциональной характеристики политрона как по амплитуде, так и по фазе. Благодаря систематическому характеру возникновения ошибка от нулевой линии может быть либо учтена при анализе получающихся значений на выходе политрона, либо скорректирована.

Расчеты, выполненные М. Г. Соколовой, показали, что для достижения удовлетворительного значения нулевой линии (3%) необходимо обеспечить точность ортогональной сборки с перекосом не более 30'.

Частотная характеристика

Функциональные электронно-лучевые приборы имеют сложную частотную характеристику, причем для них она во многом осложнена теми конструктивными особенностями, которые позволяют использовать ФЭЛП в качестве преобразователя сигналов. Здесь приводятся частотные характеристики на основе рассмотрения амплитудных изменений базовой функциональной характеристики; фазо-частотная характеристика прибора в данном случае рассматриваться не будет.

На рисунке приведена полученная экспериментально амплитудно-частотная характеристика прибора:

Для ее снятия использовалась следующая методика. На функциональные пластины (через одну) подавалось максимальное для прибора напряжение. На развертывающие пластины подавалось синусоидальное напряжение с амплитудой ±30 В и изменяющейся частотой (fp). В результате на выходе прибора с коллектора снималась несколько искаженная из-за нелинейности развертки базовая функциональная характеристика (Rн = 1 МОм). Изменение амплитуды синусоиды измерялось по масштабной решетке на экране осциллографа.

Сложнее производится анализ амплитудно-частотной характеристики при подаче на функциональные пластины несимметричного напряжения. Переход к анализу сложных операторов преобразования сигнала приводит к необходимости разложения выходных характеристик в спектр и рассмотрения влияния частоты на каждую из гармонических составляющих.

Необходимо отметить, что использование политрона в системах нелинейного преобразования сигналов существенно изменяет и подход к частотной характеристике как характеристике искажения сигналов. В отличие от осциллографических трубок — систем линейного преобразования электрических сигналов в изображение в политроне такие искажения могут рассматриваться как полезный продукт, отражающий результат взаимодействия сигнала и системы его преобразования.

Объемно-электрические характеристики операционной зоны

Рассмотренные до сих пор электрические характеристики были связаны с изменениями режимов работы политрона в формирующей зоне. Сигнал на коллекторах рассматривался как выходной.

Работа ФЭЛП с различными внешними системами и в различных включениях требует знания характера распределения токов на всех электродах прибора. Так как для прибора основной особенностью является расположение пластин операционной зоны в объеме X, Y, Z, то эти характеристики получили название объемно-электрических.

При движении луча вдоль функциональных пластин на них наблюдается появление токов, которые определяют геометрическое положение луча. Эта основная отличительная характеристика прибора. Появление токов на функциональных пластинах объясняется попаданием электронов луча на пластины и появлением ионов от столкновения электронов с молекулами остаточных газов.

При исследовании токов ФП определялись следующие зависимости:

  1) от значения приложенного к пластине напряжения, когда а) прибор и источник напряжения подключены к противоположным пластинам; б) прибор и источник подключены к одной пластине;
  2) от частоты сканирования луча вдоль осей х и у;
  3) от сопротивлений, подключенных к коллекторам и функциональным пластинам.

Первый тип характеристик приведен на рисунке (R_Н1=R_Н2=100 кОм); это зависимость токов функциональных пластин в статическом режиме от значения напряжения, приложенного к пластинам:

Из графиков видно, что при переходе напряжения на ФП через нуль направление токов, снимаемых с пластин, может изменяться. Связано это с наличием ионных токов. Их появление особенно заметно на второй и девятой пластинах по той причине, что они соединены с двумя пластинами, находящимися за первой и десятой

Если подать на пластину минус, то очевидно, что в области, где нет луча (он находится под исследуемой пластиной), начинают притягиваться ионы, но так как площадь, притягивающая их, велика (три пластины), а луч находится под одной, то естественно появление тока обратного знака. Этим же объясняется и изгиб около нуля остальных характеристик.

Зависимость токов функциональных пластин №9 и №10 от значения напряжения, приложенного к пластинам была снята при расположении источника напряжения и измерительного прибора на одной пластине и прохождении луча под девятой и десятой пластинами. Как видно из предыдущих результатов, эти пластины наиболее интересны. Графики показаны на рисунке справа. В качестве источника напряжения использовались аккумуляторы СЦД-15, имеющие низкое внутреннее сопротивление.

Из полученных зависимостей видно, что при положительном напряжении на ФП ток становится сравнимым с током коллектора. Это может быть полезно при использовании прибора для коммутации, когда в отличие от сканирования осуществляется замыкание луча через ФП. Ионный ток с увеличением отрицательного напряжения падает, что согласуется с данными, известными для сеточного тока электронных ламп.

Отрицательный наклон характеристики тока может быть причиной генерации.

Рассмотрим зависимость токов ФП от частоты сканирования и различных нагрузок. Зависимость тока ФП от частоты сканирования луча исследовалась для пяти пластин, когда луч двигали вдоль осей х и у. Полученные графики показаны на рисунке:

Для всех графиков хорошо выражена зависимость, связанная с уменьшением токов при увеличении частоты, это объясняется наличием переходного процесса у токов ФП.

Перейдем к рассмотрению влияния нагрузок из сопротивлений, подключенных к ФП и коллекторам.

К функциональным пластинам подключались сопротивления вначале по 100 кОм, потом по 1, 2, 4 и 5,1 МОм, при этом значение нагрузки оставалось постоянным (100 кОм). Измерялись значения токов с коллекторов и в цепи каждого сопротивления, подключенного к пластине. Полученные зависимости показывают, что с повышением частоты наблюдается искривление графиков только при достаточно высоких значениях подключенных к пластинам сопротивлений:

Токи ФП от значения нагрузки на коллекторах не зависят:

Используя полученные результаты, сформулируем следующие рекомендации для практического использования ФЭЛП в системах преобразования информации:

   1) при работе ФЭЛП в схемах преобразования сигналов необходимо использовать постоянную по своему значению нагрузку, что объясняется зависимостью значения тока в цепи коллектора от значения и характера нагрузки;
   2) для повышения точности преобразования в системах с использованием ФЭЛП необходимо использовать схемы компенсации нулевой линии;
   3) для расширения частотной характеристики ФЭЛП необходимо уменьшать сопротивление нагрузки в цепях коллектора.

Стабильность электрических характеристик и долговечность прибора

Основной тип погрешностей в политроне — это систематические ошибки, возникновение которых связано с технологическими неточностями при сборке прибора и аберрациями луча. Их устранение или учет не представляет труда, и потому этот вопрос специально не рассматривается, однако при разборе конкретных схем в дальнейшем указываются приемы компенсации.

Более сложной является борьба с погрешностями случайного характера. Их возникновение связано с нестабильностями питания и изменениями эмиссионных свойств катода.

Результаты испытаний политронов в течение 5 ч на стабильность тока коллектора показывают, что дрейф, приведенный к максимальному току коллектора, не превышает 0,2%.

Необходимо отметить, что один из путей борьбы с погрешностями случайного характера — это использование дифференциального входа или снятие дифференциального значения тока на коллекторах. В политроне для этого может использоваться противостоящее положение функциональных пластин и симметричное относительно двух коллекторов снятие выходного тока.

При испытаниях на долговечность в течение 2000 ч проводился контроль изменений тока коллектора. Результаты показывают, что дрейф тока коллектора, приведенный к максимальному значению, не более 5%.

Высокая надежность прибора при эксплуатации объясняется отсутствием внутри него замкнутых электрических цепей. Вся работа прибора регулируется путем изменения характеристик поля. Единственным наиболее уязвимым местом является узел катода, гарантированный срок службы которого и определяет общую долговечность прибора.

Общие принципы построения схем преобразования сигналов на основе политрона

Физические особенности работы политрона позволяют сформулировать общие принципы его использования в схемах преобразования сигналов:

   1) форма представления входного электрического сигнала может быть цифровой, аналоговой и комбинированной;
   2) прибор можно использовать в качестве преобразователя многомерных сигналов с возможностью их последующего восстановления;
   3) политрон позволяет реализовывать динамические операторы преобразования сигналов, обладающие свойством адаптивности;
   4) прибор обладает высокоомным входом и низкоомным выходом, что делает удобным его согласование с внешними устройствами;
   5) частотный диапазон, габариты, малая потребляемая мощность и долговечность позволяют использовать политрон с современной элементной базой.

Одно из первых применений политрона было основано на использовании формы поля в приборе для моделирования полиномов Чебышева. Это свойство политрона используется для апериодического умножения частоты. Развитием этого подхода явилось исследование возможностей применения политрона при построении аналоговых функциональных преобразователей.

Возможности политрона нелинейно преобразовывать сигналы случайного характера были использованы при построении систем опознавания, классификации и распознавания (к примеру, при обработке низкочастотных сигналов, лежащих в диапазоне инфранизких частот).

Среди иных областей использования политрона, которые были исследованы и получили практическое воплощение, можно выделить следующие задачи: генерирование электрических сигналов специальной формы, статистического моделирования и измерения, решения уравнений в частных производных, пространственной фильтрации.

Информации по этой лампе крайне мало. Многое из того, что приведено здесь, взято с сайта Политрон: уникальный прибор - почти искусственный интелект (причем наш - отечественный), целиком посвященного этому прибору.

Надо сказать, что на меня - заядлого скептика и где-то в душе даже циника - сайт производит двоякое впечатление. С одной стороны, там собраны весьма редкие и интересные материалы. С другой, описанная там постановка экспериментов и интерпретация полученных данных весьма сомнительны для меня, как радиоинженера. Да и экзальтированная тональность, гм... Хочется всё же верить, что написание слова "интеллект" через одно "Л" в данном случае не символизирует.

Вот хорошая цитата оттуда "...исследовательских работ, начатых группой энтузиастов в начале 60-х годов. Была поставлена задача изыскания практических возможностей получения информации за пределами традиционных методов ее обнаружения или так называемой “скрытой информации” (СИ). В последнее время СИ часто является предметом обсуждения самых разнообразных эзотерических явлений. С этой целью был создан принципиально новый электроннолучевой прибор полетрон (там именно так! - К.), освоенный отечественной промышленностью в начале 70-х годов."

Эзотерические явления. Электронно-лучевой прибор, созданный для обнаружения их. Остаётся только еще раз сказать "гм"...

Для поднятия настроения. "И для этого нужен политрон. Тысячи тонн политрона!" - Грешнов Михаил - Мы даем дождь. Писатели такие писатели :)))

Источники:

1. А. с. № 113634 (СССР). Электронно-лучевая лампа с фигурным анодом/А. И. Ставицкий, В. Н. Жук. Опубл. в Б. И., 1958, № 6.
2. Путилин А. Б. Политрон (Использование в схемах преобразования информации). — М.: Энергия, 1980 (Б-ка по автоматике; Вып. 612).
2. Каталог инновационных проектов и научно-технических разработок Московского государственного открытого университета, Москва - 2008.

домой