Успехи фотоэлемента
Впервые десятилетия своего существования фотоэлемент, как и катодная трубка, был только физическим прибором. Он служил для научных исследований, но практического применения ему не находилось.
Инженеры, совершенствуя фотоэлемент, ничего по существу в нем не изменили. Основные части прибора оставались теми же, что были и у Столетова: два электрода — чувствительный к свету катод с большой поверхностью; анод, имеющий вид небольшого колечка или сеточки; батарея или другой источник постоянного тока.
Оба электрода заключены в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Современный фотоэлемент похож на электрическую лампочку. Но их сходство только внешнее. Эти приборы имеют совершенно противоположное назначение: осветительная лампочка преобразует электрическую энергию в свет, а фотоэлемент преобразует световую энергию в электрическую.
Когда на катод фотоэлемента падают световые лучи, через прибор идет ток. Чем ярче свет, тем сильнее фототок. Однако даже самый яркий свет рождает в фотоэлементе незначительный по силе ток, измеряемый миллионными долями ампера.
Поэтому физики присоединили к фотоэлементу ламповый усилитель. Через усилитель фотоэлемент может приводить в действие реле — автоматический выключатель тока.
Простейшее реле представляет собой небольшой электромагнит с легким и подвижным якорьком на пружинке. Когда через обмотку электромагнита проходит даже очень слабый ток, — магнит притягивает якорек, а тот, замыкая цепь от какого-либо сильного источника тока, приводит в действие двигатели и механизмы, соединенные с этим источником тока (рис. 99).
Рис. 99. Схема, составленная из фотоэлемента, реле и вентилятора. Лучи света, падая на катод фотоэлемента, включают ток и приводят в движение вентилятор.
Возможно и другое включение реле: когда магнит притягивает к себе якорек, — цепь разомкнута. Но как только ток в обмотке электромагнита прекращается, якорек перестает притягиваться, пружинка отрывает его от сердечника электромагнита и прижимает к контактам источника сильного тока: происходит включение исполнительной цепи.
В союзе с усилительной радиолампой и реле фотоэлемент перестал быть только физическим прибором. Он начал нести службу в промышленности.
Сначала фотоэлемент приспособили для автоматического подсчета изделий на конвейерах и транспортерах.
С одной стороны ленты транспортера поставили маленький фонарик, бросавший поперек ленты узкий пучок параллельных лучей. С другой стороны транспортера, напротив фонарика, поместили фотоэлемент. Световой пучок падал на фотоэлемент, и через фотоэлемент шел ток.
Изделия, двигаясь по транспортеру, проходили мимо фотоэлемента и заслоняли собой свет фонарика. Ток в цепи фотоэлемента прекращался. Электромагнит реле отпускал якорек. Падая, якорек приводил в движение механизм счетчика. Каждый раз, когда изделие преграждало луч света, счетчик прибавлял единицу. Так, изделия, проходя мимо фотоэлемента, считали «сами себя».
Фотоэлемент, соединенный с радиолампой, реле и счетчиком, учитывал готовую продукцию спокойно, аккуратно — дни, недели, месяцы, не утомляясь, не ошибаясь и не требуя особого ухода.
После первых удачных опытов, фотоэлементы начали устанавливать на многих рабочих местах, а провода провели к счетчикам в диспетчерскую комнату. Диспетчер, глядя на выстроившиеся перед ним счетчики, видел, как идет работа на любом участке, сколько заготовлено деталей и сколько выпущено готовой продукции.
Фотоэлемент заставили охранять банк. В стенах коридора, ведущего в хранилище, установили несколько потайных фонариков. Они бросали тонкие пучки невидимых инфракрасных лучей. Лучи пересекали коридор, образуя незримую решетку.
На противоположной стене напротив каждого фонарика укрепили фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Провода от каждого фотоэлемента шли к реле сигналов тревоги.
Достаточно было пересечь хотя бы один луч, — по всему зданию заливались звонки, с грохотом захлопывались стальные створки дверей-ловушек, которые преграждали выход злоумышленнику. Фотоэлемент оказался прекрасным «сторожем».
У входных дверей гостиниц тоже стали устанавливать фотоэлементы. Каждый посетитель, входя в подъезд, неминуемо пересекал световой луч: фотоэлемент «замечал» появление человека и через реле включал несколько механизмов. Небольшие электромоторы распахивали двери, в вестибюле вспыхивал полный свет, а чучело медведя раскрывало пасть и произносило человеческим голосом: «Милости просим!», «Добро пожаловать!» или «Извините, сегодня в гостинице свободных номеров нет!..» Фотоэлемент стал «швейцаром».
В Советском Союзе «электрический глаз» занял почетное место в технике безопасности. Световыми лучами ограждают опасные пространства под паровыми молотами, под штампами прессов, высоковольтные установки. Достаточно рабочему нечаянно попасть рукой или даже пальцем в опасную зону — фотоэлемент мгновенно включит тормозное устройство, и машина остановится.
Достоинства фотоэлемента — мгновенность действия, постоянная бдительность и, в соединении с реле, способность приводить в движение любой исполнительный механизм — были по заслугам оценены конструкторами и изобретателями.
На одной международной выставке фотоэлемент приладили к телескопу.
Телескоп направили на определенную точку неба, а реле фотоэлемента соединили со всеми механизмами выставки.
Настал вечер. Гости, съехавшиеся на выставку, толпились у ворот. Тысячи любопытных облепили ограду, всматриваясь в безлюдную территорию выставки.
В поле зрения телескопа появился Арктур — звезда первой величины из созвездия Волопаса. Луч света Арктура скользнул в телескоп и упал на фотоэлемент. Реле замкнуло контакт, и в тот же миг на всей территории выставки вспыхнули огни, осветились павильоны и дорожки. Распахнулись сами собой ворота, ударили фонтаны. Заиграла музыка, заработали все действующие модели машин и станков. Побежали вагончики электрической железной дороги. На мачте, освещенной прожекторами, взвился флаг, а в воздух взлетели сотни разноцветных ракет. Все это «проделал» слабенький луч звезды, пойманный фотоэлементом. Это он привел в движение множество различных механизмов — выключателей, моторов, фонтанных кранов, радиол, ракетниц и прожекторов.
Но и это было лишь началом применения фотоэлемента, его первыми шагами в практической жизни.
Служба вторичных электронов
Советские ученые выработали для катодов фотоэлементов составы, чувствительные и к ультрафиолетовым лучам, и к видимому свету, и к невидимым инфракрасным лучам.
У современных фотоэлементов катоды изготовляют в основном двух типов — кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые. И те и другие чувствительны к видимому свету, однако, наибольшую чувствительность они проявляют, когда их освещают лучами определенного цвета. Кислородно-цезиевые даю г ток наибольшей силы при освещении инфракрасными лучами. Сурьмяно-цезиевые чувствительны к ультрафиолетовым и видимым лучам.
Баллоны фотоэлементов, после откачки воздуха, иногда наполняют разреженным газом — неоном или аргоном. Присутствие этих газов в фотоэлементе повышает его чувствительность.
Электроны, вылетевшие из катода, сталкиваясь с атомами газа, могут ионизировать их. В результате таких столкновений возрастает число электронов, попадающих на анод, и сила тока увеличивается.
Это большое преимущество. Но ему, к сожалению, сопутствует недостаток, свойственный газовым приборам. В создании тока в газонаполненном фотоэлементе участвуют не только легкие, подвижные электроны, но и сравнительно тяжелые, неповоротливые ионы. (Ион аргона почти в 70 тысяч раз массивнее электрона.) Пока эти ионы раскачиваются да пока доберутся до катода, — проходит время. Поэтому газонаполненный фотоэлемент начинает действовать не мгновенно, ему требуется некоторое время на «раскачку». За быстрыми изменениями силы светового луча ток не поспевает: с прекращением действия света, разогнавшиеся ионы в течение нескольких миллионных долей секунды еще продолжают по инерции налетать на катод. Ток прекращается не сразу.
У фотоэлементов, наполненных разреженным газом, ослаблено их важное достоинство — мгновенность действия — безинерционность. Впрочем это зло на практике часто неощутимо.
Присутствие разреженного газа в баллоне фотоэлемента увеличивает его чувствительность в 6 — 12 раз. Это уж не столь большое достижение. Техника настоятельно требовала создания значительно более чувствительных фотоэлементов.
Остроумное решение этой задачи нашел ленинградский инженер Л. А. Кубецкий. Он увеличил силу тока фотоэлемента ни мало ни много, а в несколько миллионов раз!
В своем фотоэлементе изобретатель, кроме катода и анода, поместил еще несколько электродов. Эти дополнительные электроды получили название эмиттеров, что означает — испускатели.
Л. А. Кубецкий покрыл эмиттеры кислородно-цезиевым составом, который легко отдает свои электроны. Работает фотоэлемент Кубецкого так: свет вырывает из катода электроны. Они летят к первому эмиттеру и ударяются об его поверхность. Каждый электрон выбивает 3–4 электрона, а иногда даже и больше.
Электроны, вылетевшие из первого эмиттера, направляются ко второму эмиттеру и выбивают еще по 3–4 электрона, которые устремляются к третьему эмиттеру. Там повторяется то же самое. Третий эмиттер в свою очередь умножает количество электронов и отсылает их к четвертому (рис. 100).
Рис. 100. Схема фотоумножения. Показано, как между эмиттерами возникает лавина электрона.
Поток электронов растет, как снежный ком.
Конечно, чтобы электрон был способен выбивать из эмиттеров новые электроны, он должен обладать достаточной энергией. Поэтому на каждый последующий эмиттер подается напряжение примерно на 100 вольт более высокое, чем на предыдущий. Кроме того, чтобы электроны попадали с одного эмиттера на другой, не сбивались с дороги, применяются различные системы управления при помощи электрических или магнитных полей.
На фотографии трубки Кубецкого видно, что трубка имеет 16 электродов. 2 из них — катод и анод, а 14 — эмиттеры (рис. 101).
Рис. 101. Фотоумножитель Кубецкого.
Какое же усиление могут дать эти 14 эмиттеров? Допустим, что каждый электрон, ударяясь о поверхность эмиттера, выбивает всего лишь по 3 вторичных электрона. Значит, каждый электрон, вылетевший из катода, выбьет из первого эмиттера 3 электрона.
От второго эмиттера их полетит уже 3 х 3 = 9, от третьего—27, от четвертого — 81, от пятого — 243. От девятого эмиттера в путь отправится 19 683 электрона, от двенадцатого — 531 441. После четырнадцатого эмиттера на анод попадает 4 782 969 электронов! Свыше четырех с половиной миллионов!
Одна трубка Л. А. Кубецкого может заменить множество усилительных ламп, которые обслуживают фотоэлементы других типов, усиливая их сигналы. Прибор Л. А. Кубецкого получил название фотоумножителя. Его автор был удостоен Сталинской премии.
Фотоумножители были значительно усовершенствованы профессорами П. В. Тимофеевым и С. А. Векшинским (рис. 102).
Рис. 102. Фотоумножитель Векшинского.
Зоркие помощники
Изобретения и усовершенствования, сделанные советскими учеными, намного улучшили фотоэлементы, и круг их обязанностей необычайно расширился.
Когда, например, полагается включать уличное освещение? Обычно это делается в заранее установленные часы. И в пасмурную погоду и безоблачным ясным вечером фонари вспыхивают на улицах в одно и то же время. Утром же они гаснут, когда захочется диспетчеру. Иной раз приходится видеть, как фонари горят до полудня. Это — напрасная трата энергии.
Теперь во многих городах Советского Союза за силой дневного света следят фотоэлементы. Как только становится действительно темно, они включают свет — в пасмурные дни и в узких улицах раньше, в ясные вечера и на площадях и набережных — позже. Утром фотоэлементы так же аккуратно гасят свет.
Фотоэлементы, помещенные внутри фабрично-заводских труб, контролируют и регулируют работу котельных топок. Густой дым затемняет, ослабляет свет фонарика, обслуживающего фотоэлемент. Фотоэлемент приводит в действие механизмы, управляющие топкой: прочищаются колосники, подается больше воздуха, устанавливается нормальный режим горения топлива.
На боевых кораблях фотоэлемент помогает соблюдать маскировку. Черные столбы дыма, вырывающиеся из труб, делают корабли заметными задолго до появления эскадры на горизонте. Фотоэлемент зорко следит, чтобы топливо сгорало без дыма.
С каждым годом расширяется применение контрольных и сигнальных фотоэлементов. Они становятся такими же привычными, как пишущая машина, электрическая лампочка, термометр, телефон, водопровод.
Искусственный глаз астронома
Астрономы уже давно задумывались, что хорошо бы в некоторых случаях заменить наблюдателя у телескопа автоматическим прибором.
Ученые знали, что света звезды достаточно для срабатывания фотоэлементов, но не умели заставить его отметить с точностью до нескольких тысячных долей секунды момент прохождения звезды через меридиан обсерватории.
Η. Н. Павлов, астроном и одновременно радиолюбитель, решил изобрести прибор, заменяющий наблюдателя. Ученый начал работу в 1934 году и вскоре узнал, что и за границей тоже конструируют электрический наблюдатель. Опыты неизменно заканчивались неудачей. Изобретатели не находили способа создать искусственный глаз, который мог бы соперничать с человеческим.
Советский ученый продолжал работать, он был уверен в успехе, потому что он жил и трудился в советской стране.
Первый прибор, построенный Павловым, был слеповат, он видел фонари, но не замечал звезд. Чувствительность заграничных фотоэлементов, выписанных в обсерваторию, была слишком мала. Слабые лучи звездного света не оказывали на них никакого действия. Перышко самозаписывающего аппарата, соединенного с фотоэлементом, чертило унылую, совершенно прямую линию.
Вскоре советские ученые изобрели новый тип фотоэлементов. Павлов приобрел его и поставил в свой прибор.
В декабре 1935 года Η. Н. Павлов приступил к опыту. Для начала была выбрана самая яркая звезда нашего неба — Сириус.
Лучу звездного света надлежало скользнуть в астрономическую трубу и сквозь узкую щель упасть на фотоэлемент. В это мгновение в фотоэлементе возникнет слабенький электрический ток. Усиленный радиолампами, этот ток должен подействовать на магниты самозаписывающего прибора — хронографа. Магниты притянут якорек, якорек щелкнет, и прикрепленное к нему перышко поставят на телеграфной ленте зубчик.
Наступал решительный момент: Сириус приближался к меридиану обсерватории. Профессор Павлов следил за медленным перемещением звезды в поле зрения инструмента.
Вот еще мгновение! Еще полсекунды…
Громко щелкнули магниты хронографа. Перышко дрогнуло и поставило на ленте отчетливый зубчик. Это Сириус своим лучом расписался в прибытии на меридиан обсерватории. Прибор впервые «увидел» звезду.
Правда, Сириус очень ярок, заметить такую звезду — не велика заслуга, но, как говорится, лиха беда начало!
Ученый продолжал совершенствовать свое изобретение, и два года спустя его искусственный глаз по чувствительности сравнялся с человеческим.
В 1946 году работа в основном была закончена. Профессор Павлов опубликовал свое изобретение.
«Электрический глаз» астронома имеет вид круглой коробки величиной с литровую банку. Он привинчен к окуляру астрономического инструмента и составляет с ним одно целое.
В тот момент, когда звезда проходит через меридиан обсерватории, луч ее света падает на фотоэлемент, и на ленте самозаписывающего прибора появляется зубчик. Второе перышко самозаписывающего прибора, соединенное с точными астрономическими часами, отмечает на той же ленте секунды.
Астроном берет ленту с отмеченными сигналами звезды и часов, спокойно, не торопясь, измеряет промежуток между сигналами и определяет, насколько ошибаются — спешат или отстают — астрономические часы. А по этим часам потом проверяют ход всех часов Советского Союза.
Электрический глаз, в отличие от живого наблюдателя, никогда не спешит, не волнуется, не устает, не допускает ошибок.
Советские астрономы выиграли битву за точность и обеспечили отечественной Службе времени более надежную работу, чем в любой капиталистической стране.
Правительство СССР присудило профессору Η. Н. Павлову Сталинскую премию.
«Великий немой» заговорил
Как только на экранах кинотеатров появились первые «немые» кинофильмы, изобретатели начали думать, — нельзя ли сделать слышимой речь героев фильма? Некоторые предприимчивые владельцы кинотеатров решали эту задачу наипростейшим способом, — они нанимали актеров-чтецов, усаживали их позади просвечивающего экрана, и актеры, глядя на экран, говорили те слова, какие должны были произносить действующие лица в кинофильме. Зрители слышали голоса за экраном, и наиболее легковерным казалось, что картина «говорящая».
Такое «озвучивание» картины, разумеется, не решало задачи создания звукового кино.
Внимание изобретателей привлек граммофон. Его стали соединять различными способами с кинопроекционным аппаратом. Демонстрация картины сопровождалась звуками, записанными на граммофонной пластинке.
Однако и эти опыты, казавшиеся вначале многообещающими, не увенчались успехом, потому что изобретателям не удавалось добиться дружной работы киноаппарата и граммофона. Согласованность все время нарушалась.
Действующие лица на экране начинали говорить с закрытыми ртами, реплики путались; зрители, когда нужно было плакать, хохотали.
Встретились и другие препятствия. Пластинки, даже изготовленные по особому заказу — «голиафы» диаметром в полметра, были малы. На них не умещалось звучание целой части фильма. Во время демонстрации картины приходилось останавливать киноаппарат, чтобы сменить пластинку. Изобретатели поняли, что «в одну телегу впрячь не можно коня и трепетную лань»; граммофон невозможно объединить с киноаппаратом.
Звук надо записывать не отдельно от изображения, а вместе с ним — на той же киноленте. Воспроизводить звук и проектировать изображение на экран также должен один аппарат.
Эта совершенно правильная идея была вначале осуществлена механическим способом. Звуковую бороздку на киноленте прорезали острым резцом или продавливали иглой.
В проекционном аппарате игла скользила по бороздке и заставляла колебаться мембрану, передавая звучание через рупоры в зал. Зритель видел картину на экране перед собой, а звуки неслись к нему сзади. Это портило впечатление. К тому же звучание было слабым, усиливать его еще не научились.
Главный недостаток оставался неустраненным: звук записывался механически, а изображение — фотографически. Звуковая бороздка быстро снашивалась, действующие лица в картине начинали сипеть, кашлять; фильм становился не говорящим, а хрипящим.
Стало ясно, что «великий немой» (так называли кино до того, как оно стало говорящим) обретет дар речи только тогда, когда звук будет записан инструментом, несравненно более точным и более острым, чем стальной резец. Таким резцом мог стать только световой луч.
Возможность графической записи звука светом— в виде черной или светлой волнистой линии — была доказана еще в 1883 году замечательным русским физиком П. Н. Лебедевым, и подтверждена в 1889 году изобретателем А. Винцемским.
Однако создать звуковое кино даже в начале нашего века было невозможно. Тогда не было аппарата, способного «читать» светопись звука, не было «электрического глаза».
Фотоэлемент, изобретенный А. Г. Столетовым в 1888 году, оставался еще недостаточно совершенным прибором.
«Великий немой» заговорил лишь в тридцатых годах нашего столетия. С развитием электроники были созданы более чувствительные фотоэлементы и усовершенствованные усилительные радиолампы.
Над созданием звукового кино работали одновременно три советских изобретателя — П. Г. Тагер, А. Ф. Шорин и В. Д. Охотников. У всех трех изобретателей звук записывался тонким световым лучом на светочувствительной кинопленке. Разница заключалась в способах, какими заставляли световой луч «записываться».
А. Ф. Шорин включил в цепь микрофона металлическую ленточку, натянутую между полюсами магнита. На ленточку падал узкий пучок света, который затем направлялся на кинопленку. В спокойном состоянии лента затеняла ровно половину светового пучка и оставляла на пленке ровную темную полоску. Но когда перед микрофоном говорили, пели или играли на музыкальных инструментах, по ленте протекал переменный так, вызываемый звуковыми колебаниями мембраны микрофона.
Под влиянием тока лента двигалась, колебалась в магнитном поле и пропускала то более, то менее узкий пучок света на пленку. И на движущейся пленке звук записывался в виде Зубчиков разной высоты в соответствии с шириной пучка света, пропущенного лентой.
В аппаратах В. Д. Охотникова и П. Г. Тагера звуковая дорожка получалась в виде полоски одинаковой ширины, без зубцов, но зато почернение пленки на ней было различным в разных местах дорожки. В этих системах токи микрофона изменяли не ширину светового пучка, а его интенсивность.
Приборы звукового кино читают оба вида записи одним и тем же способом. Луч света пронизывает движущуюся в аппарате звуковую дорожку и падает на фотоэлемент. Дорожка ослабляет луч то больше, то меньше: или зубчики уменьшают его ширину, или же почерневшая в той или иной степени пленка — ослабляет интенсивность луча. И в том и в другом приборе фотоэлемент получает то больше, то меньше света и дает ток, колеблющийся по силе. Этот ток поступает в усилители, а оттуда в громко- говорители, поставленные рядом с экраном, и зритель слышит все звуки, сопровождающие съемку.
Аппаратом Тагера — «тагефоном» — была заснята первая советская звуковая картина «Путевка в жизнь». Потом в студиях появились более совершенные аппараты Шорина.
Ныне Советский Союз располагает самой совершенной техникой звукозаписи и звуковоспроизведения.
Говорящие часы
Звукочитающие аппараты нашли самое разнообразное применение. Благодаря им мы можем пользоваться так называемыми «говорящими» часами, которые в любую минуту сообщают по телефону точное время.
Набрав номер «говорящих часов», человек слышит в трубке спокойный, внушительный голос:
— Двадцать часов пятьдесят две минуты.
Если абонент не повесит трубку, то «говорящие часы» так же невозмутимо повторят:
— Двадцать часов пятьдесят две минуты.
Если в этот момент минута кончилась, часы скажут:
— Двадцать часов пятьдесят три минуты.
Говорящие часы находятся на телефонной станции. Там они занимают отдельное затемненное помещение, на дверях висит табличка: «Вход воспрещается».
«Говорящие часы» любят одиночество и темноту.
На обыкновенные часы они совершенно не похожи. У них нет ни циферблата, ни стрелок. Точный часовой механизм соединен с большим алюминиевым барабаном. На одном краю барабана надеты ленты, на которых записан голос человека, произносившего часы: ноль часов, один час, два часа и так далее до двадцать третьего часа. На другом краю барабана надеты ленты с записью минут.
Сбоку барабана укреплено два электрических глаза — фотоэлемента. С помощью тонкого светового луча они читают запись звука — каждый на своей ленте.
Первый читающий прибор целый час читает одно и то же: «двадцать часов», «двадцать часов»… Как только час пройдет, механизм передвинет электрический глаз к следующей ленте, и он начнет читать: «двадцать один час», «двадцать один час»…
Левый читающий прибор переходит с ленты на ленту быстрее, так как он читает только минуты.
Оба «электрических глаза» читают строго поочередно: сначала правый прочтет часы, затем левый добавит минуты.
Читают эти приборы «про себя». Воспринятые световые колебания они превращают в колебания электрического тока и посылают их в усилители. А из усилителей сигналы передаются по телефонным проводам.
Поэтому в помещении «говорящих часов» не только темно, но и тихо. «Говорящие часы» умеют говорить только по телефону.
Со временем фотоэлемент станет настоящим читающим прибором. В 1949 году на XIII Всесоюзной радиотехнической выставке два радиолюбителя демонстрировали прибор для слепых. Он позволяет слепым читать книги, напечатанные типографским способом, но только не буквами, а особой узорчатой линией.
Изобретатели работают над созданием буквочитающего аппарата, который мог бы читать газеты и книги так же, как читаем их мы. В этом нет ничего невозможного. Такие приборы будут вслух читать книги слепым или людям со слабым зрением.
На все века
После усовершенствования звукозаписи на кинопленке, изобретатели нашли новый, очень простой способ сохранения и воспроизведения звуков. Этот способ осуществлен в аппарате, который назван магнитофоном.
Из пластмассы, смешанной с порошком ферромагнитного вещества (например, магнетита), изготовляют гибкую ленту, узкую, как тесьма. Эта лента скользит между электромагнитами магнитофона, к которым подведен электрический ток от микрофона, несущий звуковые колебания. Под воздействием колеблющегося магнитного поля порошок, который содержится в ленте, намагничивается в точном соответствии со звуковыми колебаниями.
В магнитофоне соединены вместе звукозаписывающий, звукоснимающий и звукостирающий приборы. Намагниченная лента, проходя сквозь звуковоспроизводящую часть аппарата, вызывает своим магнитным полем индуктированные токи, которые в телефоне дают очень чистое, без всяких посторонних шумов, звучание. Слушая радио, невозможно отличить передачу из студии от передачи магнитофонной записи.
Если же запись оказалась неудачной или же она больше не нужна, включают звукостирающий прибор, где магнитофонная лента размагничивается. После этого ее можно употреблять снова.
В радиоцентрах, наряду с книжными библиотеками, имеются обширные фонотеки, где на полках стоял плоские картонные коробки, а в них — оперы, концерты, лекции, доклады и записи выдающихся событий.
Очень часто в тот момент, когда мы слушаем лекцию или концерт, лектор, читавший эту лекцию, или актеры, выступавшие перед микрофоном, сидят дома, пьют чай и слушают сами себя: их выступления были предварительно записаны магнитофоном.
Пройдут многие годы, века. Наши потомки смогут услышать те самые оперы и песни, какие слушаем мы, в исполнении артистов, которых давно не будет в живых.
Люди будущего увидят на экранах наши замечательные звуковые фильмы: «Ленин в Октябре», «Ленин в 1918 году», «Великий перелом», «Клятва», «Сталинградская битва», «Падение Берлина».
Перед нашими потомками пройдут героические годы нашего исторического столетия, когда народы Советского Союза мужественно отстаивали свою Родину и дело мира. Они будут слышать голоса великих деятелей нашей Сталинской эпохи.
Дальновидение
В 1922 году профессор Петроградского Технологического института Б. Л. Розинг отмечал 25-летие своих первых попыток изобрести телевизор или, как он называл его тогда, — электрический телескоп.
В этот памятный для него год 54-летний ученый решил подвести итог всей прошлой деятельности, оглянуться на пройденный путь, посмотреть, что же в конце концов сделано, и передать преемникам свой богатый опыт.
Профессор Розинг написал маленькую книжку, где на 56 страницах изложил итог многолетних трудов. Он писал, что может дать человечеству дальновидение: «Нам откроются тайны и богатства большей части поверхности нашей планеты, которая до сих пор скрыта под покрывающими ее водами. Опуская приемные аппараты подобного телескопа в глубину океанов, можно будет видеть жизнь и сокровища, которые там таятся. Можно будет проникнуть в расщелины гор и в потухшие вулканы, заглянуть внутрь твердой оболочки земли».
«Инженер будет видеть все, что делается в мастерских, в складах, на работах».
«Больной, прикованный к кровати, через посредство этого прибора войдет в связь с недоступной ему общественной жизнью. Он будет в состоянии видеть все, что делается на улицах, площадях и в театрах».
«Вы, ожидая приезда своего друга, заранее увидите его выходящим с платформы вокзала».
«Такой прибор не только будет способствовать расширению нашего кругозора, он сможет заменить человека в разных обстоятельствах, например, в тяжелой сторожевой службе… Такой глаз, конечно, не закроется от усталости или сна. Он будет сторожить на путях сообщения, около хранилищ, в больницах…»
И затем изобретатель начинает рассказывать о пройденном им тернистом пути.
Б. Л. Розингу сначала казалось, что для дальновидения можно попользовать светочувствительные фотопластинки, особым образом приготовленные. Воображение рисовало ему схему будущего фотохимического телевизора: в нем должно быть две пластины, покрытые бесчисленным множеством светочувствительных элементов. Одна из этих пластин будет служить приемником изображения, другая — экраном, показывающим это изображение. Обе пластинки должны соединяться между собой проводами.
Ученый начал опыты, стараясь найти способ приготовления светочувствительных фотопластинок, годных для дальновидения. Опыты не привели к удаче, да и сама идея прибора, как убедился Розинг, была в корне неверна. Соединение бесчисленного множества светочувствительных элементов бесчисленным множеством проводов — практически неосуществимо.
Изобретатель решил, что его «видящий» прибор должен иметь мозаичный (составленный из кусочков) светочувствительный электрод, и соединять его с прибором, показывающим изображение, следует одним проводом.
Банки с хлористым серебром, из которого Розинг пытался приготовить светочувствительные пластинки, были оставлены. Началась новая серия опытов. Изобретателю пришла счастливая мысль — приспособить к телевизору электроннолучевую трубку. Безынерционный, быстрый электронный луч, бегая по мозаичному электроду, может помочь делу.
Розинг начинает знаменитые опыты с электроннолучевой трубкой. Он водит по экрану приемного аппарата металлической палочкой, а электронный луч рисует на экране трубки вензеля.
Это удача! Электроннолучевая трубка может показывать изображение!
Успех окрыляет, но победа одержана только частичная. Прибор «видит» то, что нарисовано на экране палочкой, но не видит изображения, отброшенного световыми лучами.
Изобретатель обращается к селену. Селен — простое вещество, родственное сере и чувствительное к свету. В темноте селен плохо проводит ток, а на свету в 3–4 раза лучше.
Эта особенность селена объясняется тем, что в нем происходит то же явление, что и в фотоэлементе Столетова: свет «выбивает» электроны из оболочек атомов. Только в фотоэлементе Столетова электроны, освобожденные светом, вылетают наружу — за пределы фотокатода, а в селене они остаются внутри вещества и только содействуют прохождению электрического тока.
Поэтому явление, происходящее в фотоэлементах Столетова, называется внешним фотоэффектом, а явление, происходящее в селене — внутренним фотоэффектом. Приборы, приготовленные из материалов, подобных селену, меняющие на свету сопротивление электрическому току, получили название фотосопротивлений.
Розинг применил селеновые фотосопротивления для изготовления «видящего» электрода и остался ими недоволен. Селен не мгновенно отзывается на изменения силы света. Он уменьшает сопротивление электрическому току не сразу, тратит время на раскачку, а потом, когда свет перестает падать, селен так же постепенно, с затяжкой, увеличивает сопротивление. «Неповоротливость» селена разочаровала Розинга.
Селеновые пластинки были оставлены, как и банки с хлористым серебром. Вместо селеновых фотосопротивлений изобретатель взял столетовские пустотные фотоэлементы.
Найден правильный путь
«Опыты развиваются дальше, — описывает профессор Розинг новый этап работы, — одна оптическая система сменяется другой, катодная трубка покрывается обмотками проволок… 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 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…»
Проходит около года, и опыты показывают, что вполне определенных результатов получить нельзя с самыми лучшими фотоэлементами, пока фотоэлектрический ток не будет усилен каким-либо образом во много десятков раз. Тогда начинается погоня за различными приемами усиления этого тока.
С сентября 1912 года по декабрь того же года составляется около 30 схем фотоэлектрической цепи, имеющих одну цель — усиление тока. К марту 1913 года число их возрастает до 52. К концу октября записывается 85 схем. 23 мая 1914 года придумывается сотая схема. Под конец их число доходит до 123!..
Наша страна является родиной самой совершенной системы дальновидения или, как иногда говорят, соединяя греческий корень слова с русским, — «телевидения», основанной на применении электронного луча. Профессор Б. Л. Розинг нашел верный путь для осуществления телевизионной передачи. Он придумал светочувствительный мозаичный электрод, приспособил для целей телевидения электроннолучевую трубку, применил столетовские фотоэлементы. Телевизор был изобретен, но все еще оставался слепым. И это нельзя считать виной или ошибкой Розинга. И фотоэлементы, и усилительные радиолампы, и электроннолучевые трубки в ту пору находились в младенческом состоянии. Идеи Розинга на два десятилетия опередили развитие электроники.
Другие изобретатели, не имея возможности использовать надлежащим образом свойства электроннолучевой трубки, были вынуждены пойти по пути, намеченному польским инженером П. Нипковым. В аппаратах Нипкова, как в передающих, так и в приемных, главную роль играл вращающийся диск с несколькими десятками маленьких отверстий, просверленных по спиральной линии (рис. 103).
Рис. 103. Диск Нипкова.
В «видящем» приборе позади такого диска помещался фотоэлемент, а в «показывающем» приборе — неоновая лампочка.
Объектив давал на вращающемся диске четкое изображение рассматриваемого предмета, и отверстия диска пробегали по нему, выделяя из него узенькие полоски. Фотоэлемент воспринимал разное количество света в зависимости от того, по каким участкам изображения пробегало очередное отверстие диска и соответственно изменял силу тока. Этот фототок, во много раз усиленный электронными лампами, поступал на приемную станцию и питал неоновую лампочку, которая изменяла свою яркость в зависимости от силы сигналов, полученных ею от фотоэлемента.
Приемный диск быстро и синхронно вращали, так что его отверстия проходили перед лампочкой точно такие же пути, как отверстия передающего диска по изображению предмета, даваемому объективом. Отверстия в диске одно за другим пробегали мимо неоновой лампочки, и глаз видел мигающее, мелькающее изображение.
Телевизоры Нипкова были не электронными, а механическими аппаратами со всеми недостатками, присущими таким устройствам. Советские инженеры И. А. Адамиан, С. И. Какурин, М. А. Бонч-Бруевич, М. В. Шулейкин создали несколько различных конструкций телевизоров с диском Нипкова. Их аппараты отличались сравнительной простотой устройства и дешевизной.
В 1928—30 годах в Советском Союзе началась большая и планомерная работа по созданию телевизионных приемников и передатчиков.
Во Всесоюзном электротехническом и в Ленинградском электрофизическом институтах, наряду с разработкой механических систем телевизоров, деятельно совершенствовался электронный телевизор Розинга. Были изучены свойства серебряно-цезиевых фотоэлементов, разработаны усилительные устройства, изобретен фотоумножитель. Все это закладывало фундамент будущих высококачественных телевизионных станций и приемников.
Механические телевизоры просты. Их без особого труда строили даже пионеры в детских технических станциях. Конструкторы механических телевизоров быстрей добились успеха, и их аппараты первыми вышли в эфир, опередив электронные телевизоры на несколько лет.
Первая советская телевизионная передача состоялась 2 мая 1931 года. О ней было объявлено так: «2 мая, впервые в СССР, будет произведена опытная передача телевидения по радио с коротковолнового передатчика РИЗИ-1 Всесоюзного электротехнического института (Москва) на волне 36,6 м. Будут передаваться изображения живого лица и фотографии. Любители телевидения смогут увидеть тех, кто работал в ВЭИ над осуществлением этой передачи, увидят фотографии вождей революции и, наконец, увидят рабочих-экскурсантов, которые полуторатысячной массой вольются в этот день в стены института для осмотра его лабораторий…»
1 октября 1931 года через московские широковещательные станции начались регулярные передачи телевизионных программ. Успех телевизионных передач был необычайный.
Телевидение, как и радио, в нашей стране с первого дня служит общественно-полезным целям. За рубежом — иначе. Первая телевизионная передача в США была, например, устроена с места… казни негра. По радио также передавались вопли и стоны казнимого.
Иконоскоп — электронный глаз
Б. Л. Розингу — основоположнику электронного дальновидения еще при жизни удалось видеть осуществление его идеи. Два советских изобретателя— инженеры Константинов из Ленинградского электрофизического института (в 1930 году) и Катаев из Всесоюзного электротехнического института (в 1931 году) изобрели «зрячую» электроннолучевую трубку, получившую название — иконоскоп, что означает «изображение смотрящий».
Глаз может служить моделью фотоаппарата. У глаз — веки, у фотоаппарата — затвор. Диафрагма — радужная оболочка. Линзе объектива условно соответствует хрусталик, а светочувствительной пленке — сетчатка (рис. 104).
Рис. 104. Глаз послужил моделью и для фотоаппарата и для видящих приборов телевидения.
В фотоаппарате светочувствительная пленка состоит из множества отдельных мельчайших частичек бромистого серебра. Под действием света бромистое серебро разлагается, и изображение запечатлевается на пластинке.
И глаз и фотоаппарат послужили образцами для создания основного прибора современного телевидения «иконоскопа». Иконоскоп тоже имеет «веки» — затвор, «зрачок» — диафрагму и набор линз, составляющих объектив прибора. Напротив объектива на задней стенке иконоскопа расположена «сетчатка» — светочувствительный электрод, называемый фотокатодом. Он имеет зернистую, мозаичную поверхность, то есть состоит из множества отдельных чувствительных к свету элементиков.
Фотокатод изготовляют из тонкой слюдяной пластинки, на которую наносят несколько миллионов мельчайших капелек серебра. Капельки серебра прилипают к слюде, покрывая ее крошечными точками. Серебряные крупинки, обработанные цезием, становятся маленькими, но совершенно самостоятельными фотоэлементиками.
Каждый такой фотоэлементик держится особняком: серебряно-цезиевые точки сидят на слюде изолированно, как островки.
Тыльную сторону слюдяной пластинки покрывают сплошным слоем какого-либо металла — алюминия, серебра, меди, и этот сплошной металлический слой через сопротивление соединяют с землей. Таким образом, каждый серебряно-цезиевый фотоэлементик одновременно является и конденсатором. Одной обкладкой этого микроскопического конденсатора служит серебряно-цезиевая крупинка, другой — слой металла, а диэлектриком — слюда.
К металлической обкладке припаян проводник, передающий сигналы изображения с фотокатода к другим приборам телевизионной станции — к усилителям и передатчику.
Объектив отбрасывает изображение передаваемого предмета на фотокатод. Каждый фотоэлементик получает определенную порцию света. Фотоэлементы, оказавшиеся в темных, теневых местах изображения, получают света меньше, оказавшиеся в светлых местах — больше.
Свет выбивает электроны из атомов серебряно-цезиевых крупинок. В местах, где света падает больше, электронов будет выбито много; в затемненных местах, где освещенность слабее, — поменьше, а в совсем черных, густых тенях, куда свет не падает, электроны вовсе не будут выбиты.
В результате воздействия светового потока, принесшего изображение, каждый из нескольких миллионов самостоятельных фотоэлементов, составляющих фотокатод, потеряет определенное количество электронов. Иначе говоря, каждая серебряно-цезиевая крупинка приобретет какой-то положительный заряд. Величина этого положительного заряда на каждом отдельном фотоэлементе будет в точности соответствовать количеству упавшего на него света.
На фотокатоде получится невидимое изображение, нарисованное мельчайшими положительными электрическими зарядами, причем темным местам соответствуют маленькие заряды, а светлым — более крупные.
Но каждый фотоэлемент одновременно и конденсатор. Когда на одной обкладке конденсатора возникают электрические заряды, то на другой обкладке накапливаются заряды точно такие же по величине, но противоположные по знаку.
Фотоэлементы, потеряв электроны, приобрели положительные заряды. Следовательно, за слюдяной перегородкой в слое металла возникнут равновеликие отрицательные заряды.
Теперь на сцену выступает главное действующе лицо иконоскопа — электронный луч.
Луч «читает» изображение
Электронная пушка посылает на фотокатод тонкий электронный луч, а управляющие пластины (или заменяющие их катушки) передвигают его по фотокатоду точно так же, как наш взгляд пробегает по строчкам, когда мы читаем страницу книги.
Мы начинаем читать ее с верхней строчки, с левого края. Буква за буквой, слово за словом — взгляд доходит до конца строки и тотчас перескакивает на вторую строчку. Прочитав вторую строку до конца, он переходит на третью, с третьей на четвертую и так, строка за строкой, прочитывается вся страница.
При этом скорость чтения обычного текста составляет примерно 750 знаков в минуту (при чтении вслух) и 1500–2000 знаков при чтении про себя.
Электронный луч пробегает сначала вдоль верхней кромки фотокатода — по верхнему ряду фотоэлементов, затем луч перескакивает чуть ниже и пробегает слева направо вторую строчку. За второй строчкой он «прочитывает» третью, за третьей — четвертую и, таким образом, пробегает по всем строчкам фотокатода, «осматривая» все изображение, точку за точкой.
Иконоскопы, в которых луч прочеркивает на фотокатоде 625 строк за одну двадцать пятую долю секунды, дают очень высокое качество изображения и применяются только в СССР. В США лучшие телевизионные центры пользуются 525-строчной разверткой. Английские телевизионные станции применяют иконоскопы с разверткой на 405 строк.
Электронный луч — не что иное, как поток электронов. Следовательно, в тот момент, когда электронный луч падает на какой-либо фотоэлемент, убыль электронов, выбитых светом из этого фотоэлемента, мгновенно пополняется. Положительные заряды под действием электронного луча нейтрализуются. Электронный луч не «читает» изображение, он стирает, уничтожает его, как тряпка стирает мел с классной доски (рис. 105).
Рис. 105. Электронный луч, нейтрализуя положительный заряд фотоэлемента в мозаичном электроде, тем самым освобождает в металлической пластинке равновеликий отрицательный заряд, который стекает на сетку усилительной лампы.
В тот миг, когда электронный луч касается самого первого фотоэлемента в верхнем ряду и нейтрализует его положительный заряд, тотчас стайка электронов в металлической пластинке, которая была связана этим положительным зарядом, получает свободу. Она бросается к выходу из металлической пластинки. В проводнике возникает мгновенный ток — импульс, толчок. А сила этого импульса соответствует величине положительного заряда, нейтрализованного электронным лучом, и вместе с тем яркости изображений в самой левой верхней точке фотокатода.
Пробегая по всем фотоэлементам фотокатода и «стирая» один за другим положительные заряды на этих фотоэлементах, электронный луч освобождает соответствующие им по величине стайки электронов в металлической пластинке.
Эти стайки по очереди устремляются в проводник, создавая в нем цепочку мгновенных импульсов электрического тока. Стайки с большим числом электронов дают сильные импульсы. Если в стайке мало электронов — импульс слаб.
И что же получается? Электронный луч «стирает» с мозаичной поверхности фотокатода изображение, «нарисованное» положительными зарядами, и тем самым создает в проводнике цепочку сигналов — отрывистых импульсов электрического тока различной силы. Эти импульсы отводятся к усилителю, который обращает их в более мощные электрические сигналы. Изображение разлагается на ряд импульсов, следующих друг за другом, и «бежит» по проводам, как телеграфные знаки азбуки Морзе, Электронный луч в иконоскопе разрезает изображение на 625 строк-ленточек, превращает его в своеобразную телеграмму. Ее можно послать и по проводам и без проводов — по радио (рис. 106).
Рис. 106. Схема иконоскопа.
Электронный луч пробегает по всем точкам поверхности фотокатода за 1/25 долю секунды. Он делает ежесекундно по 25 кадров-снимков, почти не отличаясь в этом отношении от киносъемочного аппарата, который фотографирует на пленку 24 кадра в секунду. Такая частота обеспечивает передачу движущихся изображений, не уступающих по качеству кинофильму.
Так как электронный луч в советских телевизорах прочеркивает на фотокатоде 625 строк, а каждая строка содержит примерно по 832 элементика развертки, то, очевидно, общее число элементов в кадре составит 625 х 832 = 520 000, а полное число элементов в 25 кадрах, передаваемых за секунду, составляет 25 х 625 х 832 = 13 000 000 в секунду!
Уже из этого видно, какое огромное преимущество имеет электронная система телевидения перед механической, передававшей обычно только 100 х 100 х 10 = 100 000 элементов в секунду.
Объектив иконоскопа во время работы ни на один миг не закрывается. Он «смотрит, не мигая». Свет падает на фотокатод не отрывистыми порциями, как через дырочки в диске Нипкова, а сплошным потоком. Фотоэлементы находятся под непрерывным воздействием световых лучей и непрерывно накапливают заряды.
Электронный луч посещает каждый фотоэлемент через 1/25 долю секунды, а «гостит» у него всего лишь 1/13000000 долю секунды. За столь короткий промежуток времени он забирает у фотоэлемента весь накопленный им заряд.
Фотоэлемент в иконоскопе для накапливания зарядов имеет больше времени, чем для их высвобождения. И ясно, что видеосигналы, то есть сигналы, несущие изображения, в иконоскопе получаются много сильнее, чем в механических телевизорах, где фотоэлементы совсем не имеют времени для накапливания зарядов.
Несмотря на такое преимущество иконоскоп все же немного «подслеповат» и при обычном дневном освещении «видит» плохо. В студиях телевизионных станций поэтому приходится применять мощные «юпитеры» и «кинопрожекторы», заливающие сцену потоками яркого света.
В 1933 году два советских ученых, П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев, изобрели новый, значительно более совершенный тип «видящего» прибора, названный ими «суперэмиттрон».
Дальнейшие усовершенствования еще более повысили чувствительность передающей трубки. Если раньше передачу можно было вести только из специальных студий, где артисты страдали от жары, создаваемой множеством прожекторов, то сейчас можно передавать театральные постановки, футбольные матчи, различные моменты производственной работы из заводских цехов. Везде, где светло для человека, достаточно светло и для телевизионного передатчика.
Трудами советских ученых и изобретателей создан подлинный электронный глаз!
Приемник изображения
Сигналы, посланные телевизионным центром, улавливаются антеннами телевизионных приемников. Главной частью такого приемника является кинескоп, то есть электроннолучевая трубка, показывающая движущееся изображение. (Слово кинескоп означает «движение показывающий».)
Кинескоп почти ничем не отличается от электроннолучевых трубок, применяемых в осциллоскопах. В узком горлышке кинескопа помещаются электронная пушка, по сторонам ее управляющие катушки (как у иконоскопа), а широкое дно, покрытое люминофором, служит экраном.
«Пушка» посылает на экран электронный луч диаметром всего лишь в одну десятую миллиметра.
Управляющие катушки заставляют электронный луч бегать по экрану, в точности повторяя движения электронного луча в иконоскопе.
Он начинает свой путь с левого верхнего угла экрана и пробегает все 625 строк за 1/25 долю секунды.
Видеосигналы, то есть сигналы, несущие изображение, попадают на управляющий электрод пушки и изменяют его потенциал, а это в свою очередь сказывается на числе электронов в луче. Сильные импульсы, соответствующие светлым местам изображения, увеличивают число электронов в луче, и светлая точка на экране вспыхивает ярче.
Слабые импульсы, соответствующие темным местам изображения, уменьшают число электронов в луче, и светлая точка на экране тускнеет. Совсем слабые сигналы гасят луч, и на экране получаются черные тени.
Электронный луч рисует изображение, в точности подобное изображению на фотокатоде иконоскопа или суперэмиттрона.
Обычный радиоприемник, смонтированный в одном ящике с телевизором, передает звучание. Зритель, пользующийся телевизионным приемником, видит и слышит все, что происходит перед объективом передающего аппарата.
Телевидение в будущем
Основной недостаток современного телевидения — это малый радиус действия телевизионных передатчиков.
Чтобы получать высококачественные изображения, передачу телевизионной программы приходится вести на волнах длиной в 6 метров, а столь короткие волны почти не огибают выпуклость земного шара и почти не отражаются от ионосферы, они распространяются по прямой линии, как свет.
Эта особенность шестиметровых волн ограничивает радиус действия телевизионных центров примерно шестьюдесятью километрами. Вести передачу на большее расстояние не удается — мешает выпуклость земного шара.
Ученые упорно работают, чтобы сделать телевидение настоящим дальновидением. И несомненно, через несколько лет или через несколько десятков лет телевизоры позволят москвичам любоваться извержением Ключевской сопки на Камчатке, а жителям Камчатки видеть демонстрации на Красной площади или салюты на Москве-реке. Радиозрители смогут путешествовать вместе с отважными стратонавтами в заоблачных высотах или спускаться в «батистатах» в неисследованные глубины океана.
Советские ученые работают также над созданием телевизоров с большим экраном. Когда эта задача будет осуществлена, у нас, наряду с кинотеатрами, появятся телевизионные театры, в которых зрители смогут смотреть не кинофильмы, а театральные постановки, футбольные матчи, физкультурные парады, шахматные турниры и другие события, происходящие в данный момент. Студенты-медики будут следить за каждым движением руки опытного хирурга и воспринимать тонкие приемы современной хирургической техники (рис. 107).
Рис. 107. Телевизор, установленный в операционной, позволяет студентам-медикам видеть каждое движение хирурга.
Нет ничего несбыточного и в так называемой конференц-связи, которая позволит проводить съезды или конференции, не созывая ее участников в одно помещение. Участники совещания смогут находиться у себя дома, возле своих телевизоров, снабженных приборами конференц-связи. Каждый будет видеть и слышать всех выступающих, независимо от того, где он находится, и каждый может выступить, зная, что его увидят и услышат везде, где работают приборы конференц-связи.
Задумано осуществление видеотелефона — прибора, в котором сочетаются телевизор и телефон. Разговаривающий по телефону получит возможность не только слышать своего собеседника, но и видеть его. Видеотелефон позволит мастеру цеха обращаться в конструкторское бюро за разъяснениями и получать указания, поясняемые эскизами или чертежами.
Видеотелефон облегчит пользование сокровищами библиотек, музеев и архивов. По телефону можно будет посмотреть страницу любой книги, рисунок, документ, чертеж, не вынося его из хранилища.
Телевидение необычайно расширит деятельность высших учебных заведений, так как число студентов уже не будет ограничено вместимостью аудиторий.
Новое могучее средство связи вместе со скоростным транспортом содействует уничтожению разницы между городом и деревней. Люди, живущие в городе и вдали от города, смогут в равной мере пользоваться всеми благами культуры.
Телевизионная техника — частица быта коммунистического общества.
Ночезрительная труба
Размышляя об особенностях зрительных труб и о нуждах мореплавания, Ломоносов пришел к выводу, что морскую подзорную трубу можно сделать «ночезрительной», то есть способной не только приближать изображение удаленных предметов, но и показывать их явственнее в сумеречное время.
Современники Ломоносова отнеслись к его открытию с недоверием. Несмотря на все доказательства, они не смогли понять разницы между обычной подзорной трубой и ночезрительной.
Только уже в наше время академик С. И. Вавилов доказал правоту Ломоносова, и под его руководством были построены ночезрительные бинокли и трубы.
Однако преимущества ночезрительной трубы перед обыкновенной невелики. Ночезрительная труба способна улучшать видимость в 3–4 раза и то только в сумеречное время, ночью же и она бессильна.
Такая труба не может считаться настоящим «ночеглядом», потому что ее устройство основано на применении световых лучей. Где света нет — труба «слепа». Но ведь кроме лучей видимого света в природе существуют родственные световым «черные» лучи — инфракрасные и ультрафиолетовые. Нельзя ли ими воспользоваться для создания настоящего «ночегляда»?
Ультрафиолетовые лучи не способны преодолевать в воздухе большие расстояния. Они быстро гаснут, то есть рассеиваются и поглощаются частицами воздуха. Их применять в ночезрительной оптике нет смысла.
Инфракрасные лучи, наоборот, вполне пригодны. По своим оптическим свойствам они мало отличаются от световых. Инфракрасные лучи преломляются и отражаются так же, как и световые, но лучше их проходят сквозь туман.
Источником инфракрасных лучей служат любые раскаленные или даже нагретые предметы. Не только свеча, костер, лампочка или солнце испускают этот вид лучей, но и кипящий самовар, вытопленная печь, горячий утюг — также являются инфракрасными «фонарями».
Лучами-невидимками воспользовались сначала фотографы. Они изобрели особые химические составы, которые делают фотографические пластинки чувствительными к инфракрасному излучению.
Снимки, сделанные на таких пластинках, показали, как выглядит мир, озаренный инфракрасными лучами. Черный уголь, вытащенный из печки, получался белым, как снег, а снег — черным, как уголь. Стог сухого сена выглядел темным, а стог гниющего, прелого сена — светлым.
Печи, самовары, утюги — все горячее светилось, было видно, как сияние горячего утюга озаряет окружающие его предметы.
Пейзаж, сфотографированный в жаркий июльский полдень при ярком солнечном свете, производит впечатление снимка, сделанного при лунном освещении в январе: черное небо и белый снег (рис. 108 а и б). Листва деревьев и трава очень хорошо отражают инфракрасные лучи, и поэтому зелень кажется как бы усыпанной снегом.
Рис. 108а. Снимок, сделанный на обычных пластинках.
Рис. 108б. Тот же пейзаж, но сфотографированный в инфракрасных лучах.
Воздух же прозрачен для этих лучей, и небо выглядит темным.
Самая важная особенность снимков, сделанных в инфракрасных лучах, заключается в том, что на них хорошо видны очень удаленные предметы — горы, высокие башни, заводские трубы. С помощью инфракрасной фотографии удавалось получать «портреты» гор, расположенных в 200 километрах от фотоаппарата.
Математический расчет показывает, что гора высотой в 5000 метров видна на расстоянии 268 километров. Однако видеть горы на таком удалении случается только при очень большой прозрачности воздуха, а это бывает крайне редко.
Для инфракрасных лучей даже облака, клубы дыма или пыли до некоторой степени прозрачны. Легкая дымка, заволакивающая даль, и подавно не служит для них препятствием.
Поэтому все, скрытое от глаз этой дымкой, прекрасно получается на снимках, сделанных в инфракрасных лучах.
Замечательные свойства инфракрасных лучей не замедлили привлечь внимание изобретателей, работавших в области электронных приборов. Эти лучи давали возможность построить приборы, позволяющие видеть в полной темноте.
Задача изобретателей облегчалась тем, что современные кислородно-цезиевые фотоэлементы чувствительны именно к инфракрасным лучам. Они даже более восприимчивы к ним, чем к обычным видимым лучам.
Каждый объектив ночезрительного бинокля отбрасывает изображение рассматриваемых предметов на отдельный полупрозрачный кислородно-цезиевый фотокатод.
Фотокатоды делают полупрозрачными, то есть светочувствительный состав наносят прямо на стекло баллона с его внутренней стороны. Свет падает на кислородно-цезиевый слой сквозь стекло. Инфракрасные лучи выбивают из фотокатодов электроны. В темных местах изображений, где лучи слабы, из фотокатодов вылетает электронов меньше, а в светлых — больше. Но электроны, выбитые светом, вылетают не на освещенную сторону фотокатода, а на противоположную, теневую сторону, они летят внутрь баллона, в том же направлении, в каком идут световые лучи.
Получается нечто вроде эстафеты — инфракрасные лучи приносят изображение на фотокатод, а дальше его подхватывают электронные лучи.
За фотокатодами помещаются электронные линзы — электронные объективы, дающие электронные изображения фотокатодов на люминесцирующих экранах. На них тогда появляются видимые глазом изображения предметов, которые можно рассматривать в окуляры обоими глазами, как в театральном бинокле (рис. 109) с увеличением в 2–3 раза.
Рис. 109. Схема одной из трубок бинокля для видения в инфракрасных лучах.
Такой прибор получил название электроннооптического преобразователя — он преобразует невидимое изображение в инфракрасных лучах в видимое.
В таинственную область Галактики
Это замечательное достижение творческого гения человека с большим успехом было применено астрономами для исследования недоступных телескопу областей окружающей нас части Вселенной.
«Ночегляды», построенные тремя советскими учеными, астрономами А. А. Калиняком, В. Б. Никоновым и электрофизиком В. И. Красовским, позволили узнать, что находится позади темных туманностей, которые виднеются на небе в созвездии Стрельца.
Все окружающие нас звезды, как яркие и крупные, так и мельчайшие звездочки Млечного пути, образуют огромное скопление, которое называют Галактикой. В Галактике насчитывается свыше ста миллиардов звезд, и одна из них — наше Солнце.
Размеры звездного облака таковы, что даже быстролетный свет тратит на путешествие от края и до края этого облака почти сто тысяч лет.
Все звезды, входящие в состав Галактики, и наше Солнце в их числе, обращаются вокруг ее центра.
Уже много лет ученых интересует, — что находится в центре Галактики? Вокруг чего обращаются звезды? Узнать это до сих пор не удавалось, так как центральная область Галактики закрыта от наших взоров огромными непрозрачными тучами темной космической пыли. Эти тучи чернеют на фоне Млечного пути, как «угольные мешки», и мешают рассмотреть, что находится за ними.
Рис. 110. Одна из соседних галактик, на которую, как предполагают ученые, похожа наша Галактика.
Летом 1948 года астрономический электронный «ночегляд» был готов. Астрономы повезли свой прибор в Симеизскую обсерваторию в Крыму, чтобы с его помощью проникнуть в таинственную область Галактики. Если за пылевыми облаками находятся звезды, то может быть их инфракрасное излучение прорывается сквозь толщу космической пыли, и тогда «ночегляд» ею заметит!
В течение нескольких ночей астрономы исследовали небо в созвездии Стрельца и убедились, что позади темных облаков действительно расположено большое скопление ярких звезд. Если бы можно было убрать мешающие тучи пыли, мы видели бы в созвездии Стрельца яркое светящееся пятно овальной формы.
Дальнейшее усовершенствование электронных приборов для видения в инфракрасных лучах обещает дать еще больше сведений об этой, пока еще неизученной, области нашей Галактики, но даже то, что уже сделано, является замечательной победой новой отрасли астрономии, получившей название «астрономии невидимого».
Рис. 111. Один и тот же участок неба, сфотографированный в обычных лучах (наверху) и на пластинках, чувствительных к красным лучам (внизу).
Электронные и фотографические «ночегляды» помогли установить, что кроме сверкающих звезд, какие мы видим на небе, в мировом пространстве есть много несветящихся небесных тел — «темных звезд». Наша Галактика, по- видимому, населена небесными телами гораздо гуще, чем мы думали прежде. Электронные приборы уже начали во многом помогать старым оптическим системам — телескопам, а в некоторых случаях даже заменять их.
Дальнейшие успехи электронных ночезрительных телескопов — дело недалекого будущего. Первый опыт постройки такого телескопа был сделан в Советском Союзе в марте 1936 года.
Фотоэлементы с запирающим слоем
Электроника изучает и применяет фотоэлементы трех типов. О двух из них уже шла речь — это столетовские фотоэлементы, в которых используется внешний фотоэффект (электроны, выбитые светом, вылетают наружу — за пределы вещества фотокатода), и фотосопротивления, в которых используется внутренний фотоэффект (электроны, выбитые светом, остаются внутри вещества и уменьшают его сопротивление электрическому току).
Разработан еще третий вид светочувствительных приборов, называемых вентильными фотоэлементами или фотоэлементами с запирающим слоем. В них, как и в фотосопротивлениях, электроны, выбитые светом из оболочек атомов, не вылетают наружу, а остаются внутри вещества. Этим они похожи на фотосопротивления, но отличаются от них одной важной особенностью.
Фотосопротивления, как и столетовские фотоэлементы, работают только тогда, когда к ним присоединен источник тока (батарея). Свет, выбивая из вещества фотокатода электроны, тем самым облегчает прохождение тока через вакуум в столетовских фотоэлементах или через вещество в фотосопротивлениях.
Элементы с запирающим слоем не нуждаются в дополнительных источниках тока. Они сами служат источником тока. На них падает свет, и они дают ток. Эти фотоэлементы — генераторы тока, непосредственно преобразующие световую энергию в электрическую.
Для изготовления фотоэлементов с запирающим слоем первоначально применяли закись меди. Толстую пластинку красной меди прокаливали в электрической печи так, чтобы она покрылась массивным слоем закиси меди. Затем с одной стороны пластинки закись полностью счищали, а с другой — поверх слоя закиси наносили тончайшую прозрачную пленку какого-либо металла — той же красной меди или золота.
К изготовленному таким способом фотоэлементу присоединяли проводники — один к нижнему слою металла, а другой к верхнему, прозрачному слою.
Как только на поверхность прозрачного слоя падает свет, в фотоэлементе возникает электрический ток. Электроны, выбитые светом из молекул закиси меди, проскакивают в верхний прозрачный слой металла, а оттуда устремляются в проводник. Совершив путешествие по проводам, электроны возвращаются обратно в слой закиси меди, проникая в нее с теневой стороны и замыкая цепь. И вот в этом-то и скрыта странная особенность вентильных фотоэлементов.
Что заставляет электроны проделывать длинный кружной путь по проводам? Что мешает им вернуться в слой закиси тем самым путем, каким они вышли из нее, то есть просто перескочить из прозрачного слоя металла обратно в закись? Этот путь, казалась бы, наиболее короткий, но электроны почему-то путешествуют по проводам и возвращаются в слой закиси, так сказать, с «черного хода». Причина этого явления пока еще в точности не установлена.
По-видимому между тонким прозрачным слоем металла и закисью меди существует особый пограничный слой, обладающий свойствами клапана: выход свободен, а вход — воспрещен. Пограничный слой беспрепятственно выпускает электроны из закиси меди, но запирает для них обратный путь. Отсюда и возникло название фотоэлементов такого типа — фотоэлементы с запирающим слоем.
Чувствительность меднозакисных фотоэлементов оказалась небольшой. Изобретены иные, более выгодные конструкции фотоэлементов с запирающим слоем.
Например, на железную пластинку наносят слой селена и покрывают его тончайшим прозрачным слоем золота. Запирающий слой образуется между селеном и золотом. Чувствительность селеновых фотоэлементов вчетверо превышает чувствительность меднозакисных (рис. 112).
Рис. 112. Внешний вид селенового фотоэлемента с запирающим слоем.
Однако и они преобразуют в электрическую энергию только сотые доли процента энергии световых лучей.
Один из исследователей фотоэлементов этого типа, Б. Т. Коломиец, в течение нескольких лет «путешествовал» по клеткам таблицы Менделеева. Он искал вещества, подобные селену, и, перебирая один за другим химические элементы и их соединения, испытывал их пригодность для изготовления более совершенных фотоэлементов.
В клеточке № 81, между ртутью и серым тяжелым свинцом, Коломиец нашел то, что искал. Серебристо-белый, мягкий и легкоплавкий таллий в соединении с серой и кислородом приобретает нужные свойства.
Коломиец проделал очень много интересных исследований таллия, значительно продвинувших вперед наши знания о фотоэлементах. Серно-таллиевый фотоэлемент оказался во много раз чувствительнее селенового.
Разработанный в Киеве, в Украинской Академии наук, серно-серебряный фотоэлемент с запирающим слоем, также оказался весьма совершенным. Он обладает чувствительностью почти в сто раз большей, чем меднозакисный, и очень чувствителен к инфракрасным лучам. Коэффициент полезного действия этого элемента равен почти двум процентам.
Вентильные фотоэлементы широко применяются в приборах для измерения силы света, — в электрических фотометрах, — приборах, позволяющих по отклонению стрелки гальванометра, измеряющего фототок, судить об освещенности. Фотометрами этого рода постоянно пользуются фотографы, кинооператоры, светотехники и астрономы. Лучшие в мире, наиболее чувствительные и точные, астрономические фотометры построены советским ученым В. Б. Никоновым.
Важно, чтобы фотоэлементы отзывались на действие предельно слабого света. С этой целью и стремятся повысить их чувствительность. Для фотоэлемента с запирающим слоем повышение чувствительности в известной степени связано с повышением коэффициента полезного действия. А так как некоторые фотоэлементы уже могут значительную часть световой энергии преобразовывать в электрическую, возникает мысль — нельзя ли их использовать в качестве генераторов электрической энергии?
Солнце посылает несколько сот киловатт энергии на каждый квадратный километр земной поверхности. Несколько квадратных километров земной поверхности, сплошь устланные светоэлементами с достаточно высоким коэффициентом полезного действия, дали бы электрическую мощность, сравнимую с мощностью крупнейших электростанций. Без затраты топлива, без особо сложных сооружений, светоэлектростанции черпали бы энергию непосредственно от Солнца.
Пока на пути к такому использованию фотоэлементов стоят еще большие трудности. Даже сама идея кажется фантастичной. Но советская наука идет вперед гигантскими шагами. И то, что сейчас кажется лишь темой для фотографического рассказа, через несколько лет может стать реальностью.