Телевидение?.. Это очень просто!

Айсберг Евгений Давыдович

Рассказывается о принципах телевидения и о том, как устроен и работает современный телевизор. Рассказ ведется в форме непринужденных бесед.

Книга рассчитана на широкий круг радиолюбителей.

 

Предисловие редактора к первому русскому изданию

В русский перевод книги Е. Айсберга «Телевидение?.. Это очень просто!» введен ряд изменений в текст и графический материал, необходимость которых диктовалась существенными различиями между французским и советским телевизионными стандартами. К основным различиям относятся число строк разложения, полярность модуляции передатчика изображений, форма сигналов синхронизации, разность несущих частот изображения и звукового сопровождения и их взаимное расположение по шкале частот, тип модуляции передатчика звукового сопровождения. Во Франции действуют два стандарта: более ранний на 441 строку разложения и современный стандарт на 819 строк. Все количественные примеры в книге соответствовали стандарту на 819 строк и были пересчитаны на советский стандарт 625 строк.

Наибольшие изменения в тексте и графике связаны с различием в полярности модуляции передатчика и изображений и типом модуляции передатчика звукового сопровождения.

Во французском стандарте принята позитивная модуляция передатчика изображений, при которой наибольшая яркость (белое) передается максимальным значением тока в антенне, а синхронизирующие сигналы, расположенные «чернее черного», занимают область коэффициентов модуляции от 0 до 25 %. В советских же передачах принята негативная модуляция, при которой максимальное значение тока в антенне соответствует синхроимпульсам.

Основное преимущество передачи с негативной модуляцией заключается в ее значительно большей помехозащищенности.

При позитивной модуляции видеосигнал после детектирования полупериодов положительной полярности также является позитивным сигналом. Учитывая эту частотную особенность французского телевизионного стандарта, в книге не проводится различие между термином «сигнал положительной полярности», характеризующим абсолютное распределение сигнала по шкале напряжений, и термином «позитивный сигнал», характеризующим относительное его распределение. При негативной модуляции, например, видеосигнал после детектирования полупериодов положительной полярности является негативным сигналом.

Поэтому позитивный и негативный видеосигналы были неправильно определены в книге как сигналы положительной и отрицательной полярности, что отразилось и на графическом материале. Все необходимые изменения были введены в процессе перевода книги.

Не было также должной четкости в пользовании терминами «полярность напряжения» и «сдвиг по фазе». Несмотря на принципиальную разницу в этих понятиях, первое из которых относится исключительно к распределению сигнала по шкале напряжений, а второе характеризует временные соотношения, неправильное их использование до сих пор встречается в технической литературе. Объясняется это тем, что до зарождения в сравнительно недавнем прошлом техники асимметричных импульсов, где нечеткость в использовании этих терминов может привести к серьезным недоразумениям, техника синусоидальных (симметричных) токов не испытывала особой потребности в разделении этих понятий. Соответствующие изменения также внесены в перевод.

Во французских телевизионных передачах звуковое сопровождение осуществляется по методу амплитудной модуляции, в то время как в Советском Союзе принята значительно более помехозащищенная частотная модуляция.

При амплитудной модуляции осуществление звуковой части телевизионного приемника затрудняется. В частности, не представляется возможным применение столь прогрессивного метода, как прием с использованием в качестве промежуточной частоты в канале звукового сопровождения биений между несущими изображения и звука. Повышаются также требования к стабильности частоты гетеродина. Поэтому при переводе были сделаны соответствующие добавления. Кроме того, были включены некоторые современные схемы, отсутствовавшие в оригинале.

Книга «Телевидение?.. Это очень просто!» написана в несколько необычной, занятной манере, которая несомненно поможет усвоению и запоминанию достаточно обширных полезных сведений из области телевизионной техники и, в частности, приемкой аппаратуры для телевизионного вещания.

А. БРЕЙТЕAPT

 

Предисловие автора

Из всех чудес современности телевидение, бесспорно, наиболее увлекательно. В странах, где телевидение получило широкое распространение, оно внесло глубокие изменения в личную и общественную жизнь.

Сам факт передачи на расстояние изображений высокой четкости граничит с чудом. Тот, кто знаком со всеми преградами, которые нужно было преодолеть, всеми проблемами, которые нужно было решить, едва верит своим глазам, наблюдая за современными достижениями.

В настоящее время телевидение прочно вошло в быт, изменило жизнь многих миллионов семей и явилось могучим средством развлечения и самообразования, хотя иногда, увы, и оглупления. Это изумительное средство, которое, как и эзопов язык, может найти как наилучшее, так и наихудшее применение.

Быстрое развитие телевизионной техники требует привлечения во всех странах большого количества техников. Кроме того, каждый культурный человек стремится познакомиться с этим новым средством связи. Вероятно, именно поэтому многие из моих друзей обращались ко мне с пожеланием, чтобы я выпустил книгу «Телевидение?.. Это очень просто!» по образцу книги «Радио?.. Это очень просто!».

Эта последняя книга, написанная в 1935 г., имела исключительный успех. Она была переведена на несколько языков. Много тысяч людей на земном шаре познакомились с радиотехникой благодаря диалогу наших юных друзей Любознайкина и Незнайкина. Первый из них знает решительно все, в то время как второй, хотя со многим и не знаком, тем не менее безусловно не глуп.

Напрасно я объяснял своим друзьям, что телевизионная техника не только не проста, но согласно выражению Незнайкина дьявольски сложна, что она затрагивает различные области физики, что положение еще усложняется из-за отсутствия международного стандарта. Ничего не помогло. Я должен был покориться и написать «Телевидение?.. Это очень просто!».

Нужно надеяться, что эта книга появилась как раз вовремя, так как два выпуска первого издания полностью разошлись в течение нескольких месяцев и срочно потребовалось выпустить настоящее второе издание.

Что представляет собой эта книга? Книгу для первого ознакомления с предметом? Возможно, поскольку ее может понять человек, никогда ранее не изучавший телевидение. В то же время, чтобы ее усвоить, необходимо хотя бы элементарное знакомство с радиотехникой. Тот, кто хочет извлечь наибольшую пользу из чтения этой книги, должен знать, как работают многоэлектродные лампы, знать основные схемы усилителей, детекторов и смесителей хотя бы в пределах книги «Радио?.. Это очень просто!». В то же время не требуется знания математики. Я старался в первую очередь возможно яснее осветить физические основы описываемых процессов.

Если внимательно проследить за траекториями электронов, за изменениями формы сигналов, за соотношением различных напряжений, различные элементы становятся достаточно понятными и разбор схем не представит особого труда.

Стремясь постоянно выявлять наиболее существенное в этом разделе техники, который не стабилизовался ни в пространстве, ни во времени (так пак он находится в разгаре развития), я постарался показать все основные элементы телевизионных приемников в различных вариантах.

Я воздерживался от количественного определения параметров элементов схем, поскольку они изменяются в зависимости от стандарта четкости и типа аппаратуры. Эта книга не предназначена для конструкторов телевизионной аппаратуры. Ее целью является ознакомление с принципами работы. Нельзя ведь начать изготовление такой аппаратуры со сколько-нибудь серьезными видами на успех, не зная ее «анатомии и физиологии».

Я старался, чтобы усвоение материала этой книги было возможно более легким, не поступаясь, однако, нигде истиной, не избегая трудностей и не опуская ничего, что было бы полезно будущему телевизионному специалисту.

Любая новая техника неизбежно достаточно сложна. Поэтому читать эту книгу нужно с неослабным вниманием и не следует приступать к новому разделу, не усвоив содержания предыдущих разделов.

Я не пытался расположить материал в порядке возрастающей трудности, поэтому для многих читателей первая беседа окажется, вероятно, наименее легкой.

На основании длительного педагогического опыта я могу судить, что обучению способствует улыбка. Вот почему Любознайкин и Незнайкин в своих беседах будут часто отклоняться от строгого стиля «Диалогов» Платона.

Остроумные рисунки на полях, помогая усвоению текста, внесут веселую нотку в беседы наших молодых друзей.

Внимательно следуя за ними, читатель поймет все тайны телевидения и обогатит свои познания. В этом и заключаются наши пожелания.

Е. АЙСБЕРГ

 

Предисловие ко второму русскому изданию

Книга Е. Айсберга «Телевидение?.. Это очень просто!», первое русское издание которой вышло тиражом в 200000 экземпляров и разошлось в течение нескольких дней, завоевала широкую популярность среди читателей благодаря ее занимательности и доступности, достигнутых, однако, не в ущерб строгости изложения.

Во втором русском издании переработана глава о цветном телевидении и исправлен ряд неточностей в тексте, допущенных в первом издании.

Редакция считает своим долгом выразить глубокую признательность автору книги Е. Айсбергу за внимательный просмотр первого русского издания и ряд ценных указаний, которые были учтены в настоящем издании.

Редакция Массовой радиобиблиотеки

 

Беседа первая

ВИДЕОЧАСТОТА И ВЫСОКАЯ ЧАСТОТА

В книге «Радио?.. Это очень просто!» Любознайкин посвятил своего друга Незнайкина в тайны радиотехники. Теперь он попытается изложить ему принципы телевидения. Начиная с первой же беседы, он введет его сразу в существо дела, изложив, не щадя своего друга, некоторое количество следующих основ этой техники: метровые волны и их распространение; дальность действия телевизионного передатчика; стратосферное телевидение; боковые модуляционные полосы; принцип последовательной передачи элементов изображения; видеосигнал; искажение прямоугольного сигнала и преобразование его в синусоиду; максимальная видеочастота; теснота в эфире; использование метровых волн; соотношение между несущей и модулирующей частотами.

ДЯДЮШКА, ЖИВУЩИЙ НЕ ТАМ, ГДЕ СЛЕДУЕТ

Незнайкин. — Сегодня, дорогой Любознайкин, я хочу с тобой посоветоваться относительно моего дядюшки.

Любознайкин. — Что же с ним случилось?

Н. — Представь себе, что он буквально помешался на телевидении. Вот уже несколько месяцев из-за своего ревматизма он должен сидеть дома. И этот страстный любитель кино лишен своей еженедельной порции фильмов. Вот он и поручил мне соорудить ему телевизор, чтобы доставить «фильмы» на дом.

Л. — Вот превосходная мысль! Для тех, кто прикован болезнью к постели или по крайней мере к креслу, телевидение является еще большим благодеянием, чем радио… С удовольствием помогу тебе, Незнайкин. Начнем с посещения твоего дядюшки, чтобы определить, где установить антенну.

Н. — Боюсь, что для посещения это далековато, ведь дядюшка живет в Иль д'Ие.

Л. — О, что же ты не сказал об этом сразу! В таком случае пошли ему достаточное количество салицилки. Что же касается телевизора, он будет напрасно загромождать его помещение.

Н. — Почему же? Разве он не сможет принимать передачи Эйфелевой башни?

Л. — Никоим образом. Надежная дальность ее передач почти не превышает 80 км. При благоприятных условиях передачи можно принимать на еще большем расстоянии. Но в Иль д'Ие нет никакой надежды на удовлетворительный прием изображений из Парижа.

ЗЕМЛЯ — ЭТО ШАР

Н. — Почему же но увеличивают мощность телевизионного передатчика?

Л. — Потому что это ненамного увеличило бы дальность действия. Телевидение передается на волнах метрового диапазона, т. е. имеющих длину от 1 до 10 м, и дециметрового длиною от 30 см до 1 м. Столь короткие волны обладают свойствами, сближающими их со световыми, длина которых, однако, гораздо меньше. Так же как и световые, метровые волны распространяются по прямой линии, тогда как короткие и в особенности длинные волны довольно легко искривляют свой путь, хотя бы для того, чтобы обходить некоторые препятствия или огибать земной шар.

Н. — Значит ли это, что для приема метровых волн с места расположения приемной антенны нужно видеть передающую антенну?

Л. — Это условие «оптической видимости» желательно, но не обязательно. Метровые волны все же не обладают строгой прямолинейностью световых лучей и могут огибать небольшие препятствия. Кроме того, не забудь, что диэлектрики не препятствуют распространению электромагнитных волн. Но земной шар должен рассматриваться как проводник и на этом основании…

Н. — Подожди. Мне кажется, я понимаю. Очевидно, Земля является препятствием для волн. А так как Земля круглая, то за пределами некоторого расстояния от передатчика (рис. 1) ее кривизна скрывает от нас передающую антенну. Волны проходят над головой, все более удаляясь от Земли, и теряются в верхних слоях атмосферы.

Рис. 1. Дальность действия передатчика метровых волн ограничена зоной видимого горизонта.

Л. — Действительно, ты прекрасно схватил то, что можно назвать трагедией телевидения.

Н. — Почему «трагедией»?

Л. — Потому что из-за незначительной дальности действия передатчиков необходимо устанавливать их в большом количестве для покрытия всей территории страны, а это стоит очень дорого. Правда, в настоящее время открывается возможность практически неограниченно увеличить дальность телевизионных передач с помощью искусственных спутников Земли.

НЕЗНАЙКИН МЕТИТ ОЧЕНЬ ВЫСОКО

Н. — Должно же все-таки существовать какое-то средство, помогающее в этом трудном положении! Может быть, можно ловить волны, бесполезно проходящие над головами людей на слишком большом удалении от передатчика, с помощью очень высоких антенн, поднятых на воздушных змеях или аэростатах.

Л. — Дело до этого не доходит. Но стараются использовать антенны, расположенные как можно выше. Поэтому всегда выгодно располагать передающую антенну в самом высоком пункте какого-либо района. Вот почему парижская передающая антенна помещена на верхушке Эйфелевой башни.

Н. — Действительно, таким образом можно получить большую дальность действия. Но почему же не пойти дальше по такому верному пути?

Л. — Что ты хочешь этим сказать?

Н. — Можно было бы производить передачи с большой высоты: достаточно было бы поместить передатчик на самолет. Передвигаясь в стратосфере, он мог бы облучать всю Францию метровыми волнами… к величайшей радости дядюшки Жюля…

Л. — Поздравляю с прекрасной идеей! Но техники предусмотрели эту возможность гораздо раньше тебя. Одно время было много шума вокруг стратосферных телевизионных передач. Однако их практическое использование оказалось очень трудным.

НЕЗНАЙКИН РАЗДОСАДОВАН

Н. — Но в конце концов почему мы вынуждены осуществлять телевидение на метровых волнах? Не потому ли, что, появившись последним, оно было помещено на задворках длин волн? Разве нельзя было, отделавшись от трех или четырех радиовещательных передатчиков, отвести телевидению подходящее место в диапазоне коротких или длинных волн? Я прекрасно знаю, с какой остротой оспаривают распределение свободных частот. Но пойми, что на одной волне между 200 и 600 м достаточно мощный передатчик обслуживал бы большую часть страны…

Л. — Ты частенько допускаешь ошибки, мой дорогой. Но никогда не изрекал ты такой несусветной чепухи! Допустить, что телевидение уместилось бы в диапазоне волн длиннее 200 м, это все равно, что заставить слона войти в раковину улитки.

Н. — То, что ты говоришь, вероятно, весьма остроумно. Но я смиренно сознаюсь, что не вижу связи между телевидением и слоном.

Л. — Не сердись… Ты лучше поймешь правильность моего сравнения, если рассмотришь свойства сигнала, используемого для передачи изображения. Ты увидишь тогда, насколько он отличается от низкочастотных сигналов, которые позволяют передавать с помощью электрического тока звук, попадающий на микрофон радиовещательного передатчика. Ты помнишь границы его частот?

Н. — Прекрасно помню. Самый низкий тон имеет 16 гц. Наиболее высокий, еще различаемый ухом, имеет 20 000 гц. Не практически диапазон частот, передаваемых обычными радиовещательными передатчиками, ограничивается частотой 4 500 гц.

Л. — Чудесно! А чем же вызвано это ограничение?

Н. — Желанием уменьшить то, что ты когда-то называл «теснотой в эфире». Каждая радиопередача занимает на шкале частот, кроме несущей частоты, две боковые симметричные полосы, содержащие все модуляционные частоты (рис. 2). Когда они ограничены частотой 4 500 гц, общая ширина, занятая двумя боковыми полосами, будет, следовательно, 9 000 гц. Выше ли она в телевидении?

Рис. 2. Кроме несущей частоты, спектр содержит две боковые полосы.

Л. — О да, намного!.. Но, прежде чем говорить об этом, сможешь ли ты кратко изложить, каким образом происходит передача изображений?

ВСЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ В НЕСКОЛЬКИХ СТРОКАХ

Н. — Я попробую. Так как нельзя передавать одновременно все элементы изображения, их передают последовательно. Свечение каждого элемента…

Л. — Точный термин — яркость.

Н. — Хорошо. Итак, яркость каждого элемента (я подразумеваю под этим словом элементарную площадку, достаточно малую, чтобы глаз не различал деталей в ее пределах) преобразуется в пропорциональное ей напряжение. Таким образом, сильно освещенная белая поверхность дает максимум напряжения, тогда как черная площадка дает нулевое напряжение.

Л. — Или по крайней мере наименьшее. А каким образом просматриваются все элементы изображения?

Н. — Их пробегают точно так же, как взгляд пробегает последовательно все буквы страницы. Каждую букву можно уподобить одному элементу изображения. Все элементы «прочитываются» таким образом строка за строкой. Совокупность этих строк составляет страницу, которую можно уподобить всему изображению. И когда мы таким образом просмотрели одну страницу, мы сейчас же приступаем к следующей.

Л. — Совершенно верно. А в каком темпе производится это чтение? Знаешь ли ты это?

Н. — Ну да. Для сохранения глазом ощущения непрерывности нужно, чтобы, как в кино, отдельные изображения, или кадры, очень быстро следовали друг за другом. В Европе принят стандарт 25 кадров в секунду (вдвое меньше частоты электрической сети); в США, где частота сети питания 60 гц, телевидение передает 30 кадров в секунду.

Л. — При такой кадровой частоте 800 страниц какой-нибудь книги «прочитываются» телевизионным передатчиком приблизительно за полминуты.

ИЗ НИЧЕГО НИЧЕГО И НЕ БЫВАЕТ

Н. — Это поразительно. Теперь я начинаю понимать, насколько сигнал, передающий изображение, богаче содержанием того, который передает звук, колеблющий мембрану микрофона.

Л. — Однако ничто даром не дается. Если хотят передать с помощью радиоволн столь обширное послание, в котором за 725 сек описаны относительные яркости всех элементов изображения, то нужно передать напряжение, состоящее из самых разнообразных частот, достигающих очень высоких значений и, следовательно, определяющих очень широкие боковые модуляционные полосы.

Н. — Можно сказать, что к законам сохранения материи и энергии добавляется другой аналогичный закон, не допускающий передачи в заданный интервал времени определенного количества информации, если для этого не обеспечена достаточно широкая полоса частот.

Л. — Ты прав, Незнайкин. Такой закон в природе существует. И стараться обойти его, пытаться передать некоторое количество информации (я употребляю этот термин в самом широком смысле, так как он так же хорошо может относиться к чередованию более или менее сложных звуков или к передаче более или менее деталированной части изображения, или же к телеграфному сообщению), не имея для этого необходимой полосы частот, так же бесполезно, как пытаться осуществить вечное движение без пополнения энергии извне.

В ЦАРСТВЕ ВИДЕОЧАСТОТ

Н. — Как определить частоты, используемые в телевидении?

Л. — Сигнал, соответствующий яркости последовательно просматриваемых элементов разложения, называется видеосигналом. Это в сущности то же, чем является низкая частота в радиовещании. Он может содержать большое количество разных частот.

Н. — Я даже думаю, что он может в некоторые моменты быть нулевой частоты, т. е. иметь постоянное значение. Если в передаваемом изображении имеется однообразная поверхность с одинаковой яркостью, то всем ее элементам соответствует одно и то же напряжение, которое остается, следовательно, постоянным во все время передачи этой поверхности.

Л. — Правильно. Но если элементы вдоль линии разложения или строки не будут иметь одинаковую яркость, то напряжение сигнала будет меняться. Ты угадываешь, в каком случае эти изменения самые быстрые, т. е. частота видеосигнала максимальна?

Н. — Я полагаю, что это происходит, когда два соседних элемента одной строки различаются своей яркостью.

Л. — Твой ответ доказывает, что ты хорошо разобрался в вопросе. В самом деле, максимальной частоте соответствует последовательное чередование белых и черных элементов. Так, например, это случай, когда изображение содержит серию черных вертикальных полосок, ширина каждой из которых равна ширине элемента изображения, разделенных белыми промежутками той же ширины.

Н. — В этом случае каждый передаваемый элемент дает один период сигнала.

Л. — Ты слишком торопишься, Незнайкин, и это вводит тебя в заблуждение. На самом деле черной полоске соответствует небольшое напряжение, а белой — максимальное. Таким образом, два соседних элемента, один черный и другой белый, передаются одним отрицательным и одним положительным полупериодами, составляющими вместе целый период. А так как за один период передаются два элемента изображения, то общее число периодов равно…

Н. — … половине количества элементов изображения.

Л. — Ты, я вижу, очень хорошо следил за моими рассуждениями.

ОТ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЗУБЦОВ К РЕАЛЬНОЙ СИНУСОИДЕ

Н. — Форма этого видеосигнала ужасно забавна. Можно подумать, что это зубцы средневековой башни. Им далеко до прекрасных синусоид в радиовещании.

Л. — Не настолько, как ты думаешь. И это но двум соображениям: прежде всего периодическое напряжение такой формы (его называют прямоугольным сигналом) может быть разложено на очень большое число синусоидальных составляющих, из которых основная имеет частоту прямоугольного сигнала, а остальные имеют частоты в 3, 5, 7 и т. д. раз большие.

Н. — Ведь это то, что называют рядом Фурье? Верно?

Л. — Да, когда хотят напустить на себя важность. Но, в самом деле, откуда ты это знаешь?

Н. — Мне случалось читать очень серьезные книги.

Л. — Тем лучше! Ты тогда должен знать, что многочисленные частотные составляющие называются гармониками. В случае видеосигнала они вряд ли пройдут через усилитель. Так как основная частота очень высока, то частота гармоник и подавно высока. И даже широкополосный усилитель не рассчитывается на пропускание этих очень высоких частот. Поэтому на его выходе (рис. 3) останется лишь одна-единственная основная синусоида.

Рис. 3. Когда изображением является последовательность попеременно чередующихся вдоль строки белых и черных элементов (верхняя часть рисунка), сигнал видеочастоты теоретически прямоугольный (средняя часть рисунка), а практически синусоидальный (нижняя часть рисунка) содержит столько же периодов, сколько всего пар черных и белых элементов.

H. — Тем лучше, так как твое зубчатое напряжение ничего мне не говорит. А каково второе соображение, на которое ты только что сослался?

Л. — Сделаем небольшой опыт. Возьмем этот кусок бумаги и проделаем в нем небольшое круглое отверстие таких же размеров, как и элемент изображения. Я заставляю медленно скользить мою бумажку по черным и белым полоскам, составляющим наше изображение.

Н. — Ты, значит, производишь анализ изображения так же, как это производится в телевидении.

Л. — Ну да. Говорят также разложение или развертывание изображения. Ты видишь (рис. 4), что в некоторые моменты отверстие находится целиком либо на черной, либо на белой полоске. Но перемещение из одного положения в другое происходит отнюдь не мгновенно. Мы проходим через все промежуточные положения, когда большая или меньшая часть развертываемого элемента черная, тогда как другая часть — белая. Отодвинься настолько от бумажки, чтобы ты не мог больше различать двух частей элемента изображения, ограниченных отверстием.

Рис. 4. Формирование одного периода видеочастоты (нижняя часть рисунка) для нескольких последовательных фаз разложения изображения (верхняя часть рисунка).

Н. — Ты, конечно, хочешь, чтобы я оказался в условиях, точно соответствующих определению элемента изображения, которое я только что дал: площадка достаточна малая, чтобы глаз не различал никаких деталей в ее пределах?

Л. — Ну, конечно. А вот теперь, когда отверстие медленно перемещается, что ты видишь?

Н. — Я различаю только средний тон того, что видно через отверстие. В соответствии с соотношением черного и белого я вижу более или менее темную серую поверхность. А когда ты передвигаешь бумажку, поверхность в пределах отверстия изменяется от черного до темно-серого цвета, который быстро светлеет и становится белым, затем снова темнеет и становится черным. Затем все повторяется.

Л. — Отгадай, каков же характер напряжения, которое должно передать эти изменения средней яркости?

Н. — Уверен, что мы вышли из трудного положения: я хочу сказать, что мы опять вернулись к нашей доброй старушке синусоиде.

НЕМНОГО АЛГЕБРЫ

Л. — Попытаемся теперь подсчитать максимальную частоту, которую может иметь эта синусоида. Посмотрим сначала, на сколько элементов разбито изображение. Допустим, что его высота Н и ширина L (рис. 5). Она развертывается с помощью N горизонтальных линий (строк), причем в секунду передается n целых изображений.

Рис. 5. Относительные размеры растра.

Н. — Все это как будто попахивает алгебраической задачей…

Л. — Тем хуже для тебя, если это так… Предположим, что элемент изображения квадратный, т. е. что четкость передачи одинакова в вертикальном и горизонтальном направлениях. В этом случае высота квадрата равна общей высоте H, разделенной на число строк N, т. е. равна H/N, и в каждой строке длиной L содержится L:(H/N) = L·N/H элементов.

Поскольку всего N строк, изображение будет разложено на

(L·N/H)·N = L·N2/H элементов.

Н. — До сих пор мне все кажется логичным.

Л. — Так оно будет н дальше. Все элементы, составляющие изображение, передаются n раз в секунду, что дает L·N2·n/H элементов в секунду. Но так как одного периода достаточно для передачи двух элементов изображения, то для передачи всех элементов потребуется вдвое меньше периодов, т. е. L·N2·n/2H гц.

Эта формула не абсолютно точна, так как она не учитывает потери времени на сигналы синхронизации, о которых мы будем говорить в другой раз. Но в данный момент этого вполне достаточно, чтобы определить максимальную видеочастоту.

НЕМНОГО АРИФМЕТИКИ

Н. — И что же дает это выражение для конкретной передачи?

Л. — А вот ты подсчитай. Изображение имеет такой формат, что соотношение L/H = 4/3. Мы его развертываем на N = 625 строк и n = 25 изображений в секунду. Ну-ка быстрей, Незнайкин!

Н. — Мы, следовательно, имеем (4·6252·25)/(2·3) = 6 500 000гц.

Ничего себе! Видеочастота превышает шесть миллионов!

Л. — Реально передаются частоты до 6 Мгц. И ты заметь, что максимальная частота пропорциональна квадрату числа строк. Таким образом, если перейти от 625 строк к разложению на 1 000 строк, то видеочастота достигнет почти 17 Мгц,

Н. — Ты меня этим совершенно ошеломил.

ВОЗВРАЩЕНИЕ К СЛОНУ

Л. — Ты по-прежнему упорствуешь в своем намерении уделить телевидению «небольшое местечко» в диапазоне средних волн?

Н. — Он простирается от 200 до 600 м, следовательно, от 1500 000 до 500 000 гц. Весь интервал равен 1000 000 гц. В то же время телевизионная передача с боковыми полосами растягивается на 12 000 000 гц. Следовательно, она в 12 раз больше общей протяженности средневолнового диапазона. Решительно слон не умещается в раковине улитки.

Л. — Очень приятно это слышать. Ты теперь понимаешь, почему необходимо прибегать к метровым волнам, чтобы передать модуляцию видеочастотой. Например, на частоте 49,75 Мгц боковые полосы будут ограничены следующими пределами:

49 750 000 — 6 000 000 = 43 750 000 гц

и

49 750 000 + 6 000 000 = 55 750 000 гц,

что вполне приемлемо.

Н. — Нужно ли, по правде говоря, так далеко забираться? Нельзя ли использовать, например, частоту 12 Мгц, т. е. 25 м, что позволит уместить модуляцию между

12 000 000 — 6 000 000 = 6 000 000 гц

и

12 000 000 + 6 000 000 = 18 000 000 гц?

Л. — Пойми, что длины волн, соответствующие этим частотам, составляют 50 и 16,5 м. Ты, стало быть, хочешь занять весь диапазон коротких волн между 16,5 и 50 м только одной телевизионной передачей?

Н. — Я признаю, что это было бы неразумно.

ЖИЗНЕННЫЙ МИНИМУМ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Л. — Существует правило, согласно которому высокая частота не может быть одного порядка с модулирующей частотой. Чтобы модуляция производилась без искажений, нужно, чтобы несущая частота была во много раз выше частоты модуляции.

Н. — Почему же?

Л. — Потому, что без этого модулирования волна не сможет точно воспроизвести модулирующее напряжение. Взгляни на синусоиду, которая здесь нарисована (рис. 6).

Рис. 6. При передаче синусоидального сигнала (представленного вверху синусоидой) с помощью несущей частоты, восемь периодов которой приходятся на три периода сигнала, передаваемому сигналу соответствуют редко расположенные значения (представленные внизу), которые не позволяют восстановить форму сигнала.

Допустим, что что сигнал, который нужно передать. Если частота несущей превышает частоту этого сигнала, например, в отношении 8/3, то мы передадим соответствующие мгновенные значения только с очень большими интервалами и получим ряд отдельных значений, по которым будет невозможно при всем желании воспроизвести закон синусоидального изменения. Но возьми несущую волну с частотой, в 8 раз большей частоты сигнала (рис. 7). Последовательность переданных величин позволит легко воспроизвести форму модулирующего напряжения.

Рис. 7. Если на каждый период синусоидального сигнала приходится восемь периодов несущей частоты, то при этом передается достаточно большое количество мгновенных значении сигнала, чтобы он мог быть надлежащий образом воспроизведен.

Н. — Это все равно, что растр газетных фотографических клише. Если растр слишком крупный, детали клише пропадают.

Л. — Это неплохое сравнение.

ТЕМ ХУЖЕ ДЛЯ ДЯДЮШКИ!

Н. — Резюмирую все, о чем мы сегодня говорили. Передача изображений требует сигналов, занимающих очень широкую полосу частот. Эти сигналы могут передаваться только несущими волнами очень высокой частоты в диапазоне метровых волн. Распространяясь по прямой линии, они имеют радиус действия, ограниченный видимым горизонтом. Отсюда следует, что у моего дядюшки не будет телевидения.

Л. — Я страшно огорчен за него. Но что касается тебя, то ты узнал некоторое количество полезных сведений…

Н. — …которые мне показались сначала дьявольски сложными, но которые, по сути дела, может быть, и очень просты.

 

Беседа вторая

ПУТЕШЕСТВИЕ В ПРОШЛОЕ

Чтобы понять действие аппаратуры современного телевидения, нет необходимости изучать всю историю этой области техники. Однако изучение способов разложения изображения значительно облегчится в результате предварительного изложения классической «механической» системы телевидения, предложенной Нипковым.

Незнайкин легко поймет метод, который впервые дал возможность передачи движущихся изображений на расстояние. В ходе этой беседы Любознайкин, следовательно, затронет следующие вопросы: диск Нипкова; разложение изображения; чересстрочная развертка; фотоэлемент; передатчик изображений; синхронизм; приемник с неоновой лампой; недостатки механических систем телевидения.

ГОЛОВОКРУЖИТЕЛЬНЫЕ ОПЫТЫ НЕЗНАЙКИНА

Любознайкин. — Боже мой! Что с тобой, Незнайкин, почему ты кружишься вокруг себя? Ты упражняешься в ремесле вертящегося дервиша?

Незнайкин. — Да вовсе нет! Я просто пробую читать так, чтобы, дойдя до конца строчки, не переводить взгляда обратно, налево, к началу следующей строчки.

Л. — А зачем это?

Н. — Потому, что я думаю о развертке изображения в телевидении, о котором мы говорили в последний раз. Ты мне объяснил, что последовательное разложение элементов производится, как чтение книги: строчка за строчкой. Принимая во внимание огромную скорость, с которой должно производиться это чтение, я хотел бы избежать потери времени, вызванной необходимостью возвращения к началу строк. Вот почему, пробежав, поворачиваясь, одну строку, я продолжаю быстрое вращательное движение вокруг самого себя, чтобы после каждого оборота мой взгляд снова попал на начало строк.

Л. — Не думаю, чтобы таким образом ты выгадал время. Самое большее — ты заработаешь на этом головокружение… Но этот способ развертки, который можно назвать «без обратного хода по строкам», характерен для большей части механических способов анализа.

НЕМНОГО ГЕОМЕТРИИ

Н. — Неплохо, если бы ты об этом поговорил. Потому что все, что ты до сих пор объяснял, довольно абстрактно. Очень мило сказать, что производят последовательную развертку элементов изображения. Но как это происходит в действительности?

Л. — Я предпочел бы не описывать тебе механические способы, потому что они уступили место электронным. Но, может быть, ты лучше поймешь электронные методы, если я тебе расскажу об одном из самых простых и самых старинных устройств — диске Нипкова.

Н. — Я смутно припоминаю, что об этом что-то говорили, но никакого точного представления об этом у меня нет.

Л. — Мы сейчас изготовим один диск. Вот лист чертежной бумаги. Я вычерчиваю на нем (рис. 8) с помощью циркули круг радиусом приблизительно 10 см и вырезаю диск. Затем черчу на нем 16 окружностей радиусом 60, 62, 64 и т. д. до 90 мм. делю внешнюю окружность на 16 равных частей…

Рис. 8. Расположение отверстий по спирали на диске Нипкова .

Н. — Решительно, после того как мы занимались арифметикой и алгеброй, мы теперь в разгаре геометрии. Затем мы перейдем к интегральному исчислению…

Л. — До этого мы еще не дошли. Закончим же рисунок.

Я провожу 16 радиусов, проходящих через равноотстоящие точки внешней окружности. Все эти вспомогательные линии мне нужны были для того, чтобы определить точки спирали. В самом деле, я обозначаю пересечение первого радиуса с внутренней окружностью, затем пересечение следующего радиуса (в направлении движения часовой стрелки) со следующей окружностью и т. д.

Н. — В самом деле, таким образом ты получаешь 16 точек, расположенных на спирали. Ну и что ты с ними будешь делать?

РАССМАТРИВАЯ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ ДИСКА

Л. — Я пробиваю в диске пробойником совершенно круглые отверстия диаметром немного более 2 мм. И вот диск Нипкова готов.

Н. — И ты серьезно намерен воспользоваться им для развертки изображения?

Л. — Да, у меня твердое намерение. Вот небольшой очень простой рисунок размером около 3 см. Я его прикалываю к абажуру лампы, а диск очень быстро вращаю, используя в качестве оси вязальную спицу.

Н. — Ах, вот что!.. Я вяжу рисунок так, как если бы диск был прозрачным.

Л. — Теперь, чтобы лучше понять, что происходит, и вращаю диск очень медленно.

Н. — Я понял! Ведь это тот же кусок бумажки с круглым отверстием? Однако значительно усовершенствованный. Когда диск вращается, первое отверстие пробегает строку (она, правда, не совсем прямая — это дуга окружности, но это ничего не меняет). Как только оно закончит свою строку, следующее отверстие выступает на сцену, чтобы в свою очередь пройтись вдоль строки изображения. И таким образом одно за другим все отверстия, начиная с наружного и кончая самым близким к центру, пробегают все строки изображения.

Л. — А когда все изображение таким образом развернуто…

Н. — …все опять начинается сначала с новым поворотом диска.

Л. — Ты установил, что при условии достаточно быстрого вращения диска изображение видно целиком, тогда как на самом деле в каждый данный момент лишь один из его элементов появляется в одном из отверстий диска.

Н. — Я устанавливаю также, что диск читает на манер дервиша-вертуна, т. е. не возвращаясь к началу строк движением, обратным направлению чтения. Я вижу, однако, что надо вращаться очень быстро для получения ощущения одновременного видения всех элементов.

ДИКОВИННЫЙ СПОСОБ ЧТЕНИЯ

Л. — В самом деле, если я хоть слегка замедляю вращение, то изображение имеет такой вид, как будто через него попеременно пробегают черные и белые волны. Это происходит оттого, что световые ощущения длятся недолго.

Н. — С какой скоростью нужно, следовательно, развертывать изображение во избежание мерцания, наблюдаемого, когда диск вращается недостаточно быстро?

Л. — Чтобы добиться хороших результатов, нужно развертывать 30 изображений и секунду.

Н. — Это то, что делают американцы. Но в Европе, ты мне сказал, довольствуются 25 изображениями в секунду. Разве этого достаточно? Не лучше ли было бы увеличить частоту кадров?

Л. — Не забудь, что максимальная частота видеосигнала пропорциональна числу кадров в секунду. Не рекомендуется чем бы то ни было увеличивать эту и так уже слишком высокую частоту. Существует, к счастью, остроумный прием, позволяющий избегать мерцания без расширения полосы передаваемых частот. Это чересстрочная развертка.

Н. — Что ты под этим понимаешь?

Л. — Вместо того чтобы передавать последовательно все строки изображения от первой до последней передают сначала все нечетные, а затем все четные строки. Общее время развертки остается тем же, равным 1/25 сек. Но половина строк, покрывающих, однако, с некоторым интервалом всю поверхность изображения, передается в течение 1/50 сек, а вторая — в течение следующей 1/50 сек.

Н. — Если бы я таким образом читал книги, я бы там немного понял.

Л. — Вообще-то да. Но вот маленький текст, который нужно прочесть «чересстрочно». Взгляд пробегает, читая его, точно такой же путь, который должна пройти чересстрочная развертка в телевидении. Этот способ в настоящее время повсюду принят.

Чтобы правильно прочесть этот текст, нужно сначала совокупность («полурастр») нечетных прочесть сначала нечетные строки, затем четные строк, затем четных строк. Таким образом , строки. Чересстрочная развертка позволяет чтобы развернуть изображение 25 раз в секунду , читать изображение таким же образом, пробегая нужно развернуть 50 полурастров в секунду.

Н. — Это, действительно, довольно забавно. Я думаю, что типограф, который составил этот текст, был немного навеселе… Но как практически осуществить такой способ развертки? Думаю, что это должно быть чрезвычайно сложно.

Л. — Вовсе нет, дружище. Вот, например, диск Нипкова, который для этого вполне подходит (рис. 9).

Рис. 9. Двухспиральный диск Нипкова для чересстрочной развертки.

Ты видишь, что у него также 16 отверстий для разложения изображения на 16 строк. Но отверстия расположены не на одной, а на двух спиралях, занимающих каждая половину круга. На одной находятся отверстия, развертывающие строки 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 и 15, тогда как на другой расположены отверстия, соответствующие строкам 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 и 16.

Н. — Поистине, это очень просто. Нужно же было до этого додуматься! Но можешь ты мне объяснить, как при помощи диска Нипкова передавали изображения?

НЕМНОГО ХИМИИ

Л. — Знаешь ли ты, что называется фотоэлементом?

Н. — Конечно. Для моего фотоаппарата мне предложили фотоэкспонометр с фотоэлементом. Это приспособление, дающее возможность измерять интенсивность освещения предметов, которые нужно сфотографировать. Свет падает на фотоэлемент, который превращает свет в электрический ток, измеряемый при помощи очень чувствительного гальванометра.

Л. — Фотоэлемент является, следовательно, преобразователем световой энергии в электрическую. Ток, который через него проходит, пропорционален падающему на него потоку света. Фотоэлементы, используемые в телевидении, фотоэмиссионного типа (рис. 10). Вначале фотоэлемент такого типа представлял собой стеклянную колбу, из которой выкачан воздух. Одна из внутренних стенок колбы была покрыта тонким слоем фотоэмиссионного материала.

Рис. 10. Батарея Б задает на аноде фотоэлемента положительный относительно катода потенциал. Фотоэлектронный ток через резистор  R определяет напряжение U , которое подается на усилитель.

1  — световой поток; 2 — анод; 3 — светочувствительный слой (катод).

Н. — Так называют материал, излучающий свет?

Л. — Этимология слова вводит тебя в заблуждение. Речь идет о веществах, которые при попадании на них светового потока излучают электроны.

Н. — А какие же это вещества?

Л. — Все так называемые «щелочные» металлы, т. е. цезий, натрий, кадий, рубидий и литий, так же как и реже используемые щелочноземельные.

Н. — У меня есть идея! Раз существуют материалы, излучающие электроны под действием света, можно было бы заменить ими катоды радиоламп. Таким образом, отпала бы необходимость в токе накала. Днем можно было бы выставлять приемник под лучи солнца, а вечером его помещали бы около осветительной лампы.

Л. — Твоя идея не абсурдна. Но количество излучаемых при этом электронов может обеспечить только очень слабый ток. Чтобы получить ток в фотоэлементе, еще кое-чего не хватает. Фотоэмиссионная поверхность составляет катод…

Н. — Понял! Не хватает анода. Очевидно, нужно поместить в колбу анод с положительным по отношению к катоду потенциалом, чтобы притягивать электроны, которые он излучает.

Л. — Да, но сплошной анод задерживал бы световые лучи. Поэтому его заменяют кольцом или редкой сеткой.

ИЗОБРАЖЕНИЕ РАЗВЕРНУТО

Н. — Мне думается, что я могу рассказать теперь, как я представляю себе телевизионный передатчик. Я беру свой фотоаппарат, но на место матового стекла помещаю ту часть диска Нипкова, которой производится разложение изображения (рис. 11). Ведь именно здесь объектив моего аппарата образует изображение, которое нужно передать. А сзади диска я помещу фотоэлемент. Так это?

Рис. 11. Передатчик с диском Нипкова .

1 — объектив; 2 — проекция изображения; 3 — фотоэлемент; 4 — усилитель; 5 — передатчик.

Л. — Абсолютно верно! Ты на пути к повторному изобретению телевидения. В каждый момент времени фотоэлемент в твоем устройстве будет получать свет от развертываемого элемента изображения и будет преобразовывать его в ток, пропорциональный интенсивности света. Следовательно, на выходе фотоэлемента возникает сигнал видеочастоты, который нужно будет соответственно усилить, перед тем как промодулировать несущую высокую частоту, используемую для передачи видеосигнала на расстояние.

ИЗОБРАЖЕНИЕ ВОСПРОИЗВЕДЕНО

Н. — А приемник?

Л. — Как ты понимаешь, в нем будет диск Нипкова, подобный диску передатчика, приводимый в совершенно идентичное вращательное движение (рис. 12).

Рис. 12. Приемник с диском Нипкова и неоновой лампой.

1 — приемник; 2 — неоновая лампа; 3 — изображение.

Н. — Это то, что называют «синхронизмом», не так ли?

Л. — Я с удовольствием отмечай, насколько богаче стал твой технический словарь.

Н. — Но какое устройство будет служить преобразователем изменений тока в изменения яркости?

Л. — Попросту неоновая лампа, состоящая из колбы, содержащей неон под небольшим давлением.

Н. — Я прекрасно знаю эти неоновые лампы, которые применяют в световых рекламах. Я даже разбил одну в кафе напротив нашего дома, потому что она излучала больше помех, чем света.

Л. — Я и не подозревал, что у тебя такие агрессивные наклонности. Но неоновые лампы, которые использовались в телевидении, содержали один электрод в виде пластинки такой же поверхности, как и воспроизводимое изображение, и другой электрод, который в виде рамки охватывал первый электрод. Когда между этими двумя электродами приложено некоторое постоянное напряжение, вся поверхность пластинки светится. Если, кроме того, в цепь попадает переменное напряжение видеосигнала, то яркость изменяется в соответствии с мгновенными значениями сигнала.

Н. — Да, но как сделать, чтобы каждая точка этой пластинки имела яркость, соответствующую яркости той же точки передаваемого изображения?

Л. — А этого и не нужно. Ведь неоновая лампа помещена за диском Нипкова и ты ее видишь через отверстия диска.

Н. — Теперь я понял! В каждое мгновение мы увидим только один элемент светящейся поверхности лампы, и в это мгновение лампа правильно воспроизводит яркость соответствующей точки развертываемого изображения. Например, в момент, когда передают первый элемент первой строки, вся неоновая лампа имеет такую же яркость. Но через отверстие диска мы видим только место изображения, соответствующее этому элементу. Когда отверстие переходит к следующему элементу, неоновая лампа воспроизводит яркость этого второго элемента и т. д. Следовательно, все элементы видны на своих местах с соответствующей яркостью, что дает восстановленное изображение.

Л. — Ты прекрасно понял принцип этой системы телевидения, выдвинутой еще в конце XIX в

МЕХАНИКА УМЕРЛА, ДА ЗДРАВСТВУЕТ ЭЛЕКТРОНИКА!

Н. — Эта система мне кажется очень простой и практичной. Надеюсь, что она продолжает существовать.

Л. — Она давным-давно заброшена, так как пригодна для разложения изображений с ограниченным количеством строк, не превышающим 180.

Н. — А разве не могли делать достаточно большие диски, чтобы разместить на них большое количество отверстий?

Л. — Нет, потому что при скорости, с которой они вращаются, центробежные силы могли бы их разорвать

Н. — Можно было бы уменьшить диаметр отверстий.

Л. — Не ниже некоторой величины. Световые лучи, проходящие через слишком малые отверстия, подвергаются неприятному явлению дифракции.

Н. — Положительно мои идеи сегодня не очень то удачны.

Л. — Если бы они и были удачны, ты все равно не мог бы спасти механические системы. Они страдают другими серьезными недостатками. Так, например, в процессе передачи фотоэлемент получает свет от каждого элемента изображения только в течение очень короткого интервала времени. Чтобы получить ощутимый электрический ток, требуется очень интенсивное освещение объекта. При приеме имеет место такое же расточительство, так как каждое мгновение мы видим только один элемент всей освещенной поверхности неоновой лампы, свет которой, следовательно, очень мало используется. И, наконец, разве мы не живем в век электроники?

Н. — Зачем же ты мне тогда подробно объяснял действие системы, которая должна встретиться в музее с самолетом братьев Райт и когерером Бранли.

Л. — Потому что, шевеля мозгами, чтобы ее понять, ты лучше подготовишься к усвоению более сложных явлений в электронных системах.

Н. — Я чувствую, что это будет дьявольски сложно.

 

Беседа третья

ЭЛЕКТРОНЫ В ВАКУУМЕ

Выявив недостатки механических систем телевидения, приятели переходят к изучению электронных методов. Для этого они начинают изучать основное устройство всякого, телевизионного прибора — электронно-лучевую трубку, применяемую как в передающих телевизионных камерах, так и в телевизионных приемниках. Это показывает, насколько она заслуживает подробного изучения. Предметом изучения наших приятелей будут, следовательно, следующие вопросы: электроника; устройство электронной пушки; атмосферное давление на электронно-лучевую трубку; возможность ее разрыва; люминесцентный экран; электронная оптика; электростатическая фокусировка; электростатическая линза; электронное пятно; скорость электронов; их возврат в источник; алюминированные экраны; электростатическое отклонение; горизонтально и вертикально отклоняющие пластины; формирование изображения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНИКИ

Незнайкин. — Все же кое-что мне решительно не удается понять. Во время последней беседы ты заявил, что «механические способы» в наше время уступили место «электронным». Так вот, по-моему, диск Нипкова по существу электронный.

Любознайкин. — Как это?

Н. — Разве его атомы не состоят из протонов, электронов и нейтронов? Что тебе еще больше нужно электронного?

Л. — Просто-напросто электроны в свободном состоянии, отделенные от протонов. А где ты их найдешь в таком виде?

Н. — Ничего я об этом не знаю… Впрочем, знаю: в пустоте радиоламп, когда они выполняют «сальто», чтобы перелететь от катода к аноду.

Л. — Правильно. И вся важная отрасль современной техники, которую определяют термином «электроника», рассматривает применение электронных токов, протекающих в пустоте или полупроводниках, некоторые усилительные свойства которых недавно научились использовать.

У ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОНОВ

Н. — Но вернемся к телевидению. Как создают электронные токи, которые в нем используются?

Л. — Совершенно таким же образом, как и в усилительны радиолампах: путем электронной эмиссии горячею катода.

Н. — А что делать с этими электронами?

Л. — Их собирают в узкий пучок, который наподобие невидимого карандаша пробегает строка за строкой все элементы передаваемого изображения. Таким образом осуществляется развертка изображения как при передаче, так и при приеме изображения.

Н. — Я прекрасно вижу, как поток электронов идет от катода к аноду в триоде. Но как может он сконцентрироваться и особенно переместиться, чтобы последовательно развернуть элементы изображения?

Л. — Именно это-то мы сегодня и рассмотрим. Основное устройство, в котором происходят все эти явления, — электронно-лучевая трубка. Она состоит прежде всего из триода, весьма похожего на триоды, используемые в радиолампах. Однако, чтобы облегчить концентрацию электронов, используют катод с очень малой поверхностью (его называют «точечный катод»).

Н. — Очевидно, чтобы собрать электроны в узкий пучок, лучше с самого начала держать их вместе. Но почему же в таком случае они стремятся иметь расходящиеся траектории?

Л. — Разве ты забыл, дружище, что одноименные заряды (отрицательные электроны) взаимно отталкиваются?

СТРАННЫЙ ТРИОД

Н. — Но где собираются электроны?

Л. — Обычно после их прохода через анод.

Н. — Ничего не понимаю. В твоем любопытном триоде электронам удается, значит, пройти через анод?

Л. — Вот именно. Потому, что у анода в центре отверстие. Притягиваемые анодом с высоким положительным потенциалом (несколько тысяч вольт), электроны развивают очень большую скорость и пролетают через отверстие, чтобы закончить свой пробег гораздо дальше (рис. 13).

Рис. 13. Простейшая электронно-лучевая трубка.

1 — нить накала; 2 — катод; 3 — управляющий электрод; 4 — анод; 5 — электронный луч; 6 — люминесцирующий экран.

Н. — Вот странный триод!

Л. — И даже более странный, чем ты думаешь. Не только анод в нем образован диском с отверстием, но и то, что эквивалентно сетке и называется управляющим электродом, на самом деле состоит из цилиндра, окружающего катод.

Н. — А как он действует?

Л. — Так же, как в сетка. Если его потенциал имеет большое отрицательное значение, он отталкивает вылетевшие электроны обратно к катоду, а к аноду пропускает лишь очень небольшое количество их. Наоборот, когда цилиндр лишь немного отрицателен, большей части электронов удается пройти сквозь него, чтобы устремиться к аноду… и за него.

Н. — А какова величина тока?

Л. — Ток гораздо слабее, чем в радиолампах. Вообще-то он порядка сотен микроампер, тогда как в приемных триодах он достигает нескольких миллиампер. Впрочем, триод трубки был бы очень плохим усилителем, так как, его крутизна не превышает десятка микроампер на вольт, тогда как внутреннее сопротивление близко к сотням мегом!..

ЛЕГКАЯ АРТИЛЛЕРИЯ

Н. — Для чего же тогда служит этот необычный триод?

Л. — Он служит электронной пушкой (его называют также электронным прожектором). Для телевизионных систем нужно было создать устройство, излучающее электроны в достаточном количестве и к тому же поддающееся управлению благодаря тому цилиндру, о котором я тебе говорил. В электронно-лучевых трубках электронная пушка помещена в цилиндрической части стеклянной колбы, расширяющейся далее в виде конуса, его основание служит экраном, на котором воспроизводится изображение.

Н. — Должен ли быть удален воздух из этой колбы?

Л. — Конечно, иначе электроны будут ударяться о тяжелые молекулы газа и потеряют свой разбег. Внутри трубки должна царить совершенная пустота настолько, насколько это возможно.

Н. — Как и природа, я боюсь пустоты, а пустота в трубке ничего хорошего не сулит. Ты отдаешь себе отчет в том, что в этих условиях каждый квадратный сантиметр поверхности трубки должен выдерживать полное атмосферное давление, т. е. один килограмм?

Л. — Я это знаю. И если ты не забыл свои уроки геометрии, ты легко подсчитаешь давление, которое действует на экран трубки диаметром 43 см.

Н. — Около тысячи двухсот килограммов!

Л. — Если ты учтешь еще конические и цилиндрические стенки, ты увидишь, что общее давление — около трех тонн, или нес 40 взрослых людей.

Н. — Трубка, выдерживающая всех бессмертных Французской Академии! Решительно, она должна быть необыкновенно прочной…

Л. — Именно поэтому ее экран обычно делают слегка выпуклым, хотя теперь научились изготовлять и плоские. А конические стенки часто делают из стали.

Н. — Недостает только, чтобы во избежание взрыва трубки я занимался телевидением лишь высоко в горах.

Л. — Почему это?

Н. — Потому, что на высоте атмосферное давление меньше…

Л. — Согласен. Но спустимся обратно па землю, чтобы исправить ошибку терминологии: трубка не взрывается, она «раздавливается»… И это дорого обходится.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ФОСФОРЕСЦЕНЦИЯ И ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ

Н. — Что же происходит с электронами, выброшенными электронной пушкой, когда они достигают экрана?

Л. — Его внутренняя стенка покрыта слоем полупрозрачного вещества, которое светится под ударами электронов.

Н. — Это вещество вроде того, что светится в темноте на стрелках моих часов?

Л. — Не совсем, потому что на твоих стрелках фосфоресцирующее вещество очень долго светится после того, как оно было предварительно облучено. А в электронно-лучевых трубках длительность послесвечения экрана сравнительно невелика.

Н. — То ли это явление, которое происходит во флуоресцирующих лампах, все шире используемых в кафе и магазинах?

Л. — Ну да. В этих лампах электрический разряд в ртутных парах дает ультрафиолетовые лучи, не ощущаемые нашим глазом. Однако, падая на флуоресцирующее вещество, которым покрыты внутренние стенки экрана, ультрафиолетовые лучи вызывают видимое световое излучение.

Н. — Твоя флуоресцирующая лампа, мне кажется, совершенно подобна супергетеродину.

Л. — ??

Н. — Разве это не преобразователь частоты, преобразующий очень высокую частоту ультрафиолетовых лучей в менее высокую частоту видимого света?..

Л. — Ты совершенно прав. Но ближе к делу. У нас есть электронная пушка, посылающая свои снаряды на экран, который начинает светиться. Так как при стрельбе происходит рассеивание, на экране образуется широкое световое пятно. Пробовать получить изображение при помощи этого пятна было бы так же бесполезно, как пытаться нарисовать картину при помощи платяной щетки.

ЭЛЕКТРОННАЯ ЛИНЗА

Н. — Вот мы и вернулись опять к проблеме фокусировки. Как ты думаешь пробудить в электронах дух солидарности?

Л. — Я могу это сделать при помощи «электронной линзы». В этом термине нет ничего неправильного, потому что электронные лучи на пути от катода до экрана ведут себя более или менее подобно световым. Они подчиняются законам «электронной оптики», которая имеет много общего с разделом физики, рассматривающим поведение световых лучей.

Н. — Уж не хочешь ли ты мне сказать, что электронной линзой служит диск из двояковыпуклого стекла? Ведь электроны не могли бы пройти через него.

Л. — Подобную линзу получают, помещая за первым анодом второй, имеющий более высокий потенциал (а иногда даже и третий). Электрическое поле между анодами действует на элементарные электрические заряды, какими являются электроны, изменяя их траекторию и стремясь направить их к оси трубки. И вот таким-то образом электроны образуют сходящийся пучок (рис. 14).

Рис. 14. Электростатическая фокусировка электронного пучка.

1 — управляющий электрод; 2 — первый анод; 3 — второй анод.

Н. — А наш триод превращается в тетрод или даже пентод?

Л. — У него будут в некоторой степени свойства тетрода. В частности, изменения напряжения на последнем аноде почти не будут оказывать влияния на количество электронов, образующих электронный луч, т. е. на интенсивность тока в вакууме.

Н. — Какие же напряжения прикладываются к электродам?

Л. — На первом аноде относительно небольшое напряжение, порядка 220 в. Зато второй анод находится под высоким напряжением в несколько тысяч вольт. При этом напряжение на первом аноде можно изменять, влияя таким образом на распределение электрических полей и тем самым изменяя «кривизну» электронной линзы.

Н. — Значит, электронная линза совершеннее обычной оптической линзы?

Л. — Нет, не всякой. Вот, например, глазной хрусталик тоже обладает способностью изменять свою кривизну, чтобы приспосабливаться к рассматриванию близких и удаленных предметов.

Н. — Значит, регулируя напряжение на первом аноде, изменяют фокусировку пучка?

Л. — Совершенно верно. Стараются получить очень узкий пучок, дающий на экране светящееся пятно очень небольших размеров, которое и является элементом растра, определяющим размер элемента изображения.

ПЕЧАЛЬНАЯ УЧАСТЬ ЭЛЕКТРОНОВ

Н. — По что делается с электронами, достигшими экрана? Нужно, чтобы они вернулись к источнику высокого напряжения, каков бы он ни был.

Л. — Вот вопрос, который раньше мало интересовал изготовителей трубок. Электроны, падающие на экран с большой скоростью…

Н. — Какого порядка?

Л. — Эта скорость зависит от напряжения, приложенного к последнему аноду, и пропорциональна квадратному корню из этого напряжения. Так, при 10 000 в на этом аноде электроны будут иметь скорость около 60 000 км/сек. Но при 20 000 в она едва превзойдет 80 000 км/сек.

Н. — Какой же смысл увеличивать эту скорость?

Л. — Чем сильнее электроны ударяются об экран, тем ярче он светится.

Н. — Вернемся, с твоего разрешения, к электронам, которые ударяются об экран. Что с ними происходит?

Л. — Как камень, с силой брошенный в воду, поднимает фонтан брызг, электроны выбивают другие электроны из люминесцентного слоя. Эти электроны…

Н. — …вторичные.

Л. — Ну да, я вижу, ты ничего не забыл из наших прежних бесед. Эти вторичные электроны медленно и как умеют передвигаются к аноду. По крайней мере, так было в старых трубках. В наше время им облегчают обратный путь, покрывая внутренние стенки колбы между экраном и выводом последнего анода проводящим графитовым слоем. Я должен тебе, кстати, заметить, что вывод последнего анода производится через стекло в конической части колбы (рис. 15).

Рис. 15. Электронно-лучевая трубка с фокусировкой посредством электронной линзы. Высокое напряжение на последнем аноде требует хорошей изоляции; поэтому его вывод осуществляется вне цоколя трубки.

1 — управляющий электрод; 2 — первый анод; 3 — второй анод; 4 — проводящее покрытие.

Н. — А почему не через штырек цоколя?

Л. — Да потому, что из-за высокого напряжения на этом электроде его следует по возможности отдалить от других электродов.

Н. — Теперь я ясно представляю себе всю цепь. Электроны вылетают из катода, пролетают отверстия управляющего электрода и одного или нескольких анодов и попадают на какую-то точку экрана. Оттуда они движутся вдоль стенок по направлению к последнему аноду и через источник высокого напряжения возвращаются на катод. Я полагаю, что самая трудная часть пути — это та, которая ведет от пятна к краю экрана.

Л. — Верно, потому что люминесцентный слой очень далек от идеального проводника. Но в современных трубках на этот слой часто наносится очень тонкий зеркальный слой алюминия, сквозь который легко проходят электроны, вылетающие из электронной пушки, и который облегчает удаление вторичных электронов. Впрочем, истинная цель алюминиевого слоя — увеличить яркость изображения, отражая по направлению к зрителю ту часть световых лучей, которая без этого безвозвратно терялась бы для него, уходя внутрь трубки.

ПЯТНО ХОДИТ ВВЕРХ И ВНИЗ

Н. — Вот мы и владеем электронным карандашом, предназначенным для вычерчивания светящихся изображений на экране. Однако, чтобы рисовать, нужно сделать его подвижным. Как схватить этот невидимый пучок и манипулировать им по своему желанию?

Л. — Когда настоящая пушка выпускает снаряд, он следует по прямолинейной траектории?

Н. — Нет, конечно. Он описывает параболу, так как земное притяжение искривляет его траекторию по направлению к Земле.

Л. — Не видишь ли ты возможности воздействовать на электрон аналогичной силой, способной отклонить его от прямого пути?

Н. — Да, вижу. Можно было бы расположить под пучком положительно заряженный электрод, который притягивал бы электроны так же, как Земля притягивает снаряд. Таким образом, пучок искривился бы книзу.

Л. — Правильно! Можно поступить еще лучше, поместив одновременно над пучком второй, отрицательно заряженный электрод (рис. 16).

Рис. 16. Электростатическое отклонение. В соответствии со знаком напряжения на отклоняющих пластинах пятно отклоняется вниз или вверх.

Н. — Понимаю. Отталкивая электроны пучка, он дополнит действие электрода, помещенного внизу. Но два таких электрода в действительности образуют обкладки конденсатора.

Л. — Конечно. Заметь, впрочем, что на отклоняющие пластины нужно подавать не постоянное напряжение, так как, отклонившись от центра экрана, пятно займет неподвижное положение. Однако не это нам нужно. Что произойдет, если к двум отклоняющим электродам приложить переменное напряжение?

Н. — Во время полупериода, когда верхний электрод становится положительным, а нижний — отрицательным, пучок будет притягиваться вверх (отталкиваясь при этом снизу). Мы увидим, как пятно поднимается. Во время следующего полупериода верхний электрод, становясь отрицательным, его оттолкнет, в то время как он будет притягиваться к нижнему электроду, который станет положительным. Наше пятно, следовательно, переместится вниз.

Л. — Ты видишь, что пятно будет передвигаться туда и обратно вдоль вертикального диаметра экрана. И если частота переменного напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам, превышает тридцать герц…

Н. — …глаз воспримет светящуюся вертикальную черту, так как, принимая во внимание инерцию светового ощущения, он не будет различать мгновенных положений, занимаемых пятном.

ПЯТНО КОЛЕБЛЕТСЯ ВПРАВО И ВЛЕВО

Л. — Предположим теперь, Незнайкин, что на пути пучка мы помещаем вторую пару отклоняющих пластин, на этот раз расположенных вертикально по обе стороны пучка (рис. 17).

Рис. 17. Электронно-лучевая трубка с электростатическим отклонением.

1 — вход видеосигнала; 2 — к пластинам вертикального отклонения (кадры); 3 — к пластинам горизонтального отклонения (строки).

Н. — Ясно, что они создадут возможность отклонять пучок вправо и влево. И если приложить к этим пластинам переменное напряжение, то пятно прочертит на экране горизонтальную линию.

Л. — Справедливость и логичность твоих выводов заслуживают комплиментов.

Н. — Но мне не нравится, что вертикальные пластины создают горизонтальное отклонение, и наоборот.

Л. — Это, действительно, очень досадно. И некоторые авторы создают плачевную путаницу, когда говорят о «горизонтальных отклоняющих пластинах», тогда как хотят сказать о «горизонтально отклоняющих пластинах» или «пластинах горизонтального отклонения», которые сами по себе расположены вертикально!

ИЗОБРАЖЕНИЕ ВЫРИСОВЫВАЕТСЯ

Н. — Мы умеем теперь отклонять пятно как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Как его заставить теперь вычерчивать изображение?

Л. — Не будем торопиться и ограничимся сначала ориентировочным представлением. Предположи, что к горизонтально отклоняющим пластинам приложено периодическое напряжение такой формы, что пятно пробегает с постоянной скоростью горизонтальную линию слева направо, потом почти мгновенно возвращается налево, возобновляет такое же движение вправо и т. д.

Н. — Это вроде того, как если бы я читал без конца одну и ту же строчку книги.

Л. — Остается, следовательно, сообщить пятну гораздо более медленное движение сверху вниз, прикладывая соответствующее напряжение к вертикально отклоняющим пластинам.

Н. — Таким образом, когда одна строка будет прочитана, мы не будем больше возвращаться к началу этой же строки, а будем переходить к началу следующей.

Л. — Конечно. И так будет для всех строк изображения, потому что пятно будет медленно с постоянной скоростью перемещаться сверху вниз. Но когда оно пробежит последнюю строку, резкий переброс вертикально отклоняющего напряжения возвратит пятно кверху, чтобы начать развертку следующего изображения.

Н. — Мы закончили страницу и перевернули ее, чтобы начать новую… Все это ясно. Но наше пятно вычертит только ряд однообразно светящихся строк, которые создадут впечатление прямоугольника с равномерной яркостью во всех точках. Это как книга, у которой все буквы одинаковы!..

Л. — Да, но ведь мы забыли нечто очень существенное: изменять интенсивность электронного пучка так, чтобы каждая точка изображения была воспроизведена со свойственной ей яркостью.

Н. — Я что-то не пойму, как ты этого добьешься.

Л. — Послушай-ка, Незнайкин, уж не устал ли ты? Подумай же. Какой электрический сигнал в приемнике точно отражает все изменения яркости последовательно развертываемых точек изображения?

Н. — Сигнал видеочастоты.

Л. — А на какой электрод трубки нужно подать этот сигнал, чтобы промодулировать интенсивность электронного пучка?

Н. — Ах, да! Hа сетку. Я хочу сказать на управляющий электрод Понятно… Пятно будет более или менее ярким в соответствии с величиной, которую будет иметь в этот момент видеосигнал. И вот таким-то образом переданное изображение будет элемент за элементом воспроизведено на экране трубки.

Л. — Само собой разумеется, нужно, чтобы движения электронных пучков при передаче и приеме были строго синхроннизированы.

Н. — Я чувствую, что у меня возникают сотни вопросов.

Л. — С моей стороны есть только один: не думаешь ли ты, что на сегодня хватит?

 

Беседа четвертая

ПРОГУЛКА ПО ПОЛЯМ

В последней беседе наши юные друзья рассмотрели электростатическую электронно-лучевую трубку, управляемую электрическими полями. Однако в телевидении наиболее употребительны трубки с управлением электромагнитными полями. Они явятся предметом обсуждения настоящей беседы. Читатель должен очень внимательно следить за объяснениями, относящимися к действию магнитного поля на электроны, потому что объяснения связаны с пространством в трех измерениях, тогда как иллюстрации, увы, ограничены двумя измерениями плоскости бумаги. Таким образом, он изучит: магнитное поле электрона; конфигурацию электрических и магнитных полей; взаимодействие магнитных полей; отклоняющие катушки; магнитную фокусировку; сравнение трубок с электростатическим и электромагнитным управлением; чувствительность отклонения; максимальный угол отклонения.

100 ВОПРОСОВ НЕЗНАЙКИНА

Незнайкин. — Из-за этого проклятого телевидения у меня бессонница! Сотни вопросов теснятся в голове, так что она чуть не треснет. Я поторопился опять с тобой встретиться, чтобы спросить, какова форма напряжений, прикладываемых к вертикально и горизонтально отклоняющим электродам? Как они образуются? Какова их амплитуда? Каким образом они синхронизируются? Почему…

Любознайкин. — Ради бога, остановись! Я постараюсь удовлетворить твою жажду знаний, но нужно идти по порядку.

В последний раз мы рассмотрели трубку с электростатической фокусировкой и отклонением. В настоящее время она в основном применяется в измерительных приборах, известных под названием электронных осциллоскопов (осциллографов). В телевидении же она если и применяется, то только для получения небольших изображений. А как только диаметр экрана достигает или превышает двадцать сантиметров, отдают предпочтение трубкам, в которых электроны управляются магнитными полями.

Н. — Я задаю себе вопрос: каким образом? Электрон имеет некоторый отрицательный электрический заряд, и, исходя из этого, тела, заряженные положительно (такие, как анод), притягивают его, а заряженные отрицательно — отталкивают. Но какое действие может оказать магнитное поле на движущийся электрон?

ОТ ОДНОГО ПОЛЯ К ДРУГОМУ

Л. — Если бы можно было сделать электрон неподвижным, он был бы похож на то, что ты себе представляешь: носитель электрического отрицательного заряда и больше ничего. Но как только электрон оказывается в движении, он порождает магнитное поле.

Н. — Ты никогда об этом не говорил. В свое время ты объяснил, что электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле, образованное из замкнутых круговых линий, центром которых является проводник.

Л. — Бедняга, бессонницы решительно тебе не помогают. Потому что, в конце концов, что такое электрический ток, как не поток электронов?!

Н. — Правильно, диод меня возьми! Ты, конечно, прав, не проводник, а электроны, в нем циркулирующие, порождают магнитное поле. В общем можно сказать: где есть электричество в движении, там есть и магнетизм.

Л. — Разве не то же происходит в случае радиоволн, которые представляют собой замкнутые пучки магнитных линий, окруженные электрическими полями, и которые распространяются с волшебной скоростью света…

Н. — Следовательно, когда электрон совершает «сальто», ведущее его от катода через отверстия управляющего электрода и анодов по направлению к люминесцирующему экрану, его также сопровождает замкнутое магнитное поле, центром которого он является?

Л. — Безусловно. И обрати внимание, что линии электрического поля идут радиально от электрона во всех направлениях и благодаря этому перпендикулярны линиям своего магнитного поля (рис. 18). Я сообщу тебе очень полезный секрет: во всех случаях линии электрического и магнитного полей, возникших благодаря одной и той же причине, взаимно пересекаются во всех точках под прямыми углами.

Рис. 18. Поля, создаваемые движущимся электроном.

а — магнитное поле электрона, перемещающегося сверху вниз; б — электрическое (сплошными стрелками) и магнитное (пунктиром) поля электрона, перемещающегося в направлении глаза читателя перпендикулярно к плоскости рисунка.

ИНТИМНАЯ ЖИЗНЬ МАГНИТНЫХ ЛИНИЙ

Н. — А как ведут себя в присутствии друг друга два магнитных поля, порождаемых различными причинами?

Л. — Ты это прекрасно знаешь, Незнайкин. Когда ты приближаешь два магнита один к другому…

Н. — …они притягиваются, когда это противоположные полюсы. Но если сближают оба северных или же оба южных полюса, то магниты отталкиваются (рис. 19). Дело происходит так же, как в электрических зарядах.

Рис. 19. Взаимодействие двух магнитов.

а — притягивание разноименных полюсов магнитов; б — отталкивание одноименных полюсов.

Л. — Отсюда можно сделать вывод, что параллельные магнитные линии одинакового направления отталкиваются, а противоположного — притягиваются.

Н. — И у тебя хватает нахальства говорить о «параллельных» линиях, когда речь идет о кривых!

Л. — Не будь таким прямолинейным, Незнайкин. Ведь ты прекрасно понял, что я хотел сказать.

Н. — Да, да, я отлично понял. Твои магнитные линии, как два человеческих существа: чем меньше они видятся, тем лучше. Но как только они попытаются вместе пройти по дороге, так начинают ссориться…

МАГНИТНЫЙ ТЕАТР

Л. — Раз это для тебя так ясно, тебе будет легко понять способ магнитного отклонения электронного пучка.

Н. — Я думаю, что достаточно взять магнит в виде подковы и поместить между его полюсами электронно-лучевую трубку, чтобы электроны попали в его магнитное поле.

Л. — Поздравляю. А в каком направлении электроны будут отклоняться под действием магнитного поля?

Н. — Ну, конечно, они будут притягиваться одним из его полюсов и отталкиваться другим.

Л. — Какое невежество!!! Как ты мог сказать такую несусветную чепуху?.. Вот опасность непродуманных аналогий! Однако ты должен был бы задуматься после того, как я объяснил, что электрическое и магнитное поля во всех точках перпендикулярны друг другу.

Н. — Не станешь же ты утверждать, что электрон будет отклоняться в направлении, перпендикулярном магнитным линиям?

Л. — Я просто хочу, чтобы ты потрудился логически рассуждать. Чтобы представить все нагляднее, я рисую трубку не совсем обычным образом: я делаю разрез ее колбы на уровне магнита (рис. 20). Глаз помещен со стороны люминесцирующего экрана, так что взгляд направлен вдоль оси трубки на катод. Маленькая черная точка в центре трубки — это электрон, который, направляясь из глубины, устремляется к нам.

Рис. 20. Принцип магнитного отклонения.

1 — электронно-лучевая трубка; 2 — магнит.

Н. — Теперь, когда декорации размещены, а главный персонаж на месте, действие может, начинаться.

Л. — Мы присутствуем, таким образом, при конфликте двух сил, представленных, с одной стороны, полем магнита (параллельные силовые линии), а с другой — полем движущегося электрона. Оно состоит из замкнутых круговых линий. Каково же будет взаимодействие этих полей?

Н. — Справа и слева окружность пересекают под более или менее прямым углом параллельные линии поля, созданного магнитом. Следовательно, там взаимодействие отсутствует. Но внизу и наверху будет явное проявление симпатий и антипатий. Вверху направление линий обоих полей противоположно; следовательно, они будут притягиваться. Внизу, наоборот, линии идут в том же направлении. Значит, они будут отталкиваться.

Л. — И какой же результат этих сентиментальных конфликтов?

Н. — Притягиваемый сверху и отталкиваемый снизу электрон, следовательно, будет отклоняться кверху.

Л. — Совершенно верно. А если бы мы поменяли местами полюсы магнита…

Н. — Электрон тогда отклонился бы книзу… Конечно, я признаю, это несколько озадачивает, что горизонтальное поле вызывает вертикальное отклонение электронного потока.

СОЗДАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Л. — Ты легко догадаешься, Незнайкин, что для получения непрерывного движения пятна нужно соответственно наменять как значение, так и направление магнитного поля. И мы этого добьемся без того, чтобы жонглировать постоянными магнитами, хотя бы и в виде подковы, приносящей счастье.

Н. — Я полагаю, что применяют электромагниты, т. е. катушки, через которые проходит ток соответствующей формы и направления, чтобы создать желаемое магнитное поле.

Л. — Это именно так. И, так же как при электростатическом отклонении используют две пары пластин, чтобы получить необходимое перемещение электронного пучка под действием магнитных полей, предусматривают…

Н. — …две пары электромагнитов: первую пару, ось которой расположена вертикально и которая благодаря этому будет отклонять электроны в горизонтальном направлении (развертка строк), и вторую пару с осью, расположенной горизонтально, чтобы отклонять электроны в вертикальном направлении (переход от одной строки к другой и от одного кадра к следующему).

Л. — Именно так, Незнайкин. Четыре катушки помещены обычно в той части колбы, где цилиндр соединяется с конусом (рис. 21).

Рис. 21. Расположение горизонтально и вертикально отклоняющих электромагнитов.

1 — горизонтальное отклонение; 2 — вертикальное отклонение.

Н. — Они с магнитным сердечником?

Л. — Используются катушки как без сердечника, так и с сердечником из мягкой листовой стали. В первом случае они наматываются на оправку прямоугольной формы, а затем изгибаются, чтобы как можно плотнее прилегать к стеклу колбы (рис. 22).

Рис. 22. Горизонтально отклоняющие катушки без сердечника.

Н. — А зачем это нужно?

Л. — Для лучшей концентрации магнитного потока на пути электронов. При катушках же с магнитным сердечником это удается благодаря тому, что пластинам сердечника придают такую форму, чтобы полюсы как можно ближе прилегали к стеклу колбы (рис. 23).

Рис. 23. Отклоняющие катушки с магнитным сердечником.

У НЕЗНАЙКИНА ВОЗНИКАЕТ ИДЕЯ

Н. — Может быть, это глупо, но я задаю себе вопрос: раз уже движущиеся электроны имеют магнитное поле, не смогли бы ли мы фокусировать их не при помощи того, что ты называешь «электронной линзой», а также магнитным полем?

Л. — Нет, это не глупо. Это как раз то, что часто делали, особенно в трубках старых типов. Так же как магнитное отклонение позволяет упрощать внутреннее устройство трубки, избавляя нас от двух пар отклоняющих пластин, при магнитной фокусировке достаточно одного анода и система электродов вновь обретает первоначальную простоту триода.

Н. — Стоит только пойти по этому пути устранения электродов, ставших излишними, и пустотная трубка вполне оправдает свое название… Но вернемся к моей идее. Как можно осуществить магнитную линзу?

Л. — Нужно создать поле, линии которого шли бы по оси трубки. Для этой цели нужно расположить катушку электромагнита вокруг горла трубки (рис. 24).

Рис. 24. Катушка для магнитной фокусировки.

Н. — И я полагаю, что фокусировку регулируют, изменяя величину тока в обмотке.

Л. — Именно так. Впрочем, так как поле должно быть постоянным, можно заменить электромагнит постоянным магнитом в форме цилиндра, окружающего горловину трубки в том месте, где электроны выходят из анода, и полюсы которого направлены вдоль оси трубки.

ПЛЯСКА ЭЛЕКТРОНОВ

Н. — Я инстинктивно понимаю, что в однородном магнитном поле, направленном вдоль оси трубки, электроны вынуждены концентрироваться в пучок на самой оси. Потому что каждый электрон, который отклоняется от этой оси, должен быть, я думаю, сейчас же возвращен на прямой путь электронной добродетели.

Л. — Твой инстинкт тебя не обманывает. Однако в действительности происходящие явления гораздо сложнее. Представь себе, что электрон, находящийся в однородном магнитном поле, отклоняется от оси, направляясь книзу (рис. 25).

Рис. 25. Движение электрона в магнитном фокусирующем поле.

Лучше всего, если ты вырежешь из бумаги маленький диск, центром которого будет электрон, а край будет изображать соответствующее ему магнитное поле. Если электрон будет двигаться наклонно книзу, то и диск наклонится. Его верхний и нижний края всегда перпендикулярны линиям поля, но его правый и левый края не образуют больше прямого угла с этими линиями. Следовательно, с одной стороны возникнет притяжение, а с другой — отталкивание. В результате…

Н. — …электрон будет перемещен вбок. Это великолепно! В магнитном ноле все происходит совершенно неожиданным образом. Ну, а если электрон уходит теперь влево…

Л. — …те же рассуждения покажут, что он будет перемещаться вверх.

Н. — И, следовательно, поле будет перемещать его вправо, и т. д. Таким образом, он опишет в конце концов окружность вокруг оси. Какое странное движение! И оно никогда не кончается?

Л. — Конечно! Так как радиус окружности непрерывно уменьшается вплоть до момента, когда электрон попадет на ось и послушно будет двигаться вдоль нее. Это значит, что траектория, приводящая электрон па ось, имеет форму спирали или штопора.

И. — Магнитная фокусировка напоминает мне пляску скальпов.

Л. — Почему же?

Н. — Потому что индейцы, привязав свои жертвы к столбу, описывают вокруг них все уменьшающиеся круги вплоть до момента, когда…

Л. — …вмешательство провидения спасает в решающий момент скальп бесстрашного исследователя. Я ведь тоже читал Фенимора Купера и Майн Рида…

ВОПРОСЫ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Н. — Теперь, когда ты мне показал анатомию и физиологию электронно-лучевых трубок, я попытаюсь взвесить сравнительные достоинства электростатических и электромагнитных систем. Я понимаю, что трубки с электромагнитными отклонением и фокусировкой проще в изготовлении. Но зато, мне кажется, лучше иметь дело с напряжением, создающим электрическое поле, чем заставлять ток проходить через обмотки электромагнита, что требует некоторой мощности и, следовательно, расхода энергии.

Л. — На первый взгляд ты прав. На самом же деле твои доводы справедливы только в случае трубок небольшого диаметра, самое большее до 20 см. Потому что ты не учитываешь фактора чувствительности.

Н. — Я не понимаю, причем здесь чувства…

Л. — Нет, речь идет здесь о чувствительности отклонения — величине, которая для данной трубки показывает, на сколько миллиметров переместится пятно по экрану, когда напряжение на отклоняющих пластинах изменится на 1 в или когда отклоняющее магнитное поле изменится на 1 гс (гаусс — единица магнитной индукции).

Н. — Таким образом, если я правильно понял, чем чувствительнее трубка, том меньше необходимое напряжение (или мощность в случае магнитных полей) для получения данного перемещения пятна. А от чего же все-таки зависит чувствительность трубки с электростатическим отклонением?

Л. — В такой трубке пятно отклоняется тем больше, чем дольше электроны подвергаются действию отклоняющего поля. Следовательно, чем длиннее отклоняющие пластины, тем выше чувствительность. Точно так же, чем ближе расположены пластины одна к другой, тем больше чувствительность, так как поле интенсивнее.

Н. — Значит, можно делать трубки с очень высокой чувствительностью, используя очень длинные пластины и сокращая до минимума расстояние между ними?

Л. — Ты скоро упрешься в тупик на этом пути, ибо при малейшем отклонении электронный пучок попадет на пластины. Для полноты картины следует добавить, что отклонение уменьшается по мере увеличения скорости электронов.

Н. — Это понятно. Чем быстрее летит снаряд, тем меньше отклоняется он от своей траектории из-за земного притяжения.

Л. — И вот, так как скорость электронов зависит от напряжения на последнем аноде, при увеличении напряжения на нем отклонение уменьшается в таком же соотношении. Это очень важно.

Н. — Я четко вижу формулу, показывающую, что чувствительность S прямо пропорциональна длине пластин l и обратно пропорциональна расстоянию d между ними и анодному напряжению U a .

Л. — Чудесно! В этой формуле не хватает только расстояния L между отклоняющими пластинами и экраном. Ведь понятно, что чувствительность увеличивается с увеличением этого расстояния, потому что для одного и того же угла отклонения перемещение пятна тем больше, чем дальше расположен экран.