Текст книги "Девять цветов радуги"
Автор книги: Александр Штейнгауз
сообщить о нарушении
Текущая страница: 18 (всего у книги 23 страниц)
Принцип умножения
Ученые и инженеры стремились устранить этот недостаток фотоэлемента, не позволяющий применять его во многих очень важных устройствах. И они искали пути, которые привели бы к повышению чувствительности и увеличению рабочих токов. Решая эту задачу, они стремились найти такие металлы и их соединения, применение которых в фотокатодах позволило бы повысить число испускаемых электронов при том же самом количестве падающих на фотокатод фотонов. Это правильный путь, но, идя по нему, нельзя получить особенно большого выигрыша. Законы природы устанавливают здесь естественный предел. Как мы помним, законы фотоэффекта показывают, что даже в идеальном случае каждый фотон (если он к тому же обладает достаточной энергией) может выбить всего лишь один электрон. В настоящее время созданы такие фотокатоды, которые испускают один электрон на каждые пять попавших на него фотонов. При этом, конечно, не учитываются те фотоны, которые принципиально не могут выбить из данного материала электроны.
Это прекрасный результат. Но ученые нашли еще более радикальный метод повышения чувствительности и рабочего тока. Первым использовал его и получил хорошие результаты советский ученый Кубецкий.
Новый тип фотоэлемента, созданный Кубецким, называют фотоэлектронным умножителем.
Если электрону, вылетевшему из фотокатода, сообщить достаточно большую энергию, а следовательно, и скорость и направить его на металлическую пластинку, то электрон может выбить из нее другие электроны.
Схема фотоэлектронного умножителя. Свет, падая на фотокатод 0, выбивает из него электроны. На электроды 1, 2, 3, 4, 5, 6 и на коллектор подано напряжение, причем на каждом последующем электроде это напряжение выше, чем на предыдущем.
Очень важно при этом, что можно подобрать металл для пластинки, ее форму и скорость первичного электрона, что он выбьет из нее не один, а несколько вторичных электронов – например, пять или шесть. Эти электроны, в свою очередь, тоже можно ускорить и вновь направить на следующую, подобную первой пластинку. И тогда из нее будет выбито уже 36 электронов. Если повторять такую операцию, то с третьей пластинки можно выбить 216 электронов, с четвертой– 1296, и так далее.
Создавая фотоумножитель, Кубецкий и воспользовался этим явлением. Он заставил первые выбитые фотонами электроны (поэтому их часто называют фотоэлектронами) разгоняться в электростатическом поле, ударяться о металлический электрод (его называют динодом) и выбивать вторичные электроны. Эти электроны тоже ускорялись и направлялись на следующий динод. Такой процесс повторялся многократно, и количество электронов от динода к диноду нарастало, словно снежная лавина. К последнему электроду, по существу выполнявшему ту же роль, что и анод в обычном фотоэлементе, вместо единичного фотоэлектрона приходили тысячи и даже миллионы вторичных электронов. В приборе Кубецкого фотоэлектроны как бы умножались по закону геометрической прогрессии. Именно поэтому прибор и получил название фотоумножителя. В нем можно получать не один электрон на каждые пять фотонов, как прежде, а до миллиона вторичных электронов на каждый фотон.
И все-таки самые совершенные фотоумножители только в некоторых случаях могут сравниться по чувствительности с глазом, полностью адаптированным к темноте. В этих случаях некоторые электронные схемы с фотоумножителями могут чувствовать световые потоки, содержащие несколько десятков фотонов в секунду. Но для того чтобы добиться такого результата, необходимо охлаждать фотокатод и диноды фотоумножителя до температуры минус 100 градусов и ниже.
И вот по какой причине.
Электроны могут приобрести достаточную скорость и покинуть фотокатод лишь в том случае, если им будет сообщена достаточная энергия. Эту энергию электроны могут получить не только от фотонов, но и при нагреве фотокатода. При повышении его температуры энергия электронов становится достаточной, чтобы они вылетели из фотокатода. Именно за счет нагрева катода (такой катод называют термокатодом) в электронных лампах и получают свободные электроны, которые часто называют термоэлектронами.
Правда, для того чтобы термокатод испускал как можно больше электронов, его раскаляют до температуры в несколько сот и даже выше градусов.
Испускание катодом электронной лампы термоэлектронов – явление безусловно полезное. Но оно становится крайне вредным в фотоэлементах и особенно в чувствительных фотоумножителях. Даже то ничтожное количество термоэлектронов, которые вылетают из фотокатода при комнатной температуре, может нарушить правильную работу прибора. Ведь ток, вызванный термоэлектронами, не зависит от световых сигналов, пришедших на фотокатод, но в то же время он воспринимается приборами, подключенными к фотоумножителю точно так же, как и ток, вызываемый фотоэффектом. Иначе говоря, термоэлектроны в фотоумножителе создают ложные сигналы. Если такие сигналы велики, они будут нарушать правильную работу аппаратуры, вводить в заблуждение и даже могут замаскировать полезные сигналы, когда последние слабы.
Ложные сигналы, возникающие за счет термоэлектронов, существуют всегда, непрерывно. Если бы мы подали их на наушники или громкоговоритель, то услышали бы характерное непрерывное шипение, или, как говорят, шум, на фоне которого прослушивались бы только достаточно сильные полезные сигналы. Вот этот шум, всегда присутствующий не только в фотоэлементах и фотоумножителях, но и во всех других электронных устройствах, не позволяет различать очень слабых полезных сигналов и не дает возможности повысить чувствительность фотоумножителей до предела. С шумами в электронике борются всеми доступными средствами, всячески стараясь их понизить. Чем меньше будет шум, тем более слабые сигналы сумеет зарегистрировать аппаратура, тем меньше будет ложных (их часто называют паразитными) сигналов. Именно для этого фотоумножители охлаждают до такой низкой температуры. При этом количество термоэлектронов, вылетающих из фотокатода и из диодов, значительно уменьшается.
Фотоумножители очень широко применяются в науке и технике. Многие оптические приборы, в которых раньше единственным чувствительным элементом являлся глаз, стали делать с использованием фотоумножителей. Они оказались теми искусственными органами чувств, которые заменили глаз человека и позволили проводить значительно более точные количественные измерения. Кроме того, и это очень важно, электрические сигналы, выдаваемые ими, можно вводить в электронные думающие устройства и тем самым автоматизировать измерения.
Фотоумножители широко применяются в астрономии для изучения спектров звезд, для измерения их яркости. В физике с помощью фотоумножителей делаются необыкновенно чувствительные, так называемые сцинтиляционные счетчики, позволяющие определять ничтожные уровни радиоактивности.
С давних времен в торговом и военно-морском флоте применяется световая сигнализация. Она бывает двух видов. Одна осуществляется с помощью условных сочетаний разноцветных огней, другая – с помощью световых вспышек. Пользуясь азбукой Морзе и сигнальными фонарями, в ночную пору можно вести переговоры на очень больших расстояниях. Однако ведущим переговоры часто требуется содержать в секрете не только их содержание, но и сам факт таких переговоров. Для того чтобы обеспечить скрытность работы, на флоте применялись фонари Ратьера, дававшие очень узкий луч, не видимый со стороны. Но и они не гарантировали полной незаметности.
Перед второй мировой войной на суше и на море стали широко применять световую связь на невидимых инфракрасных лучах. Передатчиками служили специальные прожекторы. В качестве источников света в них могли использоваться обычные мощные лампы накаливания, а выходное отверстие прожектора закрывалось специальным светофильтром, пропускавшим только инфракрасные лучи. Сигналы такого передатчика принимали с помощью фотоэлемента, установленного в фокусе объектива, также прикрытого инфракрасным светофильтром. Дальность действия светового телеграфа была очень небольшой. Ее удалось повысить, когда были изобретены фотоумножители.
Примерно в те же годы был разработан световой телефон. Передатчик такого телефона, как и прежде, представлял собой прожектор со светофильтром. Но вместо обычной лампы накаливания в нем устанавливали специальную газосветную лампу. Лампы такого типа меняют свою яркость в такт с изменением величины поданного на них напряжения.
Лампа светового телефона подключалась на выход мощного электронного усилителя. К входу этого усилителя присоединяли микрофон, который преобразовывал речь в электрические колебания. Они усиливались усилителем и меняли интенсивность свечения газосветной лампы.
На приемной стороне пульсирующий свет улавливался фотоумножителем и преобразовывался им в электрические колебания. Они, как и в звуковом кино, усиливались и подавались на наушники или на громкоговоритель.
Световые телефоны, устроенные по такому принципу, в прошлую войну применялись во многих армиях.
Вы, несомненно, слышали о радиолокаторах. Эти высокосовершенные приборы позволяют человеку обнаруживать объекты в воздухе, на земле, на поверхности воды в любое время суток и в любых метеорологических условиях. Ни снегопад, ни дождь, ни туман не мешают радиолокатору видеть. Эта замечательная способность объясняется тем, что радиоволны, на которых ведется локация, гораздо больше самых длинных инфракрасных волн. А чем больше длина волны электромагнитных колебаний, тем меньше им мешают такие явления, как снегопад, дождь и туман.
Другим исключительно важным достоинством радиолокации является то, что она позволяет с очень высокой точностью измерять расстояния до объектов. Принцип радиолокационного измерения расстояний очень прост. Он заключается в измерении промежутка времени между излучением очень короткой посылки радиоволн, «вспышкой» радиоволн, и приходом отраженных от объекта радиоволн. Зная скорость их распространения и время, затраченное волнами на путешествие до объекта и обратно, можно легко определить расстояние.
На этом же принципе основаны и световые измерители расстояний. В прожекторе-передатчике устанавливается специальная импульсная лампа, которая дает чрезвычайно кратковременные световые вспышки необычайной силы. Луч прожектора направляется на объект, который отразит световую вспышку. Часть света (очень маленькая) возвращается назад, и здесь ее улавливает приемник света – зеркальный или линзовый объектив, в фокусе которого установлен фотоумножитель. Время между посылкой вспышки и ее возвращением измеряется с помощью специальных электронных схем, таких же, как и в радиолокации.
Световые дальномеры могут быть сделаны такими точными, что в некоторых странах их используют в геодезии. Правда, они не могут работать уже при умеренном тумане, а облака являются для них непреодолимым препятствием даже при использовании инфракрасных лучей. В этом заключается очень большой недостаток световых дальномеров, но он может быть превращен и в преимущество. Так, например, световой дальномер может быстро и точно определять высоту нижней кромки облаков, что не под силу обычному радиолокатору.
Чувствительные глаза
Итак, фотоэлементы и фотоумножители оказались очень полезными приборами и в ряде случаев с успехом заменили глаз человека. Но это возможно только тогда, когда требуется определять наличие или отсутствие световых лучей или получать электрические сигналы, пропорциональные изменению интенсивности света во времени. По-настоящему видеть ни фотоэлемент, ни фотоумножитель не умеют. Они действительно способны расширить некоторые свойства зрения, но не способны вооружить глаз, как микроскоп и телескоп, фотоаппарат и киноаппарат.
Может ли вообще электроника решить подобную задачу?
Безусловно, и в этом ей помогает фотоэффект. Об одном из волшебных приборов, созданных электроникой, позволяющем человеку непосредственно наблюдать невидимое, будет сейчас рассказано. Называется этот прибор электронно-оптическим преобразователем.
Схематический чертеж простейшего преобразователя приведен ниже.
Стакан Холста – первый тип электронно-оптического преобразователя.
Из него видно, что преобразователь представляет собой стеклянную колбу или баллон, похожий на стакан, но не простой, а с толстыми полыми стенками и двойным дном.
Рассмотрите чертеж внимательно, и вы увидите, что на внутренней поверхности дна большого стакана располагается фотокатод, такой же, как у фотоумножителя. Вы заметите так же, что на внутренней поверхности дна малого стакана нанесен слой люминофора – особого порошка, способного светиться под воздействием электронной бомбардировки. Этот люминофор образует экран, по своим свойствам совершенно схожий с экраном кинескопов для телевизоров. Заметьте, что к экрану положительным полюсом подключен источник высокого напряжения и, таким образом, он одновременно является и анодом.
На том же чертеже вы видите схематическое изображение объекта, сфокусированное на фотокатоде.
В соответствии с распределением освещенности на самом объекте различные участки фотокатода будут, как и на любой фотопластинке, освещены по-разному. На основании закона Столетова каждый из участков фотокатода будет в единицу времени испускать пропорциональное количество электронов: слабо освещенные участки будут испускать их мало, сильно освещенные – много.
Под воздействием приложенного высокого напряжения электроны, ускоряясь, полетят к экрану. По каким же путям будут они перемещаться? Оказывается, и это чрезвычайно важно при данной конструкции преобразователя, каждый из электронов будет двигаться по прямой, перпендикулярной к точке фотокатода, из которой он вылетел. А это означает, что каждая точка фотокатода как бы соединена незримой трубочкой с соответствующей точкой экрана. И по этим «трубочкам» движутся, не смешиваясь между собой, электроны.
В таких условиях каждая точка экрана будет светиться с яркостью, пропорциональной количеству электронов, вылетевших из противоположной точки фотокатода. И, следовательно, на экране мы увидим ту же самую картину, которая проектируется линзой на фотокатод. Ее нарисуют на белом экране электроны. Качество изображения в современных электронно-оптических преобразователях, гораздо более сложных по своей конструкции, чем описанный здесь, очень хорошее. Оно ненамного хуже, чем у фотографий, получаемых с малоформатного негатива. Правда, к краям изображение иногда заметно ухудшается.
Возможно, некоторые читатели усомнятся в пользе такого преобразования– ведь оно уже давно доступно фотографии. Действительно, фотография может получать изображение в инфракрасных и ультрафиолетовых лучах. Но сколько приходится терять времени, прежде чем снимок будет готов и станет доступным для просмотра! А электронно-оптический преобразователь показывает человеку то, что происходит в момент наблюдения, и тем самым позволяет вести активное наблюдение. А это означает, что при необходимости человек может вмешиваться в происходящее и контролировать результаты своего вмешательства.
Создатели электронно-оптического преобразователя ставили перед собой именно такую задачу – вооружить глаз устройством, позволяющим вести активное наблюдение в невидимых лучах спектра. При этом прежде всего имели в виду инфракрасные лучи, так как они способны проникать сквозь дымку, а многие объекты, особенно военного значения, сами интенсивно испускают такие лучи и поэтому могут быть демаскированы при наблюдении в инфракрасный преобразователь.
Однако, по мере того как преобразователи совершенствовались, выяснились их новые замечательные свойства. Главнейшее из них то, что яркость изображения на экране может превышать яркость самого объекта во много десятков раз. То есть преобразователи изображения одновременно явились и усилителями яркости. Особенно большое усиление можно получить, если сделать преобразователь каскадным. Принцип каскадности очень прост и состоит в том, что усиленное по яркости изображение с экрана преобразователя вновь проектируется на фотокатод второго преобразователя и еще раз усиливается. Изображение, видимое на экране второго преобразователя, будет, таким образом, во много раз ярче уже усиленного по яркости изображения, получаемого на экране первого преобразователя. Такое каскадное соединение преобразователей позволяет получать даже тысячекратное усиление яркости.
Схематическое изображение современного двухкаскадного электронно-оптического преобразователя.
А это означает, что электронно-оптический преобразователь позволяет видеть (и хорошо видеть) в такой кромешной тьме, в которой глаза человека, кошки, барсука и даже совы совершенно беспомощны. Правда, качество изображения в каскадном преобразователе несколько ухудшается – падает его четкость, но не очень значительно. И, если учесть, что он является пока единственным в мире прибором, превосходящим во много раз по чувствительности глаз человека, такое снижение четкости можно не считать решающим недостатком.
Высокой чувствительности фотоумножителя можно добиться только при сильном охлаждении. Электронно-оптический преобразователь, как и фотоумножитель, тоже необходимо охлаждать, если требуется видеть очень слабо освещенные объекты. Неохлажденный преобразователь по своей чувствительности не может значительно превзойти глаз. В этом случае на его экране будут заметны сильные помехи, которые тоже называются шумами, хотя мы не слышим их. Эти шумы будут напоминать снегопад, причем снежинки будут тем чаще, ярче и крупнее, чем выше рабочая температура преобразователя. При комнатной температуре этот снегопад на экране превратится в метель, даже в буран, сквозь который уже будет невозможно увидеть изображение слабо освещенных и мелких объектов.
Электронно-оптические преобразователи имеют военное и мирное применение. О них написано в нашей и в зарубежной печати.
В первую очередь их используют в военной технике. Например, в ночных инфракрасных прицелах.
Но все же преобразователь стал и мирным орудием. Он не только вооружает глаз солдата, но и помогает лечить больные глаза. Многие вещества, и в том числе живые ткани, прозрачны для инфракрасных лучей. Прозрачен для них и страшный белесый нарост на зрачке, называемый бельмом. С помощью электронно-оптического преобразователя можно легко обследовать внутренность глаза, пораженного бельмом, и определить методы лечения.
Мы рассказывали о микроскопе «МИК-1». В нем тоже применен преобразователь. Но его с успехом используют не только в микроскопии – астрономы включили преобразователь в число орудий астрономических исследований. На этот раз не столько для преобразования невидимых лучей в видимые, сколько для усиления яркости слабых звезд.
Известно, что фотографирование с экрана электронно-оптического преобразователя позволяет сократить экспозиции примерно в 50—100 раз. Электронно-оптический преобразователь (в данном случае его лучше было бы называть электронным усилителем света) в сочетании с 500-сантиметровым телескопом поможет увидеть звезды на таких расстояниях, которые без него были бы доступны только 50-метровому телескопу. Постройка таких телескопов в наше время невозможна. Но, даже если бы удалось создать такой телескоп, это обошлось бы страшно дорого. Преобразователь же очень дешевый прибор, с его помощью можно добиться такого же результата[33]33
Если, конечно, не учитывать того, что в 50-метровом телескопе разрешающая способность была бы значительно выше, так как влияние дифракции в нем уменьшилось бы.
[Закрыть].
И еще одним замечательным свойством обладает электронно-оптический преобразователь. Если в его конструкцию ввести специальный электрод, то можно, подавая на него отрицательное напряжение, перекрывать путь электронам и тем самым «запирать» или закрывать преобразователь, подобно тому, как это делают со световыми лучами фотографические затворы. Самые лучшие затворы в современных аппаратах не способны давать экспозиции много меньше тысячной доли секунды. Такая выдержка позволяет фотографировать многое, но в научной фотографии для изучения очень быстро протекающих процессов часто требуются выдержки в миллионные доли секунды. Ни один механический затвор не в состоянии открыться и закрыться за такое короткое время. И тогда-то приходят на помощь электронные затворы – электронно-оптические преобразователи.
Винтовка с инфракрасным прожектором и инфракрасным прицелом. В коробке – источник электрического тока. Внизу – инфракрасная подзорная труба, тот же прицел и инфракрасный прожектор.
