Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 23 страниц)

Иконоскоп – электронный глаз

Б. Л. Розингу – основоположнику электронного дальновидения еще при жизни удалось видеть осуществление его идеи. Два советских изобретателя– инженеры Константинов из Ленинградского электрофизического института (в 1930 году) и Катаев из Всесоюзного электротехнического института (в 1931 году) изобрели «зрячую» электроннолучевую трубку, получившую название – иконоскоп, что означает «изображение смотрящий».

Глаз может служить моделью фотоаппарата. У глаз – веки, у фотоаппарата – затвор. Диафрагма – радужная оболочка. Линзе объектива условно соответствует хрусталик, а светочувствительной пленке – сетчатка (рис. 104).

Рис. 104. Глаз послужил моделью и для фотоаппарата и для видящих приборов телевидения.

В фотоаппарате светочувствительная пленка состоит из множества отдельных мельчайших частичек бромистого серебра. Под действием света бромистое серебро разлагается, и изображение запечатлевается на пластинке.

И глаз и фотоаппарат послужили образцами для создания основного прибора современного телевидения «иконоскопа». Иконоскоп тоже имеет «веки» – затвор, «зрачок» – диафрагму и набор линз, составляющих объектив прибора. Напротив объектива на задней стенке иконоскопа расположена «сетчатка» – светочувствительный электрод, называемый фотокатодом. Он имеет зернистую, мозаичную поверхность, то есть состоит из множества отдельных чувствительных к свету элементиков.

Фотокатод изготовляют из тонкой слюдяной пластинки, на которую наносят несколько миллионов мельчайших капелек серебра. Капельки серебра прилипают к слюде, покрывая ее крошечными точками. Серебряные крупинки, обработанные цезием, становятся маленькими, но совершенно самостоятельными фотоэлементиками.

Каждый такой фотоэлементик держится особняком: серебряно-цезиевые точки сидят на слюде изолированно, как островки.

Тыльную сторону слюдяной пластинки покрывают сплошным слоем какого-либо металла – алюминия, серебра, меди, и этот сплошной металлический слой через сопротивление соединяют с землей. Таким образом, каждый серебряно-цезиевый фотоэлементик одновременно является и конденсатором. Одной обкладкой этого микроскопического конденсатора служит серебряно-цезиевая крупинка, другой – слой металла, а диэлектриком – слюда.

К металлической обкладке припаян проводник, передающий сигналы изображения с фотокатода к другим приборам телевизионной станции – к усилителям и передатчику.

Объектив отбрасывает изображение передаваемого предмета на фотокатод. Каждый фотоэлементик получает определенную порцию света. Фотоэлементы, оказавшиеся в темных, теневых местах изображения, получают света меньше, оказавшиеся в светлых местах – больше.

Свет выбивает электроны из атомов серебряно-цезиевых крупинок. В местах, где света падает больше, электронов будет выбито много; в затемненных местах, где освещенность слабее, – поменьше, а в совсем черных, густых тенях, куда свет не падает, электроны вовсе не будут выбиты.

В результате воздействия светового потока, принесшего изображение, каждый из нескольких миллионов самостоятельных фотоэлементов, составляющих фотокатод, потеряет определенное количество электронов. Иначе говоря, каждая серебряно-цезиевая крупинка приобретет какой-то положительный заряд. Величина этого положительного заряда на каждом отдельном фотоэлементе будет в точности соответствовать количеству упавшего на него света.

На фотокатоде получится невидимое изображение, нарисованное мельчайшими положительными электрическими зарядами, причем темным местам соответствуют маленькие заряды, а светлым – более крупные.

Но каждый фотоэлемент одновременно и конденсатор. Когда на одной обкладке конденсатора возникают электрические заряды, то на другой обкладке накапливаются заряды точно такие же по величине, но противоположные по знаку.

Фотоэлементы, потеряв электроны, приобрели положительные заряды. Следовательно, за слюдяной перегородкой в слое металла возникнут равновеликие отрицательные заряды.

Теперь на сцену выступает главное действующе лицо иконоскопа – электронный луч.

Луч «читает» изображение

Электронная пушка посылает на фотокатод тонкий электронный луч, а управляющие пластины (или заменяющие их катушки) передвигают его по фотокатоду точно так же, как наш взгляд пробегает по строчкам, когда мы читаем страницу книги.

Мы начинаем читать ее с верхней строчки, с левого края. Буква за буквой, слово за словом – взгляд доходит до конца строки и тотчас перескакивает на вторую строчку. Прочитав вторую строку до конца, он переходит на третью, с третьей на четвертую и так, строка за строкой, прочитывается вся страница.

При этом скорость чтения обычного текста составляет примерно 750 знаков в минуту (при чтении вслух) и 1500–2000 знаков при чтении про себя.

Электронный луч пробегает сначала вдоль верхней кромки фотокатода – по верхнему ряду фотоэлементов, затем луч перескакивает чуть ниже и пробегает слева направо вторую строчку. За второй строчкой он «прочитывает» третью, за третьей – четвертую и, таким образом, пробегает по всем строчкам фотокатода, «осматривая» все изображение, точку за точкой.

Иконоскопы, в которых луч прочеркивает на фотокатоде 625 строк за одну двадцать пятую долю секунды, дают очень высокое качество изображения и применяются только в СССР. В США лучшие телевизионные центры пользуются 525-строчной разверткой. Английские телевизионные станции применяют иконоскопы с разверткой на 405 строк.

Электронный луч – не что иное, как поток электронов. Следовательно, в тот момент, когда электронный луч падает на какой-либо фотоэлемент, убыль электронов, выбитых светом из этого фотоэлемента, мгновенно пополняется. Положительные заряды под действием электронного луча нейтрализуются. Электронный луч не «читает» изображение, он стирает, уничтожает его, как тряпка стирает мел с классной доски (рис. 105).

Рис. 105. Электронный луч, нейтрализуя положительный заряд фотоэлемента в мозаичном электроде, тем самым освобождает в металлической пластинке равновеликий отрицательный заряд, который стекает на сетку усилительной лампы.

В тот миг, когда электронный луч касается самого первого фотоэлемента в верхнем ряду и нейтрализует его положительный заряд, тотчас стайка электронов в металлической пластинке, которая была связана этим положительным зарядом, получает свободу. Она бросается к выходу из металлической пластинки. В проводнике возникает мгновенный ток – импульс, толчок. А сила этого импульса соответствует величине положительного заряда, нейтрализованного электронным лучом, и вместе с тем яркости изображений в самой левой верхней точке фотокатода.

Пробегая по всем фотоэлементам фотокатода и «стирая» один за другим положительные заряды на этих фотоэлементах, электронный луч освобождает соответствующие им по величине стайки электронов в металлической пластинке.

Эти стайки по очереди устремляются в проводник, создавая в нем цепочку мгновенных импульсов электрического тока. Стайки с большим числом электронов дают сильные импульсы. Если в стайке мало электронов – импульс слаб.

И что же получается? Электронный луч «стирает» с мозаичной поверхности фотокатода изображение, «нарисованное» положительными зарядами, и тем самым создает в проводнике цепочку сигналов – отрывистых импульсов электрического тока различной силы. Эти импульсы отводятся к усилителю, который обращает их в более мощные электрические сигналы. Изображение разлагается на ряд импульсов, следующих друг за другом, и «бежит» по проводам, как телеграфные знаки азбуки Морзе, Электронный луч в иконоскопе разрезает изображение на 625 строк-ленточек, превращает его в своеобразную телеграмму. Ее можно послать и по проводам и без проводов – по радио (рис. 106).

Рис. 106. Схема иконоскопа.

Электронный луч пробегает по всем точкам поверхности фотокатода за 1/25 долю секунды. Он делает ежесекундно по 25 кадров-снимков, почти не отличаясь в этом отношении от киносъемочного аппарата, который фотографирует на пленку 24 кадра в секунду. Такая частота обеспечивает передачу движущихся изображений, не уступающих по качеству кинофильму.

Так как электронный луч в советских телевизорах прочеркивает на фотокатоде 625 строк, а каждая строка содержит примерно по 832 элементика развертки, то, очевидно, общее число элементов в кадре составит 625 х 832 = 520 000, а полное число элементов в 25 кадрах, передаваемых за секунду, составляет 25 х 625 х 832 = 13 000 000 в секунду!

Уже из этого видно, какое огромное преимущество имеет электронная система телевидения перед механической, передававшей обычно только 100 х 100 х 10 = 100 000 элементов в секунду.

Объектив иконоскопа во время работы ни на один миг не закрывается. Он «смотрит, не мигая». Свет падает на фотокатод не отрывистыми порциями, как через дырочки в диске Нипкова, а сплошным потоком. Фотоэлементы находятся под непрерывным воздействием световых лучей и непрерывно накапливают заряды.

Электронный луч посещает каждый фотоэлемент через 1/25 долю секунды, а «гостит» у него всего лишь 1/13000000 долю секунды. За столь короткий промежуток времени он забирает у фотоэлемента весь накопленный им заряд.

Фотоэлемент в иконоскопе для накапливания зарядов имеет больше времени, чем для их высвобождения. И ясно, что видеосигналы, то есть сигналы, несущие изображения, в иконоскопе получаются много сильнее, чем в механических телевизорах, где фотоэлементы совсем не имеют времени для накапливания зарядов.

Несмотря на такое преимущество иконоскоп все же немного «подслеповат» и при обычном дневном освещении «видит» плохо. В студиях телевизионных станций поэтому приходится применять мощные «юпитеры» и «кинопрожекторы», заливающие сцену потоками яркого света.

В 1933 году два советских ученых, П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев, изобрели новый, значительно более совершенный тип «видящего» прибора, названный ими «суперэмиттрон».

Дальнейшие усовершенствования еще более повысили чувствительность передающей трубки. Если раньше передачу можно было вести только из специальных студий, где артисты страдали от жары, создаваемой множеством прожекторов, то сейчас можно передавать театральные постановки, футбольные матчи, различные моменты производственной работы из заводских цехов. Везде, где светло для человека, достаточно светло и для телевизионного передатчика.

Трудами советских ученых и изобретателей создан подлинный электронный глаз!

Приемник изображения

Сигналы, посланные телевизионным центром, улавливаются антеннами телевизионных приемников. Главной частью такого приемника является кинескоп, то есть электроннолучевая трубка, показывающая движущееся изображение. (Слово кинескоп означает «движение показывающий».)

Кинескоп почти ничем не отличается от электроннолучевых трубок, применяемых в осциллоскопах. В узком горлышке кинескопа помещаются электронная пушка, по сторонам ее управляющие катушки (как у иконоскопа), а широкое дно, покрытое люминофором, служит экраном.

«Пушка» посылает на экран электронный луч диаметром всего лишь в одну десятую миллиметра.

Управляющие катушки заставляют электронный луч бегать по экрану, в точности повторяя движения электронного луча в иконоскопе.

Он начинает свой путь с левого верхнего угла экрана и пробегает все 625 строк за 1/25 долю секунды.

Видеосигналы, то есть сигналы, несущие изображение, попадают на управляющий электрод пушки и изменяют его потенциал, а это в свою очередь сказывается на числе электронов в луче. Сильные импульсы, соответствующие светлым местам изображения, увеличивают число электронов в луче, и светлая точка на экране вспыхивает ярче.

Слабые импульсы, соответствующие темным местам изображения, уменьшают число электронов в луче, и светлая точка на экране тускнеет. Совсем слабые сигналы гасят луч, и на экране получаются черные тени.

Электронный луч рисует изображение, в точности подобное изображению на фотокатоде иконоскопа или суперэмиттрона.

Обычный радиоприемник, смонтированный в одном ящике с телевизором, передает звучание. Зритель, пользующийся телевизионным приемником, видит и слышит все, что происходит перед объективом передающего аппарата.

Телевидение в будущем

Основной недостаток современного телевидения – это малый радиус действия телевизионных передатчиков.

Чтобы получать высококачественные изображения, передачу телевизионной программы приходится вести на волнах длиной в 6 метров, а столь короткие волны почти не огибают выпуклость земного шара и почти не отражаются от ионосферы, они распространяются по прямой линии, как свет.

Эта особенность шестиметровых волн ограничивает радиус действия телевизионных центров примерно шестьюдесятью километрами. Вести передачу на большее расстояние не удается – мешает выпуклость земного шара.

Ученые упорно работают, чтобы сделать телевидение настоящим дальновидением. И несомненно, через несколько лет или через несколько десятков лет телевизоры позволят москвичам любоваться извержением Ключевской сопки на Камчатке, а жителям Камчатки видеть демонстрации на Красной площади или салюты на Москве-реке. Радиозрители смогут путешествовать вместе с отважными стратонавтами в заоблачных высотах или спускаться в «батистатах» в неисследованные глубины океана.

Советские ученые работают также над созданием телевизоров с большим экраном. Когда эта задача будет осуществлена, у нас, наряду с кинотеатрами, появятся телевизионные театры, в которых зрители смогут смотреть не кинофильмы, а театральные постановки, футбольные матчи, физкультурные парады, шахматные турниры и другие события, происходящие в данный момент. Студенты-медики будут следить за каждым движением руки опытного хирурга и воспринимать тонкие приемы современной хирургической техники (рис. 107).

Рис. 107. Телевизор, установленный в операционной, позволяет студентам-медикам видеть каждое движение хирурга.

Нет ничего несбыточного и в так называемой конференц-связи, которая позволит проводить съезды или конференции, не созывая ее участников в одно помещение. Участники совещания смогут находиться у себя дома, возле своих телевизоров, снабженных приборами конференц-связи. Каждый будет видеть и слышать всех выступающих, независимо от того, где он находится, и каждый может выступить, зная, что его увидят и услышат везде, где работают приборы конференц-связи.

Задумано осуществление видеотелефона – прибора, в котором сочетаются телевизор и телефон. Разговаривающий по телефону получит возможность не только слышать своего собеседника, но и видеть его. Видеотелефон позволит мастеру цеха обращаться в конструкторское бюро за разъяснениями и получать указания, поясняемые эскизами или чертежами.

Видеотелефон облегчит пользование сокровищами библиотек, музеев и архивов. По телефону можно будет посмотреть страницу любой книги, рисунок, документ, чертеж, не вынося его из хранилища.

Телевидение необычайно расширит деятельность высших учебных заведений, так как число студентов уже не будет ограничено вместимостью аудиторий.

Новое могучее средство связи вместе со скоростным транспортом содействует уничтожению разницы между городом и деревней. Люди, живущие в городе и вдали от города, смогут в равной мере пользоваться всеми благами культуры.

Телевизионная техника – частица быта коммунистического общества.

Ночезрительная труба

Размышляя об особенностях зрительных труб и о нуждах мореплавания, Ломоносов пришел к выводу, что морскую подзорную трубу можно сделать «ночезрительной», то есть способной не только приближать изображение удаленных предметов, но и показывать их явственнее в сумеречное время.

Современники Ломоносова отнеслись к его открытию с недоверием. Несмотря на все доказательства, они не смогли понять разницы между обычной подзорной трубой и ночезрительной.

Только уже в наше время академик С. И. Вавилов доказал правоту Ломоносова, и под его руководством были построены ночезрительные бинокли и трубы.

Однако преимущества ночезрительной трубы перед обыкновенной невелики. Ночезрительная труба способна улучшать видимость в 3–4 раза и то только в сумеречное время, ночью же и она бессильна.

Такая труба не может считаться настоящим «ночеглядом», потому что ее устройство основано на применении световых лучей. Где света нет – труба «слепа». Но ведь кроме лучей видимого света в природе существуют родственные световым «черные» лучи – инфракрасные и ультрафиолетовые. Нельзя ли ими воспользоваться для создания настоящего «ночегляда»?

Ультрафиолетовые лучи не способны преодолевать в воздухе большие расстояния. Они быстро гаснут, то есть рассеиваются и поглощаются частицами воздуха. Их применять в ночезрительной оптике нет смысла.

Инфракрасные лучи, наоборот, вполне пригодны. По своим оптическим свойствам они мало отличаются от световых. Инфракрасные лучи преломляются и отражаются так же, как и световые, но лучше их проходят сквозь туман.

Источником инфракрасных лучей служат любые раскаленные или даже нагретые предметы. Не только свеча, костер, лампочка или солнце испускают этот вид лучей, но и кипящий самовар, вытопленная печь, горячий утюг – также являются инфракрасными «фонарями».

Лучами-невидимками воспользовались сначала фотографы. Они изобрели особые химические составы, которые делают фотографические пластинки чувствительными к инфракрасному излучению.

Снимки, сделанные на таких пластинках, показали, как выглядит мир, озаренный инфракрасными лучами. Черный уголь, вытащенный из печки, получался белым, как снег, а снег – черным, как уголь. Стог сухого сена выглядел темным, а стог гниющего, прелого сена – светлым.

Печи, самовары, утюги – все горячее светилось, было видно, как сияние горячего утюга озаряет окружающие его предметы.

Пейзаж, сфотографированный в жаркий июльский полдень при ярком солнечном свете, производит впечатление снимка, сделанного при лунном освещении в январе: черное небо и белый снег (рис. 108 а и б). Листва деревьев и трава очень хорошо отражают инфракрасные лучи, и поэтому зелень кажется как бы усыпанной снегом.

Рис. 108а. Снимок, сделанный на обычных пластинках.

Рис. 108б. Тот же пейзаж, но сфотографированный в инфракрасных лучах.

Воздух же прозрачен для этих лучей, и небо выглядит темным.

Самая важная особенность снимков, сделанных в инфракрасных лучах, заключается в том, что на них хорошо видны очень удаленные предметы – горы, высокие башни, заводские трубы. С помощью инфракрасной фотографии удавалось получать «портреты» гор, расположенных в 200 километрах от фотоаппарата.

Математический расчет показывает, что гора высотой в 5000 метров видна на расстоянии 268 километров. Однако видеть горы на таком удалении случается только при очень большой прозрачности воздуха, а это бывает крайне редко.

Для инфракрасных лучей даже облака, клубы дыма или пыли до некоторой степени прозрачны. Легкая дымка, заволакивающая даль, и подавно не служит для них препятствием.

Поэтому все, скрытое от глаз этой дымкой, прекрасно получается на снимках, сделанных в инфракрасных лучах.

Замечательные свойства инфракрасных лучей не замедлили привлечь внимание изобретателей, работавших в области электронных приборов. Эти лучи давали возможность построить приборы, позволяющие видеть в полной темноте.

Задача изобретателей облегчалась тем, что современные кислородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны именно к инфракрасным лучам. Они даже более восприимчивы к ним, чем к обычным видимым лучам.

Каждый объектив ночезрительного бинокля отбрасывает изображение рассматриваемых предметов на отдельный полупрозрачный кислородно-цезиевый фотокатод.

Фотокатоды делают полупрозрачными, то есть светочувствительный состав наносят прямо на стекло баллона с его внутренней стороны. Свет падает на кислородно-цезиевый слой сквозь стекло. Инфракрасные лучи выбивают из фотокатодов электроны. В темных местах изображений, где лучи слабы, из фотокатодов вылетает электронов меньше, а в светлых – больше. Но электроны, выбитые светом, вылетают не на освещенную сторону фотокатода, а на противоположную, теневую сторону, они летят внутрь баллона, в том же направлении, в каком идут световые лучи.

Получается нечто вроде эстафеты – инфракрасные лучи приносят изображение на фотокатод, а дальше его подхватывают электронные лучи.

За фотокатодами помещаются электронные линзы – электронные объективы, дающие электронные изображения фотокатодов на люминесцирующих экранах. На них тогда появляются видимые глазом изображения предметов, которые можно рассматривать в окуляры обоими глазами, как в театральном бинокле (рис. 109) с увеличением в 2–3 раза.

Рис. 109. Схема одной из трубок бинокля для видения в инфракрасных лучах.

Такой прибор получил название электроннооптического преобразователя – он преобразует невидимое изображение в инфракрасных лучах в видимое.