Текст книги "Борис Львович Розинг - основоположник электронного телевидения"

Автор книги: Петр Горохов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 8 страниц)

Американский инженер Р. Гримшау привел описание электрического телескопа Б. Л. Розинга и отметил:

"Как показали эксперименты профессора Розинга и как можно было ожидать на основании всего, что известно о катодных лучах, эта форма электрической телескопии дала результаты, которых нельзя получить ни с какой другой аппаратурой с использованием механического движения в приемной станции.

Описанный в статье электрический телескоп, конечно, нельзя рассматривать как окончательное решение проблемы. Изобретатель уже счел необходимым внести некоторые улучшения в конструкцию, и впереди еще встретятся определенные препятствия. Тем не менее можно не сомневаться в том, что решение задачи близко" [¹⁰ R. Grimschau. The «Telegraphic Eye», Scientific American, vol. 104, N 13, 1911, p. 335—336.].

Революционные по своему характеру и конкретно-практические по содержанию идеи Б. Л. Розинга возродили интерес к телевидению у других исследователей, понимавших, что эти идеи могут служить основой для решения всей проблемы телевидения.

Однако сам изобретатель за два года лабораторных опытов еще не добился положительных результатов. На экране трубки не удавалось увидеть хотя бы слабые следы или контуры передаваемого изображения. Анализируя ход проведенной работы, Б. Л. Розинг писал: "Было бы ошибочно думать, что имея идеальный отправительный аппарат, дающий фотоэлектрические токи в строгом соответствии с яркостью передаваемых точек поля зрения, без всякой оетаточности, и такой же приемный аппарат, воспринимающий сигналы и распределяющий их с полным синхронизмом и без всякой инерции, – мы могли бы считать устройство электрического телескопа законченным" [¹¹ Б. Л. Розинг. Система электрической телескопии, основанная на применении пульсирующих и переменных токов. «Электричество», 1911, № 15, стр. 349—359.]. Потребовалось подвергнуть последовательно теоретическому и практическому изучению работу всех частей системы и неоднократно переделывать их. Основное внимание Борис Львович сосредоточил на электроннолучевой трубке, наиболее сложном и еще мало изученном элементе всей системы. Как получить на экране трубки изображение, переносимое очень слабыми фототеками? – этот вопрос стал главным для него.

Для достижения этой цели у него были очень ограниченные возможности. Нужно было уменьшить потери сигнала изображения в линии, соединяющей передающее и приемное устройства, и использовать весь электронный поток в трубке для воспроизведения изображений. Это привело к разработке второго варианта системы (см. рис. на стр. 50), отличавшегося от первого рядом интересных особенностей.

Передающее устройство было перестроено так, чтобы от него поступали на электроннолучевую трубку приемника импульсы фототока чередующейся полярности с амплитудами, пропорциональными яркости передаваемых элементов изображения. Для этого передаваемое изображение MN разбивалось при помощи решетки или растра R на равные элементарные участки и проецировалось через линзу L на зеркальный барабан В. Вместо одного были применены два фотоэлемента F1 и F2, включенные по дифференциальной схеме. Перед каждым из них находилось отверстие а или в, пропускавшее световые лучи, отраженные от развертывающих зеркал. Фотоэлементы работали поочередно, благодаря чему в линию поступал ток, близкий по форме к синусоидальному. (Это уменьшало искажения и потери, вызываемые влиянием емкости и самоиндукции линии, а также позволяло использовать в приемном устройстве явление резонанса для усиления сигнала.

Изменение способа получения сигнала изображения в передающем устройстве было введено для увеличения яркости изображения на экране трубки Р. В трубке прежней конструкции с модуляцией интенсивности электронного пучка при помощи диафрагмы яркость изображения зависела от количества электронов, проходивших через ее отверстие. Попадавшая на экран незначительная часть общего электронного потока не могла вызвать заметного его свечения. Кроме того, изготовление такой трубки было сложным, так как требовалась точная установка диафрагмы и регулировка положения электронного пучка относительно ее отверстия.

Видоизмененная система передачи изображений Б. Л. Розинга (1911 г.)

Сделанные Б. Л. Розингом расчеты и проведенная уже в наше время проверка их по имеющимся данным о трубке показывают, что для отклонения электронного пучка на диаметр отверстия в диафрагме, равный 1 мм, требовалось напряжение на отклоняющих пластинах около 0,1 в. Чтобы получить такое напряжение, необходим ток от фотоэлемента порядка 6 • 10^-5 а. Фотоэлементы, с которыми он экспериментировал, давали только 10^-7а, или 0,1 мка. Вследствие этого ему пришлось отказаться от модуляции электронного пучка диафрагмированием и перейти к модуляции скорости его движения по экрану, при которой интенсивность пучка не меняется. Для отклонения пучка по вертикали применено магнитное поле катушки Z, а по горизонтали – электрическое поле отклоняющих пластин С. На подводимое к пластинам напряжение развертки накладывалось пульсирующее напряжение сигналов от фотоэлемента, так что скорость движения пучка по строкам изменялась обратно пропорционально яркости участков передаваемого изображения. Когда в фотоэлемент попадал луч от наиболее светлого участка изображения, движение пучка по экрану замедлялось, что вызывало увеличение яркости его свечения, и наоборот. Таким образом, можно было получить все градации изображения.

Этот новый, "кинематический", как его назвал Б. Л. Розинг, способ модуляции, в отличие от старого, "статического", позволял упростить конструкцию трубки, повышал чувствительность всей системы и увеличивал яркость изображения на экране трубки в несколько раз. Введение модуляции скорости движения электронного пучка по экрану трубки представляло собой новое оригинальное решение, найденное Б. Л. Розингом.

Новая схема телевизионной системы Розинга с использованием модуляции скорости движения электронного пучка в приемной трубке была запатентована им в 1911 г. в России, а затем в Англии, Германии и США.

К концу 1910 г. усовершенствованная аппаратура была готова для проведения практических опытов. Чтобы уменьшить влияние соединительных проводов, передающий и приемный аппараты были расположены в непосредственной близости один от другого.

Вспоминая о своей работе в этот период, Борис Львович писал: "Опыты развиваются все дальше, одна оптическая система сменяется другой, динамомашины у зеркал заменяются проволочными сопротивлениями, эти последние – вращающимся конденсатором, катодная трубка получает все новый вид, покрывается обмотками проволок, экран и пятно делаются все меньше, наконец применяется микроскоп для наблюдения за флуоресцирующим пятном.

Прибор со всех сторон обставляется батареями, реостатами, выключателями, измерительными приборами; опыты как бы переносятся в подземелье, в комнату, закрытую от дневного света, где по целым часам гудят быстро вращающиеся зеркала, полосы яркого электрического света мелькают кругом, а перед глазами на темном поле зрения микроскопа флуоресцирующая точка непрерывно бежит по бесконечной зигзагообразной линии как бы со скоростью почтового поезда. Необходимость регулирования нескольких реостатов и батарей, отсчеты измерительных приборов, замыкание и размыкание десяти выключателей держат нервы в напряженном состоянии. А между тем опыты дают все еще неопределенные результаты. Наконец в записной книжке появляется запись: 9 мая 1911 г. в первый раз было видно отчетливое изображение четырех параллельных светлых линий.

Книжка откладывается вместе с остатками старого прибора, хранящего надпись: опыты 1897 года" [¹² В. Л. Р о з и я г. Электрическая телескопия.].

Факт, отмеченный лаконичной фразой в записной книжке, был на самом деле знаменательным историческим событием. Это была первая в мире телевизионная передача, так как ни один из предшественников Розинга не мог показать свою систему в действии и передать хотя бы простое изображение. Она знаменательна не только как первая в истории мировой науки и техники телевизионная передача, но и как первый шаг на пути практического применения электронного телевидения. Эта передача как бы символизировала победу нового направления в развитии телевидения.

Если учесть состояние техники электронных приборов того времени и отсутствие усилителей слабых фототоков, то следует признать, что получение на экране трубки даже простых изображений, передаваемых на небольшое расстояние, явилось величайшим научно-техническим достижением.

Иностранные патенты Б. Л. Розинга

Страница из записной книжки Б. Л. Розинга с записью о первой успешной передаче изображения

Передающий (а) и приемный (6) аппараты Б. Л. Розинга (1911 г.)

Борис Львович демонстрировал свои опыты группе петербургских физиков, среди которых были В. К. Лебединский, В. Ф. Миткевич, С. М. Покровский и др. Передавалось изображение решетки, помещенной перед объективом передатчика и освещенной проходящим светом. Это был наиболее благоприятный, с точки зрения передачи, вариант. Изображение на экране трубки состояло из четырех полос; при закрывании одного из отверстий решетки соответственные полосы на экране исчезали.

Вот, что писал в своих воспоминаниях об этих передачах один из учеников Б. Л. Розинга, в то время студент, а впоследствии профессор и заведующий кафедрой Ленинградского технологического института, Н. А. Маренин:

"Я впервые познакомился с (Борисом Львовичем еще будучи студентом первого курса Технологического института, так как он ассистировал Н. Л. Щукину на репетициях по теоретической механике. В лице Бориса Львовича я нашел чрезвычайно интересного, отзывчивого человека, с богатой творческой фантазией, постоянно занятого решением какой-либо задачи из самых разнообразных областей науки и техники... (Электрометрическая лаборатория постоянно была загромождена в разных местах очередными экспериментами Бориса Львовича, а также и нашими, студенческими, из разряда любителей, которым Борис Львович предоставлял весьма широкую свободу в пользовании оборудованием и приборами. Само собой разумеется, что некоторые из студентов помогали чем могли и самому Борису Львовичу.

В конце 1908 г. "электрический телескоп" уже был в действии. (Это была довольно примитивная установка с проволочной связью между передатчиком и приемником, причем для передачи сигнала требовалось шесть проводов, число строк развертки было всего 12, и изображение можно было передать весьма простое, например решетку или пальцы раскрытой руки, но это было уже живое движущееся изображение... Помню, с каким волнением мы, помогавшие Борису Львовичу в его опытах, следили за этими примитивными изображениями, переданными по проводам с использованием электронного луча, невесомого и безынерционного, послушно рисующего на экране. Это был верный путь, предугаданный Борисом Львовичем...

"Электрический телескоп" в действии видели многие наши профессора и преподаватели... По-видимому, примитивность передачи расхолаживала зрителей, не позволяя оценить всю важность предложения Бориса Львовича" [¹³ В статье: П. В. Шмаков. Первая в мире телевизионная передача. «Вестник связи», 1951, № 4, стр. 22—24,].

Отмечая заслуги Б. Л. Розинга в области электрической телескопии, Русское техническое общество присудило ему в 1912 г. золотую медаль и премию имени почетного члена общества К. Ф. Сименса[¹⁴ «Журнал общего собрания Русского технического общества 19 мая 1912 г.» Записки РТО, 1913, № 6—7, стр. 61.]. (Эта премия присуждалась один раз в два года за выдающееся изобретение, усовершенствование или исследование в области электротехники.

Но несмотря на все это, работой Розинга не заинтересовались ни правительственные учреждения, ни военное ведомство, очевидно потому, что она не могла сразу дать конкретно ощутимые результаты. Поэтому ученому пришлось проводить свои эксперименты, не получая никакой поддержки.

После первых успешных опытов передачи изображений Борис Львович продолжает кропотливую работу по усовершенствованию своей системы. Полученные результаты не удовлетворяли его. Он ясно отдавал себе отчет в том, что они только подтверждали правильность принципов построения системы, но не могли считаться приемлемыми с практической точки зрения. "Однако эти результаты оказались настолько грубыми,– писал он,– что я решил вновь подвергнуть переработке на этот раз все части прибора: оптическую систему, фотоэлектрическую цепь, синхронные приспособления и брауновскую трубку" [¹⁵ Б. Л. Р о з и н г. Основания электрической телескопии. Архив Центрального музея связи им. А. С. Попова.].

Большое внимание было обращено на совершенствование оптической системы передающего устройства. Нужно было добиться того, чтобы на зеркальную грань падал световой луч минимального сечения, а переход его с одной строки на другую совершался практически мгновенно. Оказалось, что эту задачу можно решить, направляя свет от передаваемого предмета на зеркало через оптическую трубу Кеплера с большой светосилой.

(Важным шагом в усовершенствовании приемного устройства, имевшим большое значение для дальнейшего развития электронного телевидение, бьэд переход от газонаполненной трубки с холодным катодом к вакуумной трубке с накаливаемым катодом и магнитной фокусировкой электронного пучка.

(Необходимость применения фокусировки электронного пучка была подсказана всем предшествующим опытом работы с электроннолучевыми трубками. Для получения четкого изображения требовалось до предела уменьшать диаметр светящегося пятна на экране. Можно было бы использовать для этого ограничивающие диафрагмы, но при этом уменьшалась яркость пятна. Из-за этого Б. Л. Розинг уже отказался от модуляции интенсивности электронного пучка при помощи диафрагмы.

Фокусирующее действие магнитного поля катушки на электронный пучок было известно еще в прошлом столетии. Однако это был только экспериментально установленный факт. Поэтому Б. Л. Розинг предпринял обстоятельное изучение фокусировки электронного пучка продольным магнитным полем длинной катушки. Он установил, что действие катушки на электронный пучок аналогично действию оптической собирающей линзы на световые лучи, и вывел расчетную формулу, связывающую фокусное расстояние "магнитной линзы" с числом ампервитков катушки [¹⁶ Б. Л. Розинг. О дальнейшем развитии электрического телескопа, работающего при помощи катодных лучей и о новом фотоэлектрическом реле. «Электричество», 1916, №15—16, стр. 245—249; 1916, № 17—18, стр. 265—271.]. |Это можно рассматривать как первое практическое применение положений электронной оптики в телевидении. Электронная оптика позднее (с середины 20-х годов) начала интенсивно развиваться, в значительной мере в связи с практическими задачами, возникшими при разработке электроннолучевых трубок для осциллографии и телевидения.

Для получения равномерного фокусирующего магнитного поля Борис Львович использовал длинную катушку, дававшую меньшие аберрации. Диаметр пятна на экране трубки доводился до 0,1 мм.

Разработанная Б. Л. Розингом электроннолучевая трубка уже в то время содержала в себе все основные элементы, характерные для современных телевизионных трубок.

Далее ученый пересматривает способ получения синхронизирующих (развертывающих) токов. Примененный в последней модели установки вращающийся электростатический индуктор должен был, по расчетам, давать ток требуемой пилообразной формы. Но этот ток, как можно было предвидеть, искажался вследствие влияния емкости и индуктивности линии, соединяющей передающее устройство с приемным.

В поисках путей преодоления этого затруднения Б. Л. /Розинг сформулировал правило, к которому он сам прибегал неоднократно и которым рекомендовал пользоваться другим изобретателям. Правило это заключается в следующем: "Если при применении какого-либо способа развивается явление, угрожающее испортить его работу, и притом устранить совсем это явление нельзя, то лучше всего вместо борьбы с ним перестроить самый способ так, чтобы он был основан на этом явлении: тогда это явление, попадая в число главных действующих пружин способа, естественно не может в то же время оставаться и вредным ему" [¹⁷ Б. Л. Розинг. Электрическая телескопия, стр. 41.].

Так как в данном случае вредным явлением оказалось, главным образом, емкостное сопротивление линии, то нужно было изменить способ получения развертывающего тока так, чтобы в основе его лежало использование влияния емкостного сопротивления. Для этого нужно, в соответствии со скоростью вращения зеркал барабана и движения светового луча в передатчике, подключать линию через большое сопротивление к постоянному источнику тока, а затем разряжать ее путем замыкания на малое сопротивление.

Таким образом, всякие сопротивления со скользящими контактами и динамомашины при вращающихся зеркалах становились излишними; их роль гораздо лучше выполняла сама соединительная линия и ряд контактов, служащих для указанных замыканий и размыканий. "Световое пятно на экране совершает при этом совершенно те же движения, которые под влиянием граней зеркал совершает изображение поля зрения на станции отправления относительно фотоэлемента.

Замечательно, что это простое приспособление действует тем лучше, чем скорость работы телескопа больше; следовательно, этот способ принадлежит как раз к тем, которые требуются рациональной электрической телескопии" [¹⁸ Там же.].

Все описанные усовершенствования были введены в третью модель электрического телескопа, разработка которой продолжалась несколько лет, начиная с мая 1911 г.

Хотя чувствительность приемной трубки к сигналам изображения была значительно повышена, она все же оказалась недостаточной для непосредственного воспроизведения изображений из сигналов при слабых токах обычных фотоэлементов и высоких частотах, с которыми имеет дело электрическая телескопия. Значительная часть фототока терялась в емкости соединительной линии и вспомогательных приборов. 'Стало очевидно, что для получения удовлетворительных результатов с прибором, рассчитанным на четкую и быструю передачу изображений, необходимо найти способ усиления тока фотоэлемента в сотни раз.

О возможности усиления электрических колебаний с помощью электронной лампы в то время еще не знали. Не были известны и никакие другие способы усиления. Задача казалась неразрешимой, но Б. Л. Розинг не отказался от продолжения своих опытов из-за этой трудности. Чем сложнее была задача, тем с большей настойчивостью он искал путей ее решения. Так было и на этот раз. Началась "погоня за различными приемами усиления этого тока".

Вначале он принимает меры, повышающие эффективность использования светового потока, падающего на фотоэлемент. С этой целью баллон фотоэлемента покрывается слоем серебра, в котором оставляется только небольшое входное окошко для световых лучей, т. в. применяется принцип абсолютно черного тела. Другой способ повышения чувствительности фотоэлемента, на который изобретатель натолкнулся случайно, состоял в обработке фотокатода продолжительным разрядным током в присутствии водорода. Аналогичный способ был применен почти в то же время Эльстером в Германии, а затем получил широкое распространение. Но даже и такие усовершенствованные фотоэлементы давали ток, не превышавший 2•10^-6– 3•10-⁶а.

Ввиду этого были предприняты поиски схемы включения фотоэлемента, которая давала бы усиление фототока до требуемого уровня.

"Поэтому,– писал Борис Львович,– мне пришлось обратиться к разным вспомогательным приемам и заняться преобразованием самой фотоэлектрической цепи. Уже с сентября 1912 г. по декабрь того же года мною было составлено около 30 таких схем. К марту 1913 г. число их возросло до 82. К концу октября того же года я записал 95-ю схему. 23 мая 1914 г. была придумана мною сотая схема, а под конец число их дошло до 123. Конечно, не все эти схемы были испытаны на опыте, многие из них носят переходящий характер от одного типа фотоэлектрической цепи к другому; однако более 40 из них были полностью осуществлены и испытаны, причем на некоторых из них пришлось остановиться довольно долго" [¹⁹ Б. Л. Р о з и н г. О дальнейшем развитии электрического телескопа, работающего при помощи катодных лучей, и о новом фотоэлектрическом реле. «Электричество», 1916, № 15—16, стр. 245—249; 1916, № 17—18, стр. 265—271.].

Во время этих опытов было открыто интересное явление, послужившее в дальнейшем основой для различных применений фотоэлементов, в том числе и в электрической телескопии. Это явление наблюдалось Б. Л. Розингом при использовании газонаполненных фотоэлементов и было названо им "баллистическим разрядом" фотоэлемента. Оно состоит в следующем. Если образовать цепь из последовательно соединенных фотоэлемента и большого сопротивления, шунтированного емкостью, и подвести к этой цепи напряжение, близкое к напряжению ионного разряда фотоэлемента, то под действием света в цепи возникают незатухающие релаксационные колебания. Ток в цепи достигает при этом такой величины (до 0,0001 а), что он способен действовать без каких-либо усилителей на реле, замыкающее местные электрические цени, а введенный в цепь тока телефон может издавать громкие звуки. При изменении освещенности фотоэлемента сила тока в цепи изменяется. Частота колебаний определялась величинами емкости и сопротивления; меняя одну из них, можно в широких пределах изменять частоту колебаний.

Недостаток этого "ионного" способа усиления фототока состоял в том, что возникший в цепи (разряд не прекращался при прекращении действия света на фотоэлемент. Поэтому необходимо было искать искусственные приемы автоматического гашения разряда при затемнении фотоэлемента. В связи с этим и было испытано большое количество схем в 1912—1914 гг.

В записной книжке за март 1913 г. имеется запись: "Схемы № 82—90, испробованы 4 схемы. 25 марта видны ясные сигналы с новым прибором по основной схеме" [²⁰ Б. Л. Р о з и н г. Записная книжка за март 1913 г. Архив Центрального музея связи им. А. С. Попова.] (сигналами Борис Львович называл изображения трафаретов в виде квадратов с различными вырезами – в форме креста, круга, звезды и т. д.).

К этому времени в радиотехнике появились схемы усиления сигналов при помощи изобретенной Ли де Форестом в 1907 г. трехэлектродной лампы (аудиона), и Б. Л. Розинг также намеревался применить электронную лампу для усиления тока фотоэлемента.

(Начавшаяся в 1914 г. первая мировая война изменила характер работы Б. Л. Розинга, как и многих других ученых. Ему пришлось переключиться на выполнение заданий военного ведомства. Но эти новые работы были вместе с тем как бы продолжением всех предшествующих исследований и основывались на уже достигнутых результатах. В 1915—1916 гг. он разрабатывает систему светоэлектрической сигнализации на больших расстояниях, также основанную на использовании явления возникновения колебаний в цепи фотоэлемента.

Прибор сигнализации представлял собой сочетание упрощенной оптической системы (линзы и неподвижные зеркала), фотоэлемента и реле, срабатывавшего от токов фотоэлемента и замыкавшего местную электрическую цепь. Источником световых сигналов были вспышки магния, солнечные лучи, отраженные от плоского зеркала (гелиографа) и электрический прожектор. Прибор реагировал на световые сигналы, создававшие в месте приема освещенность, не превышавшую 1/20 люкса. Расстояние между источником света и прибором вначале составляло около 1,5 км, затем было увеличено до 6,5 км и в конце опытов достигало 12 км (между фортами Кронштадта). Во всех случаях прибор работал безотказно и реагировал на слабые световые сигналы даже при неблагоприятных условиях.

Хотя эти опыты имели специальное военное значение, полученные результаты могли быть использованы для дальнейшего усовершенствования основной модели электрического телескопа.

В связи с работами по электрической телескопии и световой сигнализации Б. Л. Розинг разработал совместно с преподавателем Женского политехнического института М. В. Ивановым технологию изготовления калиевых фотоэлементов и организовал впервые в России их производство в лабораторных масштабах. Хотя эти фотоэлементы несколько уступали фотоэлементам иностранных фирм по сроку службы, но зато обладали более высокой чувствительностью.

Работая в течение многих лет с фотоэлементами, Борис Львович накопил богатый фактический материал о их поведении в различных условиях и происходящих в них процессах. Многие из наблюдавшихся им явлений, в частности явление баллистического разряда, не могли быть объяснены существовавшими теориями фотоэффекта. Это заставило его заняться в 1915 г. теоретическим анализом экспериментальных фактов и выяснением возможности их использования в электрической телескопии.

Февральская, а затем Октябрьская революция 1917 г. внесли существенные изменения в планы и характер деятельности ученого.