หลอดรังสีแคโทด (ซีอาร์ที)

หลายพันปีก่อนชาวกรีกโบราณรู้จักสร้างไฟฟ้าสถิตโดยการถูแท่งอำพันกับขนสัตว์ ซึ่งดูดของเบา ๆ อย่างขนนกมาติดกับแท่งอำพันได้ และคำว่าอำพันในภาษากรีกก็คือ elektron

อาเลสซันโดร วอลตา (Alessandro Volta) ประดิษฐ์แบตเตอรี่ไฟฟ้าเมื่อปี ค.ศ. 1800 โดยใช้ขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วคือแคโทดและแอโนดที่จุ่มอยู่ในสารละลาย ตอนนี้แหละที่มนุษย์รู้วิธีที่จะทำให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ผ่านลวดโลหะตัวนำที่เชื่อมต่อระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองได้

ค.ศ. 1831 ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ประดิษฐ์ไดนาโมจากแท่งแม่เหล็กและขดลวดตัวนำ ที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าให้ไหลในขดลวดได้ และต่อมาเมื่อมีการนำเครื่องจักรไอน้ำมาใช้ปั่นไดนาโม ก็กลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และตั้งแต่ ค.ศ. 1890 โลกตะวันตกก็เปลี่ยนไฟถนนจากใช้แก๊สมาใช้ไฟฟ้าแทน

สิ่งที่น่าประหลาดคือ ขณะนั้นมนุษย์รู้จักใช้ไฟฟ้าโดยไม่รู้อย่างแท้จริงเลยว่า ไฟฟ้าคืออะไร

ของเล่นของนักวิทยาศาสตร์ในยุคของฟาราเดย์อย่างหนึ่งก็คือ ฟาราเดย์พบว่าถ้าขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่เข้ามาอยู่ใกล้กันพอ จะเกิดประกายไฟระหว่างขั้วทั้งสองได้ ซึ่งในที่สุดก็มีผู้ให้คำอธิบายที่ถูกต้องได้ว่า เป็นผลจากไฟฟ้าทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของอากาศซึ่งเป็นฉนวนต่อไฟฟ้า แต่ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองมีแรงผลักที่ต้องการเคลื่อนผ่านอากาศไปให้ได้ จึงเกิดเป็นประกายไฟขึ้นมาเพื่อให้เชื่อมถึงกันจนได้ คราวนี้ถ้าหากขั้วไฟฟ้าทั้งสองอยู่ในที่ไม่มีอากาศจะเกิดอะไรขึ้น เมื่อไม่มีอากาศเป็นฉนวนเช่นนั้น กระแสไฟฟ้าก็น่าจะไหลระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองที่อยู่ห่างกันได้ นั่นคือต้องมีหลอดสุญญากาศที่มีขั้วไฟฟ้าอยู่ที่ปลายสองข้าง ฟาราเดย์ได้ทดลองหลอดที่ว่าแต่บรรจุแก๊สเอาไว้แล้วปล่อยไฟฟ้าเข้าไป จากนั้นก็ค่อย ๆ ดูดแก๊สออก ซึ่งยุคนั้นอุปกรณ์ยังไม่ดีนักทำให้ดูดแก๊สออกได้ไม่มาก ผลปรากฏว่าแก๊สระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองเกิดการเรืองแสงได้ และมีการนำไปใช้เป็นไฟนีออนโฆษณา

หลอดที่แทบไม่มีอากาศเหลืออยู่เลยที่ดีที่สุดขณะนั้น (ช่วงปี ค.ศ. 1855) เป็นของนักเป่าแก้วชาวเยอรมันชื่อไฮน์ริช ไกส์สเลอร์ (Heinrich Geissler) เพราะว่าเขาได้พัฒนาปั๊มสุญญากาศคุณภาพดีขึ้นมา เขาจึงสามารถประดิษฐ์หลอดเช่นว่านี้ ที่ได้ชื่อว่าหลอดไกส์สเลอร์ (Geissler) ขึ้นมามากมายหลายขนาด หลายรูปร่าง และเมื่อบรรจุด้วยแก๊สชนิดต่าง ๆ แทนที่อากาศ และสูบออกให้เหลือความดันต่ำ ๆ จากนั้นเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปก็จะได้หลอดเรืองแสงที่มีสีสันต่างกันตามชนิดของแก๊สที่บรรจุไว้

ปี ค.ศ. 1859 นักคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อยูลิอุส พลือเคอร์ (Julius Pluecker) เป็นคนแรกที่เอาจริงเอาจังกับหลอดไกส์สเลอร์ เขาเพียงแต่สูบอากาศออกจากหลอดให้มากที่สุด แล้วเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปก็สังเกตเห็นแสงสีเขียวเรืองปรากฏอยู่ผนังหลอดแก้วที่แถว ๆ แอโนด

จากนั้นก็มีผู้ศึกษาแสงเรืองสีเขียวนี้ตาม ๆ กันมาอีกมาก โดยผลิตหลอดที่คุณภาพดีขึ้น และหลอดก็มีรูปร่างพิศดารมากขึ้นด้วย และคนแรกที่ตาดีที่สุดก็คือลูกศิษย์ของพลือเคอร์นั่นเอง เขามีชื่อว่าโยฮันน์ ฮิททอร์ฟ (Johann Hittorf) ตอนนั้นเป็นปี ค.ศ. 1869 ที่เขาสังเกตเห็นว่าที่จริงแล้วแสงเรืองสีเขียวนั้นพุ่งออกมาจากตั้งแต่แคโทดทีเดียว และเมื่อไปกระทบกับผนังหลอดแก้วแถว ๆ ด้านแอโนด ก็เกิดแสงสีเขียวเรืองมากขึ้น นอกจากนี้เขายังลองใส่วัตถุไว้ในหลอดเพื่อบังรังสี แต่เนื่องจากคุณภาพหลอดยังไม่ดีนัก ข้อสรุปจึงยังไม่ชัดเจน จากนั้นต่อมาในปี ค.ศ. 1876 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อออยเกน โกลด์ชไตน์ (Eugen Goldstein) เห็นว่าแสงเรืองนี้น่าจะเป็นรังสีชนิดหนึ่ง และเนื่องจากมันเกิดออกมาจากแคโทด เขาจึงตั้งชื่อให้ว่า รังสีแคโทด (cathode rays) และหลอดประเภทนี้ก็พลอยได้ชื่อว่า หลอดรังสีแคโทด ภาษาอังกฤษคือ cathode ray tube ปัจจุบันนิยมเรียกสั้น ๆ ว่าหลอดซีอาร์ที (CRT)

ต่อมาในปี ค.ศ. 1878 ก็มีผู้สามารถพิสูจน์ยืนยันแสงเขียวเรืองได้ว่าออกมาจากแคโทดจริง คือนักเคมีและฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เซอร์วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) ด้วยคุณภาพหลอดที่ดีขึ้นอีกมาก โดยการออกแบบหลอดรังสีแคโทดที่นิยมเรียกกันว่า Crookes Tube หลอดนี้มีกากบาทมอลทีส (Maltese Cross) ติดบังแคโทดเอาไว้ ทำให้เห็นได้ว่ามีเงาของกากบาทไปปรากฏอยู่บนผนังหลอดแก้วด้านตรงข้าม แสดงว่าแสงเขียวเรืองนั้นออกมาจากแคโทดจริงและเคลื่อนออกมาเป็นเส้นตรงด้วย จึงถูกกากบาทมอลทีสบังเอาไว้ได้

ต่อมาครูกส์ยังได้ทดลองใช้วงล้อที่มีแกนวางอยู่บนท่อนแก้วสองแท่ง โดยที่ตัวใบพัดจะบังระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง จากนั้นเมื่อต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองเข้ากับแบตเตอรี่ จะเกิดรังสีแคโทดที่ดันให้วงล้อหมุนได้ และหากต่อสลับขั้วไฟฟ้า วงล้อก็จะหมุนกลับข้าง นอกจากนี้ครูกส์ก็ยังทดลองใช้สนามแม่เหล็กมาเบี่ยงเบนเส้นทางเคลื่อนที่ของรังสีแคโทดได้ อันแสดงว่ารังสีแคโทดเป็น “ประจุไฟฟ้าลบ” ซึ่งต่อมาภายหลังในปี ค.ศ. 1891 นักฟิสิกส์ชาวไอริชชื่อจอร์จ จอห์นสโตน สโตนีย์ (George Johnstone Stoney) เสนอแนะให้เรียก “ปริมาณ” ของ “แต่ละส่วน” ที่ประกอบกันเป็นรังสีแคโทดว่า “อิเล็กตรอน” (electron) ชื่อนี้เป็นที่ยอมรับและต่อมาไม่นานก็ถูกใช้เรียกอนุภาคอิเล็กตรอนที่ใช้กันมาจนถึงปัจจุบันนี้ ทั้ง ๆ ที่ขณะนั้นคนจำนวนมากคิดว่ารังสีแคโทดเป็นคลื่นแบบเดียวกับคลื่นแสง (รวมทั้งคนดังอย่างไฮน์ริช แฮร์ตซ์ [Heinrich Hertz] ด้วย) ที่รู้แต่เพียงว่าทำให้มันเกิดขึ้นได้อย่างไร แต่ยังไม่มีใครรู้ว่า อิเล็กตรอน คืออะไรกันแน่ และทำไมมันจึงเกิดขึ้นได้ในหลอดรังสีแคโทด

หลอดรังสีแคโทดนี้ปล่อยรังสีเอกซ์อ่อน ๆ ออกมาด้วยและผู้ที่สังเกตและค้นพบก็คือวิลเฮล์ม เรินต์เกน (Wilhelm Roentgen) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน เมื่อปี ค.ศ. 1895 ทำให้การตรวจวินิจฉัยทางการแพทย์รุดหน้าไปอย่างมาก

ค.ศ. 1897 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อคาร์ล เบราน์ (Karl Braun) หาวิธีทำให้แสงเรืองของรังสีแคโทดสว่างขึ้น โดยการฉาบผนังหลอดแก้วด้านที่รับรังสี ด้วยสารเรืองแสง (fluorescent materials) จากนั้นยังลองปล่อยกระแสไฟฟ้าที่มีการแกว่งกวัด (oscillate) เข้าไปด้วย และจากการทดลองนี้ในปัจจุบันได้กลายเป็นต้นแบบของตัวแกว่งกวัด (oscillator) จอเรดาร์ จอมอนิเตอร์ และหลอดภาพโทรทัศน์ (ส่วนจอคือผนังหลอดแก้วด้านแอโนดที่พัฒนาให้ขยายใหญ่ขึ้นมาก และฉาบด้วยสารเรืองแสงเป็นจอสัญญาณหรือจอภาพขึ้นมา)

ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันแล้วว่า รังสีแคโทดคือกระแสของอนุภาคอิเล็กตรอน ที่เคลื่อนออกมาจากแคโทดได้ ก็โดยความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองนั้น ซึ่งความสำเร็จของหลอดรังสีแคโทด อยู่ที่การทำให้เป็นสุญญากาศได้มากน้อยเพียงใด เพราะหากในหลอดมีอากาศอยู่เท่ากับบรรยากาศภายนอก ทุก ๆ ระยะห่างระหว่างแคโทดและแอโนดเท่ากับ 1 เซนติเมตร จะต้องมีความต่างศักย์สูงมากถึง 30,000 โวลต์ กระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าจึงจะเชื่อมถึงกันได้ แต่ในหลอดซีอาร์ทีที่ดูดเอาอากาศออกไปเหลือความดันประมาณ 10 มิลลิบาร์ กระแสไฟฟ้าจะเคลื่อนไปในอากาศ เกิดแสงเรืองอย่างสม่ำเสมอ ระหว่างแคโทดและแอโนดได้ด้วยความต่างศักย์ระหว่างขั้วต่ำลงมาก

แหล่งข้อมูล

1. http://inventors.about.com/library/inventors/blcathoderaytube.htm
2. http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/history/electron.html
3. http://inventors.about.com/gi/dynamic/offsite.htm ?site=http://www.emory.edu/X%2DRAYS/century%5F02.htm
4. http://inventors.about.com/gi/dynamic/offsite.htm ?site=http://www.acmi.net.au/AIC/CROOKES%5FBIO.html
5. http://www.digicamhistory.com/
6. http://www.orau.org/PTP/collection/xraytubes/maltesecross.htm
7. http://www.altx.com/EBR/w(ebr)/essays/henderson.html
8. http://e-radiography.net/history/general.htm