Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 23 страниц)

Сквозь тьму и туман

В пушкинской сказке о «Золотом петушке» говорится:

 
Чуть опасность где видна,
Верный сторож как со сна
Шевельнется, встрепенется,
К той сторонке обернется
И кричит: «кири-ку-ку!..»
 

Современная техника осуществила сказочную идею «Золотого петушка» и создала приборы более совершенные, чем предвидела народная фантазия.

При правильном выборе длины волны, работа радиолокатора не зависит от времени суток и погоды. Эти приборы «видят» ночью нисколько не хуже, чем днем. Они «видят» и в тумане, непроглядном, как молоко. Густые тучи, сплошные облака, клубы пыли, дымовая завеса или мгла, иногда застилающая горизонт, – для радиоволн прозрачны, почти как чистый воздух.

Все, что скрыто от глаз тьмой, расстоянием, туманом, дымом или пылью, благодаря радиолокаторам становится видимым.

Некоторые радиолокационные станции имеют вращающиеся антенны, и их радиолуч непрерывно обшаривает небо и землю, показывая наблюдателю план окружающей местности и все, что происходит над ней и на ней.

Вспомогательные электронные приборы сообщают не только направление и расстояние до цели, но и ее высоту над землей, скорость и направление ее движения. Такими радиолокаторами с экраном кругового обзора снабжают самолеты и морские суда.

Наконец, современная техника создала приборы еще более удивительные. Имеются, например, радиолокационные станции, которые не только замечают появление самолета или корабля, но и определяют, чей он – свой или чужой. Если чужой, они начинают следить за ним, одновременно приводя в действие артиллерийские приборы. Орудия, ведомые локатором, подымают и поворачивают свои жерла навстречу врагу. Они неотступно следуют за каждым его движением. Артиллеристу остается только нажать кнопку и в нужный момент открыть огонь, чтобы уничтожить противника.

Один из морских боев во второй мировой войне длился всего лишь 30 секунд: корабли противника были обнаружены радиолокационной станцией и молниеносно поражены огнем артиллерии главного калибра.

Зоркость радиолокаторов не уступает зоркости оптических приборов. Радиолокатор может заметить консервную банку, прыгающую на волнах в 10 километрах от станции.

В последние месяцы войны подводные лодки даже ночью с опаской всплывали на поверхность и делали это в случаях крайней необходимости. Для пополнения запасов свежего воздуха и перезарядки аккумуляторов они предпочитали подымать на поверхность трубу воздухопровода. Однако даже такие предосторожности не спасали немецкие подводные лодки.

Радиолокаторы «морских охотников» и гидросамолетов замечают перископ или конец воздухопровода, едва высунувшиеся из воды. Из 1174 подводных лодок, которыми располагала фашистская Германия, было обнаружено и уничтожено 785.

Радиолокационные станции бывают самых различных размеров. Одни из них весят десятки тонн и снабжены исполинскими антеннами, другие – немного больше чайного стакана.

Локаторы-лилипуты предназначены для снарядов зенитной артиллерии. Эти локаторы представляют собой маленькое чудо современной техники. Они помещаются в головке зенитного снаряда. В столь малом пространстве располагаются: передатчик, приемник, антенна, пять крошечных радиоламп, источники питания и другие детали радиолокационной станции.

Раньше зенитные снаряды, даже при очень меткой стрельбе, зачастую пролетали возле самолета, не причиняя ему никакого вреда. Подсчитано, что на каждый сбитый самолет тратилось до 5000 обычных зенитных снарядов.

Снаряд, снабженный радиолокационными взрывателями, не слеп: он «видит» цель и, оказавшись на расстоянии 15–20 метров от вражеского самолета, взрывается, поражая его осколками (рис. 96).

Рис. 96. Разрез радиовзрывателя зенитного снаряда.

Такими снарядами английская зенитная артиллерия в годы войны вела огонь по немецким самолетам-автоматам– «Фау-1». До применения «видящих» снарядов, из каждой сотни «Фау-1» удавалось сбить над морем 5–6. Снаряды, снабженные «радиоглазом», изменили это соотношение. Из сотни «Фау-1» Лондона достигали только 4–5, остальные уничтожались огнем зенитной артиллерии.

Первый «разговор» с Луной

В Советском Союзе радиолокаторы быстро нашли себе применение в народном хозяйстве. Они широко обслуживают морской и воздушный транспорт.

Теперь грузовой или пассажирский пароход идет в туманной мгле или ночью так же уверенно, как и в ясный солнечный день. Радиолокатор заранее предупреждает капитана о приближении встречного судна или айсберга, в тумане пересекающего путь корабля. Штурман не сетует на облака, скрывающие от него солнце и звезды и мешающие ему ориентироваться.

Радионавигационные приборы, принимая сигналы радиомаяков, позволяют уверенно вести корабль по заданному курсу. Радиорулевой управляет рулем, не позволяя кораблю «рыскать» и уклоняться в сторону. Радиокурсограф автоматически прокладывает на карте курс, отмечая положение корабля. Точность определения места корабля на расстоянии 2000 километров от радиомаяка весьма велика, ошибка не превышает 100–200 метров.

Когда корабль находится близ суши, радиолокаторы показывают панораму берега – скалы и рифы, прибрежные города и гавани (рис. 97).

Рис. 97. Экран кругового обзора. 1 – самолеты, 2 – кучевые облака, 3 – слоисто-кучевые облака, 4 – озера, 5 – крыши домиков, 6 – место наблюдателя, 7 – след газов от моторов самолета, на котором находится наблюдатель.

Летчик на самолете, снабженном радиолокатором с трубкой кругового обзора, сквозь густые облака видит землю под собой. Яркими ниточками светятся на экране железные дороги, сверкают металлические крыши зданий, темнеют ленточки рек и пятна озер. На экране видна карта местности, над которой летит самолет, и летчик без особого труда может ориентироваться. Благодаря радиолокации и радионавигации так называемый «слепой» полет стал «зрячим».

В короткой, но богатой событиями летописи радиолокации записано замечательное достижение. Вечером 10 января 1946 года, когда взошла Луна, радиосигнал, посланный человеческой рукой, ворвался в межпланетное пространство, достиг Луны и вернулся обратно, чтобы доложить о расстоянии, отделяющем Землю от ее соседа и спутника (рис. 98).

Рис. 98. Радиолокация Луны.

Способ радиосвязи с Луной и ближайшими к Земле планетами указали советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси. Они же разработали приемы измерения межпланетных расстояний при помощи радиосигналов.

Первый опыт измерения расстояния до Луны показал могущество современной науки.

Когда настанет час старта первого космического корабля, его поведут сигналы астрорадиомаяков, и радиостанции Земли будут поддерживать с отважными путешественниками непрерывную связь.

Глава одиннадцатая. Свет и ток

Успехи фотоэлемента

Впервые десятилетия своего существования фотоэлемент, как и катодная трубка, был только физическим прибором. Он служил для научных исследований, но практического применения ему не находилось.

Инженеры, совершенствуя фотоэлемент, ничего по существу в нем не изменили. Основные части прибора оставались теми же, что были и у Столетова: два электрода – чувствительный к свету катод с большой поверхностью; анод, имеющий вид небольшого колечка или сеточки; батарея или другой источник постоянного тока.

Оба электрода заключены в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Современный фотоэлемент похож на электрическую лампочку. Но их сходство только внешнее. Эти приборы имеют совершенно противоположное назначение: осветительная лампочка преобразует электрическую энергию в свет, а фотоэлемент преобразует световую энергию в электрическую.

Когда на катод фотоэлемента падают световые лучи, через прибор идет ток. Чем ярче свет, тем сильнее фототок. Однако даже самый яркий свет рождает в фотоэлементе незначительный по силе ток, измеряемый миллионными долями ампера.

Поэтому физики присоединили к фотоэлементу ламповый усилитель. Через усилитель фотоэлемент может приводить в действие реле – автоматический выключатель тока.

Простейшее реле представляет собой небольшой электромагнит с легким и подвижным якорьком на пружинке. Когда через обмотку электромагнита проходит даже очень слабый ток, – магнит притягивает якорек, а тот, замыкая цепь от какого-либо сильного источника тока, приводит в действие двигатели и механизмы, соединенные с этим источником тока (рис. 99).

Рис. 99. Схема, составленная из фотоэлемента, реле и вентилятора. Лучи света, падая на катод фотоэлемента, включают ток и приводят в движение вентилятор.

Возможно и другое включение реле: когда магнит притягивает к себе якорек, – цепь разомкнута. Но как только ток в обмотке электромагнита прекращается, якорек перестает притягиваться, пружинка отрывает его от сердечника электромагнита и прижимает к контактам источника сильного тока: происходит включение исполнительной цепи.

В союзе с усилительной радиолампой и реле фотоэлемент перестал быть только физическим прибором. Он начал нести службу в промышленности.

Сначала фотоэлемент приспособили для автоматического подсчета изделий на конвейерах и транспортерах.

С одной стороны ленты транспортера поставили маленький фонарик, бросавший поперек ленты узкий пучок параллельных лучей. С другой стороны транспортера, напротив фонарика, поместили фотоэлемент. Световой пучок падал на фотоэлемент, и через фотоэлемент шел ток.

Изделия, двигаясь по транспортеру, проходили мимо фотоэлемента и заслоняли собой свет фонарика. Ток в цепи фотоэлемента прекращался. Электромагнит реле отпускал якорек. Падая, якорек приводил в движение механизм счетчика. Каждый раз, когда изделие преграждало луч света, счетчик прибавлял единицу. Так, изделия, проходя мимо фотоэлемента, считали «сами себя».

Фотоэлемент, соединенный с радиолампой, реле и счетчиком, учитывал готовую продукцию спокойно, аккуратно – дни, недели, месяцы, не утомляясь, не ошибаясь и не требуя особого ухода.

После первых удачных опытов, фотоэлементы начали устанавливать на многих рабочих местах, а провода провели к счетчикам в диспетчерскую комнату. Диспетчер, глядя на выстроившиеся перед ним счетчики, видел, как идет работа на любом участке, сколько заготовлено деталей и сколько выпущено готовой продукции.

Фотоэлемент заставили охранять банк. В стенах коридора, ведущего в хранилище, установили несколько потайных фонариков. Они бросали тонкие пучки невидимых инфракрасных лучей. Лучи пересекали коридор, образуя незримую решетку.

На противоположной стене напротив каждого фонарика укрепили фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Провода от каждого фотоэлемента шли к реле сигналов тревоги.

Достаточно было пересечь хотя бы один луч, – по всему зданию заливались звонки, с грохотом захлопывались стальные створки дверей-ловушек, которые преграждали выход злоумышленнику. Фотоэлемент оказался прекрасным «сторожем».

У входных дверей гостиниц тоже стали устанавливать фотоэлементы. Каждый посетитель, входя в подъезд, неминуемо пересекал световой луч: фотоэлемент «замечал» появление человека и через реле включал несколько механизмов. Небольшие электромоторы распахивали двери, в вестибюле вспыхивал полный свет, а чучело медведя раскрывало пасть и произносило человеческим голосом: «Милости просим!», «Добро пожаловать!» или «Извините, сегодня в гостинице свободных номеров нет!..» Фотоэлемент стал «швейцаром».

В Советском Союзе «электрический глаз» занял почетное место в технике безопасности. Световыми лучами ограждают опасные пространства под паровыми молотами, под штампами прессов, высоковольтные установки. Достаточно рабочему нечаянно попасть рукой или даже пальцем в опасную зону – фотоэлемент мгновенно включит тормозное устройство, и машина остановится.

Достоинства фотоэлемента – мгновенность действия, постоянная бдительность и, в соединении с реле, способность приводить в движение любой исполнительный механизм – были по заслугам оценены конструкторами и изобретателями.

На одной международной выставке фотоэлемент приладили к телескопу.

Телескоп направили на определенную точку неба, а реле фотоэлемента соединили со всеми механизмами выставки.

Настал вечер. Гости, съехавшиеся на выставку, толпились у ворот. Тысячи любопытных облепили ограду, всматриваясь в безлюдную территорию выставки.

В поле зрения телескопа появился Арктур – звезда первой величины из созвездия Волопаса. Луч света Арктура скользнул в телескоп и упал на фотоэлемент. Реле замкнуло контакт, и в тот же миг на всей территории выставки вспыхнули огни, осветились павильоны и дорожки. Распахнулись сами собой ворота, ударили фонтаны. Заиграла музыка, заработали все действующие модели машин и станков. Побежали вагончики электрической железной дороги. На мачте, освещенной прожекторами, взвился флаг, а в воздух взлетели сотни разноцветных ракет. Все это «проделал» слабенький луч звезды, пойманный фотоэлементом. Это он привел в движение множество различных механизмов – выключателей, моторов, фонтанных кранов, радиол, ракетниц и прожекторов.

Но и это было лишь началом применения фотоэлемента, его первыми шагами в практической жизни.

Служба вторичных электронов

Советские ученые выработали для катодов фотоэлементов составы, чувствительные и к ультрафиолетовым лучам, и к видимому свету, и к невидимым инфракрасным лучам.

У современных фотоэлементов катоды изготовляют в основном двух типов – кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые. И те и другие чувствительны к видимому свету, однако, наибольшую чувствительность они проявляют, когда их освещают лучами определенного цвета. Кислородно-цезиевые даю г ток наибольшей силы при освещении инфракрасными лучами. Сурьмяно-цезиевые чувствительны к ультрафиолетовым и видимым лучам.

Баллоны фотоэлементов, после откачки воздуха, иногда наполняют разреженным газом – неоном или аргоном. Присутствие этих газов в фотоэлементе повышает его чувствительность.

Электроны, вылетевшие из катода, сталкиваясь с атомами газа, могут ионизировать их. В результате таких столкновений возрастает число электронов, попадающих на анод, и сила тока увеличивается.

Это большое преимущество. Но ему, к сожалению, сопутствует недостаток, свойственный газовым приборам. В создании тока в газонаполненном фотоэлементе участвуют не только легкие, подвижные электроны, но и сравнительно тяжелые, неповоротливые ионы. (Ион аргона почти в 70 тысяч раз массивнее электрона.) Пока эти ионы раскачиваются да пока доберутся до катода, – проходит время. Поэтому газонаполненный фотоэлемент начинает действовать не мгновенно, ему требуется некоторое время на «раскачку». За быстрыми изменениями силы светового луча ток не поспевает: с прекращением действия света, разогнавшиеся ионы в течение нескольких миллионных долей секунды еще продолжают по инерции налетать на катод. Ток прекращается не сразу.

У фотоэлементов, наполненных разреженным газом, ослаблено их важное достоинство – мгновенность действия – безинерционность. Впрочем это зло на практике часто неощутимо.

Присутствие разреженного газа в баллоне фотоэлемента увеличивает его чувствительность в 6 – 12 раз. Это уж не столь большое достижение. Техника настоятельно требовала создания значительно более чувствительных фотоэлементов.

Остроумное решение этой задачи нашел ленинградский инженер Л. А. Кубецкий. Он увеличил силу тока фотоэлемента ни мало ни много, а в несколько миллионов раз!

В своем фотоэлементе изобретатель, кроме катода и анода, поместил еще несколько электродов. Эти дополнительные электроды получили название эмиттеров, что означает – испускатели.

Л. А. Кубецкий покрыл эмиттеры кислородно-цезиевым составом, который легко отдает свои электроны. Работает фотоэлемент Кубецкого так: свет вырывает из катода электроны. Они летят к первому эмиттеру и ударяются об его поверхность. Каждый электрон выбивает 3–4 электрона, а иногда даже и больше.

Электроны, вылетевшие из первого эмиттера, направляются ко второму эмиттеру и выбивают еще по 3–4 электрона, которые устремляются к третьему эмиттеру. Там повторяется то же самое. Третий эмиттер в свою очередь умножает количество электронов и отсылает их к четвертому (рис. 100).

Рис. 100. Схема фотоумножения. Показано, как между эмиттерами возникает лавина электрона.

Поток электронов растет, как снежный ком.

Конечно, чтобы электрон был способен выбивать из эмиттеров новые электроны, он должен обладать достаточной энергией. Поэтому на каждый последующий эмиттер подается напряжение примерно на 100 вольт более высокое, чем на предыдущий. Кроме того, чтобы электроны попадали с одного эмиттера на другой, не сбивались с дороги, применяются различные системы управления при помощи электрических или магнитных полей.

На фотографии трубки Кубецкого видно, что трубка имеет 16 электродов. 2 из них – катод и анод, а 14 – эмиттеры (рис. 101).

Рис. 101. Фотоумножитель Кубецкого.

Какое же усиление могут дать эти 14 эмиттеров? Допустим, что каждый электрон, ударяясь о поверхность эмиттера, выбивает всего лишь по 3 вторичных электрона. Значит, каждый электрон, вылетевший из катода, выбьет из первого эмиттера 3 электрона.

От второго эмиттера их полетит уже 3 х 3 = 9, от третьего—27, от четвертого – 81, от пятого – 243. От девятого эмиттера в путь отправится 19 683 электрона, от двенадцатого – 531 441. После четырнадцатого эмиттера на анод попадает 4 782 969 электронов! Свыше четырех с половиной миллионов!

Одна трубка Л. А. Кубецкого может заменить множество усилительных ламп, которые обслуживают фотоэлементы других типов, усиливая их сигналы. Прибор Л. А. Кубецкого получил название фотоумножителя. Его автор был удостоен Сталинской премии.

Фотоумножители были значительно усовершенствованы профессорами П. В. Тимофеевым и С. А. Векшинским (рис. 102).

Рис. 102. Фотоумножитель Векшинского.

Зоркие помощники

Изобретения и усовершенствования, сделанные советскими учеными, намного улучшили фотоэлементы, и круг их обязанностей необычайно расширился.

Когда, например, полагается включать уличное освещение? Обычно это делается в заранее установленные часы. И в пасмурную погоду и безоблачным ясным вечером фонари вспыхивают на улицах в одно и то же время. Утром же они гаснут, когда захочется диспетчеру. Иной раз приходится видеть, как фонари горят до полудня. Это – напрасная трата энергии.

Теперь во многих городах Советского Союза за силой дневного света следят фотоэлементы. Как только становится действительно темно, они включают свет – в пасмурные дни и в узких улицах раньше, в ясные вечера и на площадях и набережных – позже. Утром фотоэлементы так же аккуратно гасят свет.

Фотоэлементы, помещенные внутри фабрично-заводских труб, контролируют и регулируют работу котельных топок. Густой дым затемняет, ослабляет свет фонарика, обслуживающего фотоэлемент. Фотоэлемент приводит в действие механизмы, управляющие топкой: прочищаются колосники, подается больше воздуха, устанавливается нормальный режим горения топлива.

На боевых кораблях фотоэлемент помогает соблюдать маскировку. Черные столбы дыма, вырывающиеся из труб, делают корабли заметными задолго до появления эскадры на горизонте. Фотоэлемент зорко следит, чтобы топливо сгорало без дыма.

С каждым годом расширяется применение контрольных и сигнальных фотоэлементов. Они становятся такими же привычными, как пишущая машина, электрическая лампочка, термометр, телефон, водопровод.

Искусственный глаз астронома

Астрономы уже давно задумывались, что хорошо бы в некоторых случаях заменить наблюдателя у телескопа автоматическим прибором.

Ученые знали, что света звезды достаточно для срабатывания фотоэлементов, но не умели заставить его отметить с точностью до нескольких тысячных долей секунды момент прохождения звезды через меридиан обсерватории.

Η. Н. Павлов, астроном и одновременно радиолюбитель, решил изобрести прибор, заменяющий наблюдателя. Ученый начал работу в 1934 году и вскоре узнал, что и за границей тоже конструируют электрический наблюдатель. Опыты неизменно заканчивались неудачей. Изобретатели не находили способа создать искусственный глаз, который мог бы соперничать с человеческим.

Советский ученый продолжал работать, он был уверен в успехе, потому что он жил и трудился в советской стране.

Первый прибор, построенный Павловым, был слеповат, он видел фонари, но не замечал звезд. Чувствительность заграничных фотоэлементов, выписанных в обсерваторию, была слишком мала. Слабые лучи звездного света не оказывали на них никакого действия. Перышко самозаписывающего аппарата, соединенного с фотоэлементом, чертило унылую, совершенно прямую линию.

Вскоре советские ученые изобрели новый тип фотоэлементов. Павлов приобрел его и поставил в свой прибор.

В декабре 1935 года Η. Н. Павлов приступил к опыту. Для начала была выбрана самая яркая звезда нашего неба – Сириус.

Лучу звездного света надлежало скользнуть в астрономическую трубу и сквозь узкую щель упасть на фотоэлемент. В это мгновение в фотоэлементе возникнет слабенький электрический ток. Усиленный радиолампами, этот ток должен подействовать на магниты самозаписывающего прибора – хронографа. Магниты притянут якорек, якорек щелкнет, и прикрепленное к нему перышко поставят на телеграфной ленте зубчик.

Наступал решительный момент: Сириус приближался к меридиану обсерватории. Профессор Павлов следил за медленным перемещением звезды в поле зрения инструмента.

Вот еще мгновение! Еще полсекунды…

Громко щелкнули магниты хронографа. Перышко дрогнуло и поставило на ленте отчетливый зубчик. Это Сириус своим лучом расписался в прибытии на меридиан обсерватории. Прибор впервые «увидел» звезду.

Правда, Сириус очень ярок, заметить такую звезду – не велика заслуга, но, как говорится, лиха беда начало!

Ученый продолжал совершенствовать свое изобретение, и два года спустя его искусственный глаз по чувствительности сравнялся с человеческим.

В 1946 году работа в основном была закончена. Профессор Павлов опубликовал свое изобретение.

«Электрический глаз» астронома имеет вид круглой коробки величиной с литровую банку. Он привинчен к окуляру астрономического инструмента и составляет с ним одно целое.

В тот момент, когда звезда проходит через меридиан обсерватории, луч ее света падает на фотоэлемент, и на ленте самозаписывающего прибора появляется зубчик. Второе перышко самозаписывающего прибора, соединенное с точными астрономическими часами, отмечает на той же ленте секунды.

Астроном берет ленту с отмеченными сигналами звезды и часов, спокойно, не торопясь, измеряет промежуток между сигналами и определяет, насколько ошибаются – спешат или отстают – астрономические часы. А по этим часам потом проверяют ход всех часов Советского Союза.

Электрический глаз, в отличие от живого наблюдателя, никогда не спешит, не волнуется, не устает, не допускает ошибок.

Советские астрономы выиграли битву за точность и обеспечили отечественной Службе времени более надежную работу, чем в любой капиталистической стране.

Правительство СССР присудило профессору Η. Н. Павлову Сталинскую премию.