Когда-то очень давно все, что ни изготавливал, что ни добывал человек, — все это в самом прямом смысле было плодами его рук, вооруженных примитивными каменными орудиями. Рука была и самым совершенным инструментом и в то же время единственным двигателем, приводившим в движение каменные орудия труда; не менее важную роль выполняли органы чувств и мозг человека. Органы чувств наблюдали за работой, замечали удачи и промахи и сообщали об этом мозгу. Мозг на основании этих сообщений проверял, соответствует ли полученное созданному им же самим замыслу, делал необходимые выводы и отдавал нужные команды главному исполнителю — руке, распоряжавшейся каменными орудиями. То далекое время, хотя и длилось оно сотни столетий, называют каменным веком.

Прошло много тысячелетий, и металлические орудия труда пришли на смену каменным. Но, несмотря на то что орудия труда значительно усовершенствовались, основным двигателем, основной силой, дававшей жизнь этим орудиям, продолжала оставаться сила мускулов человеческой руки. Правда, появились у человека и помощники — животные. Они помогали переносить тяжести, быстро передвигаться на большие расстояния.

Металлические орудия были долговечнее каменных, удобнее в обращении, и с их помощью выделывались более качественные и искусно сделанные товары. Но этого улучшения нельзя было достигнуть, только лишь вооружая руку более совершенными инструментами. Требовалось улучшить и средства контроля производственного процесса, дать в помощь несовершенным человеческим чувствам различные устройства, которые повысили бы точность наблюдения. И такие устройства были изобретены. Так появились отвес, линейка, весы, угломеры и многие другие простейшие измерительные приборы.

Новая пора пришла после того, как люди научились пользоваться энергией ветра и воды. Это было огромнейшим достижением. Впервые за всю историю мускульную силу человека и животных во многих областях заменила сила ветра и воды. Она была неизмеримо большей и позволила людям начать выделку таких товаров и в таких количествах, о которых до того и не мечтали. Но, как и в предыдущую эпоху, прогресс техники не мог быть особенно большим, если бы дело ограничивалось только освоением новых видов энергии. Параллельно ему шло усовершенствование орудий труда и обогащение возможностей человеческих чувств путем вооружения их новыми, еще более совершенными приборами. Именно в век ветра и воды были созданы такие важные приборы, как линза, часы, телескоп, микроскоп, компас. Длился он много веков, начиная примерно с крушения Римской империи и кончая первой промышленной революцией, начавшейся в 60-е годы XVIII столетия. За это время человечество пережило феодализм и вступило в эпоху капиталистического развития.

Первая промышленная революция началась в то время, когда успехи науки и промышленности привели к созданию весьма совершенных орудий труда и первых машин. Однако она не смогла бы развиваться, если бы основной движущей силой новых, высокопроизводительных орудий труда по-прежнему оставалась бы сила ветра и воды. И вскоре после того как стала ощущаться нужда в более совершенном двигателе, он был изобретен. Это была паровая машина. Наступил век пара.

Никогда еще в распоряжении людей не было столько силы. Новый двигатель привел к еще большему ускорению производственных процессов, к повышению точности обработки и изготовления орудий и продуктов труда. Ознаменовался век пара и другими важными изобретениями. И именно тогда были предприняты первые успешные попытки создать устройства, высвобождающие в производственном процессе не руку, не чувства человека, а его мозг.

Век пара длился почти сто лет. В то время паровой двигатель был гегемоном на фабриках и заводах, на шахтах и железных дорогах. Но уже задолго до окончания этого века в технике начали использовать новый вид энергии — электрическую. Сперва ее не умели вырабатывать в больших количествах, и ее едва хватало для того, чтобы обеспечить работу новых удивительных средств связи — телеграфа и телефона, в небывалой степени расширивших возможности человеческого слуха.

С помощью электричества люди могли слышать и вести переговоры на огромных расстояниях.

Окончание века пара связывают с тем временем, когда изобретатели нашли способы преобразовывать энергию пара в электрическую, когда были созданы электрический генератор и электрический двигатель. Вот они-то и стали родоначальниками века пара и электричества. Произошло это между 60-ми и 90-ми годами прошлого столетия.

Электродвигатель очень быстро потеснил паровую машину. Пар остался только на тепловых электростанциях и во всех тех установках, к которым невозможно было подвести провода от электростанций. Именно поэтому паровая машина, а позже паровая турбина не уступали своего места на транспорте. Но спустя некоторое время в бой с ними вступил двигатель нового типа — двигатель внутреннего сгорания.

И все-таки вскоре электричество проникло всюду. Оно явилось тем универсальным видом энергии, которая не только давала жизнь всей индустрии, но и позволила создать множество самых различных приборов, ставших подлинными искусственными органами чувств, значительно превосходящими человеческие по точности и быстроте.

Но едва век пара и электричества вступил в свои права, человечеству было подарено новое изобретение — радио. А затем последовало и другое— электронная лампа.

Над миром забрезжила заря новой промышленной революции. В 30-е годы нашего века родились два первых великих детища радиоэлектроники— электронное телевидение и радиолокация. Оба эти изобретения неизмеримо расширили возможности основного человеческого чувства — зрения. От электроники не отставала и электротехника. Она стала родоначальницей новой области техники — электроавтоматики. Если не считать сравнительно немногих удачных попыток создать простейшие автоматы с помощью механических устройств, электроавтоматика явилась той областью техники, которая в довольно широких масштабах сумела успешно заменить человеческий мозг хотя бы в простейших случаях.

Автоматика родилась не по прихоти изобретателей. Ее возникновение и широкое распространение диктовались новыми условиями развития техники. В этих условиях человеческие чувства и мозг уже не могли справляться с поставленными задачами. Особенно быстро стала развиваться автоматика в годы войны. Именно тогда для создания автоматических устройств впервые начали широко использовать средства и методы электроники.

В самом конце войны техника сделала новый решающий шаг: была создана электронная математическая машина — первая машина, обладавшая способностью к высокоорганизованным логическим действиям.

И примерно тогда же народы мира узнали о страшной атомной бомбардировке двух японских городов. Новый вид энергии, богатейшие запасы которой позволят построить прекрасное общество будущего, был преступно использован для уничтожения людей. Этот варварский акт ужаснул человечество, и многие искренне считали, что открытие методов использования атомной энергии и в дальнейшем будет приносить одни лишь несчастья.

Эти люди заблуждались. Наша страна показала, что атом может быть использован и для мира. В июле 1954 года дала промышленный ток первая в мире атомная электростанция.

Из этого сверхкраткого, неполного и очень условного обзора направлений развития техники мы можем сделать один важный вывод. Он сводится к следующему. Развитие техники шло несколькими путями, из которых наиболее четко выделяются три. Первый — замена руки человека машиной-двигателем и совершенствование двигателей по мере освоения новых источников энергии. Второй — замена чувств человека специальными приборами и совершенствование этих приборов по мере освоения новых видов энергии. И третий — высвобождение мозга человека из сферы производственных процессов устройствами, в той или иной мере обладающими способностью производить логические операции и давать управляющие команды. Эти устройства часто называют теперь думающими машинами.

Огромными успехами, достигнутыми в области создания искусственных органов чувств и думающих машин, мы обязаны электронике. По существу, электроника и есть та область техники, которая занимается созданием таких устройств и машин.

В этой книге, посвященной свету и зрению, уже многое было сказано о различных устройствах, значительно расширивших возможности нашего основного чувства. Но о том, что сделала в этой области электроника, еще не говорилось. И если отшлифованные куски стекла или тонкие стеклянные пластинки, политые фотографической эмульсией, позволили человеку добиться столь многого, то какие же чудеса должна творить электроника!

Вот об этих-то чудесах теперь и пойдет речь.

 

Электронные колбочки

В природе все развивается от простого к сложному. И, конечно, глаз не сразу стал таким. Этому органу пришлось пройти долгий эволюционный путь, прежде чем достигнуть столь высокого совершенства.

С чего же начинался этот путь?

Современная наука не может совершенно точно ответить на подобный вопрос. Но все данные, которыми она располагает, говорят, что способностью ощущений различных внешних воздействий обладали даже самые простейшие организмы далекого прошлого. Вначале клетки, входившие в состав этих организмов, в равной мере одинаково (и потому плохо) реагировали на разнохарактерные раздражители. В ходе эволюции из общей массы стали выделяться клетки, особо восприимчивые к внешним воздействиям. Они становились зачатками органов чувств. Эти клетки претерпевали дальнейшие изменения, и постепенно среди них тоже наметилась специализация. Одни стали наиболее восприимчивы к химическим воздействиям (обоняние и вкус), другие — к механическим (слух и осязание), а третьи стали особенно чувствительны к воздействию света.

Мы знаем, что способностью видеть обладают животные, находящиеся на высоких ступенях развития. Но способностью ощущать свет и определять направление на источник света наделены даже очень примитивные живые организмы и растения. Вспомните хотя бы о подсолнечнике, поворачивающемся вслед за солнцем; вспомните о листьях разнообразных растений, которые тоже изменяют свое положение при движении нашего дневного светила. Ведь это говорит о том, что и они обладают некиими органами, чувствующими свет и направление его лучей.

И это действительно верно. Так, на каждом кленовом листе располагается до 15 тысяч специализированных, мудро устроенных светочувствительных клеток. Поверхность их, выступающая на внешнюю сторону листа, имеет выпуклую линзообразную форму, а в полости находится прозрачное вещество. Свет солнца, падающий на такую клетку, фокусируется на задней ее стенке. Точка, где собираются лучи, перемещается при движении солнца. И перемещение этой точки заставляет светочувствительную клетку вырабатывать сигналы, заставляющие лист повернуться по отношению к солнцу так, чтобы точка фокусировки снова вернулась на прежнее место.

Подобного рода клетки имеются у многих растений и простейших животных. Они и являются примитивными светочувствительными органами.

В науке и технике, как и в самой природе, все развивается от простого к сложному. И естественно, что первый искусственный орган зрения был очень простым. Такой первой искусственной светочувствительной «клеткой», электронной «колбочкой» явился фотоэлемент. Он и на самом деле представляет собой запаянную стеклянную колбочку с находящимися внутри нее электродами. Как работает такой фотоэлемент, на каком явлении основан принцип его действия, мы уже знаем.

Расскажем о том, как техника использовала этот примитивный электронный орган зрения и как усовершенствовала его.

Фотоэлемент проводит ток, когда на фотокатод падают лучи света. Чем интенсивнее свет, тем больше по величине этот ток. Такое свойство фотоэлементов позволило применять их в самых разнообразных случаях.

Вот лента сборочного конвейера переносит изделия от одного рабочего места к другому, и постепенно они приобретают все более законченный вид. Наконец выполнена последняя операция, и готовое изделие сходит с конвейера. И в этот момент оно пересекает луч света, направленный в фотоэлемент. Ток через него прекращается, и электронная схема, подключенная к фотоэлементу, подает команду на электромагнитное реле. Оно срабатывает и проворачивает барабан счетчика на одно деление. Очень важно при этом, что сам счетчик может быть установлен на каком угодно расстоянии от конвейера и связан с фотоэлементом и схемой либо по проводам, либо по радио.

Счетчик подобного рода может быть использован не только на производстве. Его можно установить где угодно, например во входных дверях выставочного павильона, музея, и он точно определит количество посетителей.

Устройство, состоящее из фотоэлемента, электронного усилителя и электромагнитного реле, часто применяют и для охраны жизни и здоровья рабочих. Оно защитит человека от травм, остановив машину или выдвинув предохранительные щитки, если руки рабочего или он сам попадут в опасную зону.

Вору, проникшему в магазин, на склад или в банк, где все входы и выходы стерегут фотоэлементы, уже не выбраться назад. Как только он пересечет хотя бы один из лучей, сработает тревожная сигнализация, придут в действие новые запоры, и злоумышленнику уже не спастись. Можно ли обмануть такую охрану, прошмыгнуть незамеченным, не пересекая луча света? Нет. Ведь, в отличие от колбочек и палочек, имеющихся в глазу, электронная колбочка может воспринимать невидимые ультрафиолетовые или инфракрасные лучи. И тот, кто попытается обмануть такую невидимую охрану, даже не догадается, что пересек хотя бы один из лучей «черного» света.

Говоря о запечатленных свете и движении, мы не упомянули о том, что в кино свет используется и для записи звука. На каждой ленте звукового кино с краю проходит специальная дорожка — фонограмма, на которой в виде чередования участков с различной прозрачностью или пропускаемостью света запечатлен звук. Читать такую запись умеет только фотоэлемент. При движении пленки с фонограммой в луче специальной лампы, яркость которой неизменна во времени, интенсивность света, попадающего на фотоэлемент, непрерывно меняется по величине. Ток через фотоэлемент, в свою очередь, меняется пропорционально изменениям интенсивности света. Полученные таким способом электрические сигналы поступают с фотоэлемента в электронный усилитель, который повышает их мощность до величины, достаточной для того, чтобы установленные в зале кинотеатра динамики давали звук требуемой громкости.

С помощью простейшего фотоэлемента можно делать множество полезнейших приборов. Но тем не менее он вовсе не идеален. Главный его недостаток — малая чувствительность. Он может работать только при освещении его очень сильным светом. Но и тогда сила тока, протекающего через фотоэлемент, чрезвычайно мала. По чувствительности фотоэлемент неизмеримо хуже глаза — он уступает не только палочкам, но и колбочкам. Фотоэлемент всегда приходится использовать совместно с электронным усилителем, а это дорого и неудобно.

 

Принцип умножения

Ученые и инженеры стремились устранить этот недостаток фотоэлемента, не позволяющий применять его во многих очень важных устройствах. И они искали пути, которые привели бы к повышению чувствительности и увеличению рабочих токов. Решая эту задачу, они стремились найти такие металлы и их соединения, применение которых в фотокатодах позволило бы повысить число испускаемых электронов при том же самом количестве падающих на фотокатод фотонов. Это правильный путь, но, идя по нему, нельзя получить особенно большого выигрыша. Законы природы устанавливают здесь естественный предел. Как мы помним, законы фотоэффекта показывают, что даже в идеальном случае каждый фотон (если он к тому же обладает достаточной энергией) может выбить всего лишь один электрон. В настоящее время созданы такие фотокатоды, которые испускают один электрон на каждые пять попавших на него фотонов. При этом, конечно, не учитываются те фотоны, которые принципиально не могут выбить из данного материала электроны.

Это прекрасный результат. Но ученые нашли еще более радикальный метод повышения чувствительности и рабочего тока. Первым использовал его и получил хорошие результаты советский ученый Кубецкий.

Новый тип фотоэлемента, созданный Кубецким, называют фотоэлектронным умножителем.

Если электрону, вылетевшему из фотокатода, сообщить достаточно большую энергию, а следовательно, и скорость и направить его на металлическую пластинку, то электрон может выбить из нее другие электроны.

Схема фотоэлектронного умножителя. Свет, падая на фотокатод 0, выбивает из него электроны. На электроды 1, 2, 3, 4, 5, 6 и на коллектор подано напряжение, причем на каждом последующем электроде это напряжение выше, чем на предыдущем.

Очень важно при этом, что можно подобрать металл для пластинки, ее форму и скорость первичного электрона, что он выбьет из нее не один, а несколько вторичных электронов — например, пять или шесть. Эти электроны, в свою очередь, тоже можно ускорить и вновь направить на следующую, подобную первой пластинку. И тогда из нее будет выбито уже 36 электронов. Если повторять такую операцию, то с третьей пластинки можно выбить 216 электронов, с четвертой— 1296, и так далее.

Создавая фотоумножитель, Кубецкий и воспользовался этим явлением. Он заставил первые выбитые фотонами электроны (поэтому их часто называют фотоэлектронами) разгоняться в электростатическом поле, ударяться о металлический электрод (его называют динодом) и выбивать вторичные электроны. Эти электроны тоже ускорялись и направлялись на следующий динод. Такой процесс повторялся многократно, и количество электронов от динода к диноду нарастало, словно снежная лавина. К последнему электроду, по существу выполнявшему ту же роль, что и анод в обычном фотоэлементе, вместо единичного фотоэлектрона приходили тысячи и даже миллионы вторичных электронов. В приборе Кубецкого фотоэлектроны как бы умножались по закону геометрической прогрессии. Именно поэтому прибор и получил название фотоумножителя. В нем можно получать не один электрон на каждые пять фотонов, как прежде, а до миллиона вторичных электронов на каждый фотон.

И все-таки самые совершенные фотоумножители только в некоторых случаях могут сравниться по чувствительности с глазом, полностью адаптированным к темноте. В этих случаях некоторые электронные схемы с фотоумножителями могут чувствовать световые потоки, содержащие несколько десятков фотонов в секунду. Но для того чтобы добиться такого результата, необходимо охлаждать фотокатод и диноды фотоумножителя до температуры минус 100 градусов и ниже.

И вот по какой причине.

Электроны могут приобрести достаточную скорость и покинуть фотокатод лишь в том случае, если им будет сообщена достаточная энергия. Эту энергию электроны могут получить не только от фотонов, но и при нагреве фотокатода. При повышении его температуры энергия электронов становится достаточной, чтобы они вылетели из фотокатода. Именно за счет нагрева катода (такой катод называют термокатодом) в электронных лампах и получают свободные электроны, которые часто называют термоэлектронами.

Правда, для того чтобы термокатод испускал как можно больше электронов, его раскаляют до температуры в несколько сот и даже выше градусов.

Испускание катодом электронной лампы термоэлектронов — явление безусловно полезное. Но оно становится крайне вредным в фотоэлементах и особенно в чувствительных фотоумножителях. Даже то ничтожное количество термоэлектронов, которые вылетают из фотокатода при комнатной температуре, может нарушить правильную работу прибора. Ведь ток, вызванный термоэлектронами, не зависит от световых сигналов, пришедших на фотокатод, но в то же время он воспринимается приборами, подключенными к фотоумножителю точно так же, как и ток, вызываемый фотоэффектом. Иначе говоря, термоэлектроны в фотоумножителе создают ложные сигналы. Если такие сигналы велики, они будут нарушать правильную работу аппаратуры, вводить в заблуждение и даже могут замаскировать полезные сигналы, когда последние слабы.

Ложные сигналы, возникающие за счет термоэлектронов, существуют всегда, непрерывно. Если бы мы подали их на наушники или громкоговоритель, то услышали бы характерное непрерывное шипение, или, как говорят, шум, на фоне которого прослушивались бы только достаточно сильные полезные сигналы. Вот этот шум, всегда присутствующий не только в фотоэлементах и фотоумножителях, но и во всех других электронных устройствах, не позволяет различать очень слабых полезных сигналов и не дает возможности повысить чувствительность фотоумножителей до предела. С шумами в электронике борются всеми доступными средствами, всячески стараясь их понизить. Чем меньше будет шум, тем более слабые сигналы сумеет зарегистрировать аппаратура, тем меньше будет ложных (их часто называют паразитными) сигналов. Именно для этого фотоумножители охлаждают до такой низкой температуры. При этом количество термоэлектронов, вылетающих из фотокатода и из диодов, значительно уменьшается.

Фотоумножители очень широко применяются в науке и технике. Многие оптические приборы, в которых раньше единственным чувствительным элементом являлся глаз, стали делать с использованием фотоумножителей. Они оказались теми искусственными органами чувств, которые заменили глаз человека и позволили проводить значительно более точные количественные измерения. Кроме того, и это очень важно, электрические сигналы, выдаваемые ими, можно вводить в электронные думающие устройства и тем самым автоматизировать измерения.

Фотоумножители широко применяются в астрономии для изучения спектров звезд, для измерения их яркости. В физике с помощью фотоумножителей делаются необыкновенно чувствительные, так называемые сцинтиляционные счетчики, позволяющие определять ничтожные уровни радиоактивности.

С давних времен в торговом и военно-морском флоте применяется световая сигнализация. Она бывает двух видов. Одна осуществляется с помощью условных сочетаний разноцветных огней, другая — с помощью световых вспышек. Пользуясь азбукой Морзе и сигнальными фонарями, в ночную пору можно вести переговоры на очень больших расстояниях. Однако ведущим переговоры часто требуется содержать в секрете не только их содержание, но и сам факт таких переговоров. Для того чтобы обеспечить скрытность работы, на флоте применялись фонари Ратьера, дававшие очень узкий луч, не видимый со стороны. Но и они не гарантировали полной незаметности.

Перед второй мировой войной на суше и на море стали широко применять световую связь на невидимых инфракрасных лучах. Передатчиками служили специальные прожекторы. В качестве источников света в них могли использоваться обычные мощные лампы накаливания, а выходное отверстие прожектора закрывалось специальным светофильтром, пропускавшим только инфракрасные лучи. Сигналы такого передатчика принимали с помощью фотоэлемента, установленного в фокусе объектива, также прикрытого инфракрасным светофильтром. Дальность действия светового телеграфа была очень небольшой. Ее удалось повысить, когда были изобретены фотоумножители.

Примерно в те же годы был разработан световой телефон. Передатчик такого телефона, как и прежде, представлял собой прожектор со светофильтром. Но вместо обычной лампы накаливания в нем устанавливали специальную газосветную лампу. Лампы такого типа меняют свою яркость в такт с изменением величины поданного на них напряжения.

Лампа светового телефона подключалась на выход мощного электронного усилителя. К входу этого усилителя присоединяли микрофон, который преобразовывал речь в электрические колебания. Они усиливались усилителем и меняли интенсивность свечения газосветной лампы.

На приемной стороне пульсирующий свет улавливался фотоумножителем и преобразовывался им в электрические колебания. Они, как и в звуковом кино, усиливались и подавались на наушники или на громкоговоритель.

Световые телефоны, устроенные по такому принципу, в прошлую войну применялись во многих армиях.

Вы, несомненно, слышали о радиолокаторах. Эти высокосовершенные приборы позволяют человеку обнаруживать объекты в воздухе, на земле, на поверхности воды в любое время суток и в любых метеорологических условиях. Ни снегопад, ни дождь, ни туман не мешают радиолокатору видеть. Эта замечательная способность объясняется тем, что радиоволны, на которых ведется локация, гораздо больше самых длинных инфракрасных волн. А чем больше длина волны электромагнитных колебаний, тем меньше им мешают такие явления, как снегопад, дождь и туман.

Другим исключительно важным достоинством радиолокации является то, что она позволяет с очень высокой точностью измерять расстояния до объектов. Принцип радиолокационного измерения расстояний очень прост. Он заключается в измерении промежутка времени между излучением очень короткой посылки радиоволн, «вспышкой» радиоволн, и приходом отраженных от объекта радиоволн. Зная скорость их распространения и время, затраченное волнами на путешествие до объекта и обратно, можно легко определить расстояние.

На этом же принципе основаны и световые измерители расстояний. В прожекторе-передатчике устанавливается специальная импульсная лампа, которая дает чрезвычайно кратковременные световые вспышки необычайной силы. Луч прожектора направляется на объект, который отразит световую вспышку. Часть света (очень маленькая) возвращается назад, и здесь ее улавливает приемник света — зеркальный или линзовый объектив, в фокусе которого установлен фотоумножитель. Время между посылкой вспышки и ее возвращением измеряется с помощью специальных электронных схем, таких же, как и в радиолокации.

Световые дальномеры могут быть сделаны такими точными, что в некоторых странах их используют в геодезии. Правда, они не могут работать уже при умеренном тумане, а облака являются для них непреодолимым препятствием даже при использовании инфракрасных лучей. В этом заключается очень большой недостаток световых дальномеров, но он может быть превращен и в преимущество. Так, например, световой дальномер может быстро и точно определять высоту нижней кромки облаков, что не под силу обычному радиолокатору.

 

Чувствительные глаза

Итак, фотоэлементы и фотоумножители оказались очень полезными приборами и в ряде случаев с успехом заменили глаз человека. Но это возможно только тогда, когда требуется определять наличие или отсутствие световых лучей или получать электрические сигналы, пропорциональные изменению интенсивности света во времени. По-настоящему видеть ни фотоэлемент, ни фотоумножитель не умеют. Они действительно способны расширить некоторые свойства зрения, но не способны вооружить глаз, как микроскоп и телескоп, фотоаппарат и киноаппарат.

Может ли вообще электроника решить подобную задачу?

Безусловно, и в этом ей помогает фотоэффект. Об одном из волшебных приборов, созданных электроникой, позволяющем человеку непосредственно наблюдать невидимое, будет сейчас рассказано. Называется этот прибор электронно-оптическим преобразователем.

Схематический чертеж простейшего преобразователя приведен ниже.

Стакан Холста — первый тип электронно-оптического преобразователя.

Из него видно, что преобразователь представляет собой стеклянную колбу или баллон, похожий на стакан, но не простой, а с толстыми полыми стенками и двойным дном.

Рассмотрите чертеж внимательно, и вы увидите, что на внутренней поверхности дна большого стакана располагается фотокатод, такой же, как у фотоумножителя. Вы заметите так же, что на внутренней поверхности дна малого стакана нанесен слой люминофора — особого порошка, способного светиться под воздействием электронной бомбардировки. Этот люминофор образует экран, по своим свойствам совершенно схожий с экраном кинескопов для телевизоров. Заметьте, что к экрану положительным полюсом подключен источник высокого напряжения и, таким образом, он одновременно является и анодом.

На том же чертеже вы видите схематическое изображение объекта, сфокусированное на фотокатоде.

В соответствии с распределением освещенности на самом объекте различные участки фотокатода будут, как и на любой фотопластинке, освещены по-разному. На основании закона Столетова каждый из участков фотокатода будет в единицу времени испускать пропорциональное количество электронов: слабо освещенные участки будут испускать их мало, сильно освещенные — много.

Под воздействием приложенного высокого напряжения электроны, ускоряясь, полетят к экрану. По каким же путям будут они перемещаться? Оказывается, и это чрезвычайно важно при данной конструкции преобразователя, каждый из электронов будет двигаться по прямой, перпендикулярной к точке фотокатода, из которой он вылетел. А это означает, что каждая точка фотокатода как бы соединена незримой трубочкой с соответствующей точкой экрана. И по этим «трубочкам» движутся, не смешиваясь между собой, электроны.

В таких условиях каждая точка экрана будет светиться с яркостью, пропорциональной количеству электронов, вылетевших из противоположной точки фотокатода. И, следовательно, на экране мы увидим ту же самую картину, которая проектируется линзой на фотокатод. Ее нарисуют на белом экране электроны. Качество изображения в современных электронно-оптических преобразователях, гораздо более сложных по своей конструкции, чем описанный здесь, очень хорошее. Оно ненамного хуже, чем у фотографий, получаемых с малоформатного негатива. Правда, к краям изображение иногда заметно ухудшается.

Возможно, некоторые читатели усомнятся в пользе такого преобразования— ведь оно уже давно доступно фотографии. Действительно, фотография может получать изображение в инфракрасных и ультрафиолетовых лучах. Но сколько приходится терять времени, прежде чем снимок будет готов и станет доступным для просмотра! А электронно-оптический преобразователь показывает человеку то, что происходит в момент наблюдения, и тем самым позволяет вести активное наблюдение. А это означает, что при необходимости человек может вмешиваться в происходящее и контролировать результаты своего вмешательства.

Создатели электронно-оптического преобразователя ставили перед собой именно такую задачу — вооружить глаз устройством, позволяющим вести активное наблюдение в невидимых лучах спектра. При этом прежде всего имели в виду инфракрасные лучи, так как они способны проникать сквозь дымку, а многие объекты, особенно военного значения, сами интенсивно испускают такие лучи и поэтому могут быть демаскированы при наблюдении в инфракрасный преобразователь.

Однако, по мере того как преобразователи совершенствовались, выяснились их новые замечательные свойства. Главнейшее из них то, что яркость изображения на экране может превышать яркость самого объекта во много десятков раз. То есть преобразователи изображения одновременно явились и усилителями яркости. Особенно большое усиление можно получить, если сделать преобразователь каскадным. Принцип каскадности очень прост и состоит в том, что усиленное по яркости изображение с экрана преобразователя вновь проектируется на фотокатод второго преобразователя и еще раз усиливается. Изображение, видимое на экране второго преобразователя, будет, таким образом, во много раз ярче уже усиленного по яркости изображения, получаемого на экране первого преобразователя. Такое каскадное соединение преобразователей позволяет получать даже тысячекратное усиление яркости.

Схематическое изображение современного двухкаскадного электронно-оптического преобразователя.

А это означает, что электронно-оптический преобразователь позволяет видеть (и хорошо видеть) в такой кромешной тьме, в которой глаза человека, кошки, барсука и даже совы совершенно беспомощны. Правда, качество изображения в каскадном преобразователе несколько ухудшается — падает его четкость, но не очень значительно. И, если учесть, что он является пока единственным в мире прибором, превосходящим во много раз по чувствительности глаз человека, такое снижение четкости можно не считать решающим недостатком.

Высокой чувствительности фотоумножителя можно добиться только при сильном охлаждении. Электронно-оптический преобразователь, как и фотоумножитель, тоже необходимо охлаждать, если требуется видеть очень слабо освещенные объекты. Неохлажденный преобразователь по своей чувствительности не может значительно превзойти глаз. В этом случае на его экране будут заметны сильные помехи, которые тоже называются шумами, хотя мы не слышим их. Эти шумы будут напоминать снегопад, причем снежинки будут тем чаще, ярче и крупнее, чем выше рабочая температура преобразователя. При комнатной температуре этот снегопад на экране превратится в метель, даже в буран, сквозь который уже будет невозможно увидеть изображение слабо освещенных и мелких объектов.

Электронно-оптические преобразователи имеют военное и мирное применение. О них написано в нашей и в зарубежной печати.

В первую очередь их используют в военной технике. Например, в ночных инфракрасных прицелах.

Но все же преобразователь стал и мирным орудием. Он не только вооружает глаз солдата, но и помогает лечить больные глаза. Многие вещества, и в том числе живые ткани, прозрачны для инфракрасных лучей. Прозрачен для них и страшный белесый нарост на зрачке, называемый бельмом. С помощью электронно-оптического преобразователя можно легко обследовать внутренность глаза, пораженного бельмом, и определить методы лечения.

Мы рассказывали о микроскопе «МИК-1». В нем тоже применен преобразователь. Но его с успехом используют не только в микроскопии — астрономы включили преобразователь в число орудий астрономических исследований. На этот раз не столько для преобразования невидимых лучей в видимые, сколько для усиления яркости слабых звезд.

Известно, что фотографирование с экрана электронно-оптического преобразователя позволяет сократить экспозиции примерно в 50—100 раз. Электронно-оптический преобразователь (в данном случае его лучше было бы называть электронным усилителем света) в сочетании с 500-сантиметровым телескопом поможет увидеть звезды на таких расстояниях, которые без него были бы доступны только 50-метровому телескопу. Постройка таких телескопов в наше время невозможна. Но, даже если бы удалось создать такой телескоп, это обошлось бы страшно дорого. Преобразователь же очень дешевый прибор, с его помощью можно добиться такого же результата.

И еще одним замечательным свойством обладает электронно-оптический преобразователь. Если в его конструкцию ввести специальный электрод, то можно, подавая на него отрицательное напряжение, перекрывать путь электронам и тем самым «запирать» или закрывать преобразователь, подобно тому, как это делают со световыми лучами фотографические затворы. Самые лучшие затворы в современных аппаратах не способны давать экспозиции много меньше тысячной доли секунды. Такая выдержка позволяет фотографировать многое, но в научной фотографии для изучения очень быстро протекающих процессов часто требуются выдержки в миллионные доли секунды. Ни один механический затвор не в состоянии открыться и закрыться за такое короткое время. И тогда-то приходят на помощь электронные затворы — электронно-оптические преобразователи.

Винтовка с инфракрасным прожектором и инфракрасным прицелом. В коробке — источник электрического тока. Внизу — инфракрасная подзорная труба, тот же прицел и инфракрасный прожектор.

 

Судьба затерявшихся фотонов

Читая о фотоэффекте, вы, вероятно, уже задумывались над тем, почему не каждый фотон, имеющий необходимую энергию, выбивает электрон, и, наверное, пытались понять судьбу тех фотонов, которые, попав в фотокатод, так и остались в нем, не дав полезного результата.

Коротко ответить на эти вопросы, пожалуй, нельзя. Поэтому те, кто хочет подробнее разобраться в этом, должны обратиться к помощи других книг. Здесь же стоит ограничиться наикратчайшим и довольно приблизительным объяснением этого факта. Оно сводится к упоминанию о двух важных обстоятельствах. Первое заключается в том, что некоторые из электронов, выбитых фотонами, двигаясь в пространстве кристаллической решетки вещества фотокатода, сталкиваются с другими свободными электронами. При столкновении они отдают часть своей энергии, и оставшейся уже не хватает, для того чтобы покинуть фотокатод. Другая причина — это то, что фотоны не всегда отдают свою энергию свободным электронам. Иногда они отдают ее электронам, связанным с атомами. Для того чтобы выбить такие электроны, требуется значительно большая энергия, чем та, которой обладают далеко не все фотоны.

Казалось бы, с такими потерями необходимо примириться. Но ученые нашли методы, позволяющие использовать и те фотоны, которые ранее считались невозвратно пропавшими. Открыв эти методы, они создали фотоэлементы совершенно нового типа. Их называют фотоэлементами с внутренним фотоэффектом.

Такое название говорит само за себя. Слова «внутренний фотоэффект» показывают, что в таких фотоэлементах протекание тока обеспечивается не теми электронами, которые покинули поверхность облучаемого вещества, а теми, которые, получив от фотонов энергию, покинули лишь атомные орбиты и свободно перемещаются в пространстве кристаллической решетки. Для того чтобы выбить электрон с атомной орбиты, требуется меньше энергии, чем для того, чтобы заставить электрон вообще покинуть поверхность облучаемого вещества. Именно поэтому в новых фотоэлементах удалось повысить чувствительность. В таких фотоэлементах почти каждый фотон, имеющий достаточную энергию, освободит электрон и позволит ему переносить заряд, то есть проводить ток. Не менее важно и то, что величина необходимой энергии фотонов при внутреннем фотоэффекте может быть меньшей, и поэтому красная граница внутреннего фотоэффекта достигает значительно больших длин волн.

Фотоэлементы нового типа устроены совсем иначе и гораздо проще, чем старые. Они представляют собой небольшой кусочек специального вещества, вставленный в оправу. С торцов это вещество плотно соприкасается с металлическими контактами — выводами. Внешняя поверхность, обращенная к свету, и есть рабочая поверхность, на которую направляют лучи света.

Когда такой фотоэлемент находится в темноте, свободных электронов в пространстве кристаллической решетки очень мало. В этом случае они смогут освобождаться из атомов только за счет нагрева. Но, когда на рабочую поверхность падают лучи света, свободных электронов в кристаллической решетке вещества становится много; тем больше, чем интенсивнее падающий свет. Они хаотически перемещаются в пространстве решетки в самых разнообразных направлениях. Но в среднем количество электронов, направленных в данный момент, скажем, влево, равно количеству электронов, движущихся вправо. Поэтому тока через фотоэлемент не будет, даже если мы перемкнем его выводы между собой.

Но стоит только подключить к выводам источник электрического тока, как движение электронов упорядочится с очень большой быстротой. Большинство электронов начинает двигаться в одну сторону: от вывода, на который подан минус, к выводу, присоединенному к плюсу. Такое упорядоченное движение электронов и есть электрический ток. Чем интенсивнее падающий свет, тем больше освободившихся электронов, тем больший течет ток.

У таких фотоэлементов есть важная отличительная черта. Она состоит в том, что ток, проходя через них при постоянном освещении, изменяется при изменении напряжения источника, повинуясь всем известному закону Ома. Иными словами, при неизменной освещенности фотоэлемент с внутренним фотоэффектом ведет себя как обычное сопротивление. Благодаря этому свойству фотоэлементы такого рода называют теперь фотосопротивлениями. Это название прочно привилось к ним еще и потому, что по своему виду фотосопротивления действительно похожи на самые распространенные элементы радиоэлектронных схем — сопротивления.

Мы тоже будем пользоваться таким названием, тем более удобным, что оно подчеркивает разницу между фотоэлементами с внешним фотоэффектом и фотоэлементами с внутренним фотоэффектом и позволяет избежать путаницы.

Для изготовления фотосопротивлений применяется особая группа материалов — так называемых полупроводников. Наиболее часто в настоящее время фотосопротивления изготавливаются из сернистого свинца, трехсернистой сурьмы, теллуристого свинца, сернистого кадмия и из некоторых химических соединений, содержащих селен.

Современные фотосопротивления обладают весьма высокой чувствительностью. Не менее важно и то, что при достаточном освещении они могут пропускать во внешнюю цепь сравнительно большой ток. Это означает, что их часто можно использовать без каких-либо дополнительных электронных усилителей. Так, схему простого счетчика, в котором раньше совместно с фотоэлементом применяли усилитель, можно собрать, используя только фотосопротивление, батарею и электромагнитное реле.

Есть у фотосопротивлений и недостатки. Основной из них — это то, что они инерционны, то есть имеют достаточную чувствительность и проводят нормальный рабочий ток только в том случае, если интенсивность падающего на них света либо вовсе не изменяется во времени, либо изменяется сравнительно медленно. Если же она пульсирует с большой частотой или представляет собой ряд последовательных кратковременных вспышек, то фотосопротивление не успевает реагировать на такие быстрые изменения освещенности. В этом смысле фотосопротивления напоминают глаз, который тоже не успевает реагировать на вспышки, часто следующие друг за другом. Как правило, инерционность фотосопротивлений тем больше, чем больше их чувствительность.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом и фотоумножители не обладают таким недостатком. Они практически мгновенно откликаются на каждое даже очень кратковременное, очень быстрое изменение светового потока. Именно поэтому фотоумножители можно применять в счетчиках частиц, в световых измерителях расстояний, где длительность световых вспышек составляет миллионные доли секунды, в световой телефонии, где свет пульсирует с большой частотой.

Первые более или менее пригодные для технического использования фотосопротивления появились незадолго до второй мировой войны. В годы войны немецкие специалисты добились некоторых успехов в их усовершенствовании. Но всего лишь лет десять назад фотосопротивления были доведены до такой степени совершенства, что в настоящее время без них были бы немыслимы многие важные приборы.

 

Новые пути

Ученые и инженеры, занятые во многих странах разработкой различных приемников света, не успокоились на достигнутом и в последние три года получили новые поразительные результаты.

Первых успехов добились создатели очень сходных с фотосопротивлениями устройств, названных фототранзисторами. Фотодиоды (двухэлектродные устройства) и фототриоды (трехэлектродные устройства) стали изготавливать из двух важнейших полупроводниковых материалов — германия и кремния, именно тех материалов, из которых изготавливают все остальные типы транзисторов.

Фотодиоды и фототриоды по своим размерам оказались еще меньше фотосопротивлений, но они обладают поистине замечательными свойствами. Фотодиоды по чувствительности уступают только лучшим типам фотосопротивлений, но зато значительно превосходят их по быстродействию. Инерционность их настолько мала, что даже при изменении интенсивности света с частотой 100 и 200 тысяч периодов в секунду или при вспышках, длящихся стотысячные доли секунды, они почти не теряют чувствительности и продолжают выдавать достаточные по величине сигналы. Но это только начало, в дальнейшем фотодиоды можно значительно усовершенствовать.

Фотодиод может пропускать сравнительно небольшие токи. Зато фототриод и в этом не уступает и даже превосходит фотосопротивления. По чувствительности некоторые типы фототриодов догоняют уже фотоумножители. Правда, пока еще не все фототриоды имеют малую инерционность, но в этом направлении делается многое, и уже появились первые сообщения о том, что некоторые типы фототриодов могут реагировать на свет, пульсирующий с частотой в десятки миллионов периодов в секунду, или на кратковременные вспышки, длящиеся одну десятимиллионную долю секунды. Такие фототриоды уже вполне пригодны для использования в световых дальномерах.

Следует сказать еще об одном важном преимуществе фотодиодов и фототриодов. Оно заключается в том, что они могут без всяких повреждений или ухудшения свойств работать в чрезвычайно широком диапазоне освещенностей: от сумеречной до освещенности прямыми солнечными лучами. В этом они мало уступают человеческому глазу и значительно превосходят фотоумножители. Последние не выдерживают больших освещенностей. И при интенсивной засветке высокочувствительные фотоумножители сразу же выходят из строя. Если к этому добавить, что фототриоды и фотодиоды имеют очень малые габариты, значительно прочнее и неизмеримо проще в эксплуатации, то можно сказать, что в ближайшем будущем они найдут широкое применение.

Спектральная характеристика фотодиодов и фототриодов зависит от материала, из которого они выполнены. При применении германия красная граница чувствительности доходит до 1,6–1,7 микрона, то есть находится в области инфракрасных лучей. Кремниевые фотодиоды и фототриоды имеют высокую чувствительность только в области видимых световых лучей.

Характеристика спектральной чувствительности приемников света является очень важным параметром этих устройств. Она определяет применимость их в тех или иных случаях. В настоящее время за рубежом ведутся работы с целью расширить границы чувствительности и, в особенности, продвинуть их в инфракрасной области. Пока «чемпионами» являются фотосопротивления из сернистого свинца, теллуристого свинца и из соединения селена со свинцом. Красная граница таких фотосопротивлений лежит на волнах длиной от 3 до 5 микронов.

Но и это еще далеко не предел. В настоящее время в лабораториях многих стран мира исследуются все новые и новые материалы с удивительными свойствами. Страницы специальных технических журналов все чаще занимают статьи и сообщения о новых опытах и новых экспериментальных фотосопротивлениях, оставляющих по своим качествам далеко позади уже используемые техникой фотосопротивления. Наиболее многообещающими являются фотосопротивления из германия, легированного золотом, и из сурьмянистого индия. Оба эти материала позволяют создать чрезвычайно чувствительные приемники света с красной границей чувствительности на 7,5 и даже на 10 микронах. Стоит сказать, что волны длиной 10 микронов интенсивно излучают тела, температура которых равна всего лишь плюс 15 градусам. Инерционность таких фотосопротивлений чрезвычайно мала. Они успевают хорошо реагировать на световые вспышки, длящиеся меньше одной миллионной секунды.

В фотосопротивлениях, так же как и в обычных фотоэлементах, при нагреве количество вредных термоэлектронов увеличивается. Поэтому фотосопротивления необходимо охлаждать. Но в данном случае требование охлаждения становится тем более настоятельным, чем более длинные волны должно воспринимать фотосопротивление. Так, если мы хотим создать прибор, который должен реагировать на волны длиной 10 микронов, фотосопротивление, оптика и вся конструкция прибора должны быть охлаждены до температуры значительно более низкой, чем плюс 15 градусов. В противном случае все они тоже будут излучать энергию примерно на таких же длинах волн и тем самым создавать паразитное излучение, которое может полностью замаскировать полезное. Мы знаем, что тепло, тепловая энергия всегда передается от более нагретого тела к более холодному. Инфракрасные лучи как раз и являются тепловыми лучами, переносящими на расстояние тепловую энергию. Поэтому, если фотосопротивление будет иметь температуру более высокую или равную температуре излучающего тела, уловить такое излучение фотосопротивление не сможет. Новые виды фотосопротивлений охлаждают до температуры минус 200 градусов и ниже.

Уже говорилось, что чувствительность фотосопротивлений очень высока. Но в диапазоне видимого света она все же значительно ниже, чем у глаза. Тем не менее во многих случаях фотосопротивления успешно заменяют глаз человека. Зарубежная пресса сообщает, что на вооружении армий многих стран мира состоят реактивные самонаводящиеся снаряды, а проще — ракеты, которые, увидев цель, самостоятельно, без каких-либо внешних управляющих команд настигают и поражают ее. В таких ракетах часто применяются оптические автоматы самонаведения, где роль глаза, указывающего направление на цель, выполняет фотосопротивление, а частично роль мозга — специальная электронная схема, в которую поступают сигналы с фотосопротивления.

Но не только в военной технике можно применять самонаводящиеся снаряды. Недавно в американском журнале был опубликован проект использования автоматических ракет для тушения лесных пожаров. Этот проект основывается на свойствах фотосопротивлений улавливать инфракрасные лучи, которые обильно излучает любое тело, нагретое до температуры возгорания. Такие автоматические самонаводящиеся ракеты будут помещаться на вышках, построенных в лесных массивах. При возникновении очага пожара ракеты, в поле зрения которых окажется этот очаг, автоматически запустятся и, долетев до места пожара, взорвутся, выпустив при этом большое количество веществ, подавляющих огонь.

Если учесть, что некоторые типы фотосопротивлений в состоянии уловить энергию от огонька сигареты, находящейся на расстоянии до 800 метров, такие ракеты будут неплохими пожарными. Думается, что в лесу, охраняемом такими бдительными сторожами, никто не осмелится курить.

 

Усилитель света

На основе внешнего фотоэффекта были созданы не только фотоэлемент и фотоумножитель, но и электронно-оптический преобразователь. Теперь нам известно, что, используя внутренний фотоэффект, ученые создали устройства, которые по своим свойствам мало отличаются от фотоэлемента и фотоумножителя. Но нельзя ли, основываясь на том же внутреннем фотоэффекте, создать устройство, сходное с электронно-оптическим преобразователем?

Всего лишь несколько лет назад ученые впервые смогли утвердительно ответить на этот вопрос, создав так называемый усилитель света. Иногда, чтобы подчеркнуть различие с преобразователем, который тоже является усилителем света, новое устройство называют твердым усилителем света, полупроводниковым усилителем света или даже светоусилительной панелью, если размеры экрана усилителя достаточно велики.

Световое усиление, получаемое в твердом усилителе, при использовании в качестве материала для светочувствительной поверхности сернистого кадмия может достигать пятисоткратного, а при использовании принципа каскадности — еще большей величины.

Поскольку основным элементом в твердых усилителях является светочувствительная поверхность, изготовленная из тех же материалов, что и в фотосопротивлениях, можно предположить, что преимущества и недостатки твердых усилителей света будут схожими с преимуществами и недостатками самих фотосопротивлений. И это предположение действительно правильно.

Твердые усилители проще в эксплуатации, более прочны, не требуют для своей работы очень высоких напряжений. Они позволяют получать изображения в более широком диапазоне световых волн. Некоторые типы преобразователей очень чувствительны к рентгеновским лучам. Применение светоусилительных панелей в рентгеноскопии намного сократит дозы вредного облучения пациента и врача. В то же время осмотр будет более легким, так как изображение получается значительно более ярким, чем на теперешних экранах, применяемых в рентгеновских установках. Другие типы твердых усилителей чувствительны к инфракрасным лучам, длины волн которых лежат за пределами чувствительности электронно-оптических преобразователей.

Один из важнейших недостатков фотосопротивлений — их инерционность. В современных твердых усилителях она особенно сказывается. Проявляется она таким же образом, как и инерционность глаза, — в виде последовательных образов (положительных и отрицательных, в зависимости от условий). В жизни последовательные образы редко мешают нам и мы даже не замечаем их. Но последовательные образы в твердых усилителях проявляются неизмеримо заметнее. Они бывают очень яркими и сохраняются в течение довольно долгого времени: объект может уже исчезнуть, а на экране твердого усилителя он по-прежнему будет виден. Поэтому твердые усилители пока используют только для наблюдения неизменных или очень медленно меняющихся изображений. Надо надеяться, что со временем этот недостаток полупроводниковых усилителей света будет устранен. Но удастся ли при этом сохранить столь высокую чувствительность, сказать пока еще трудно.

 

Фабрика электричества

До сих пор речь шла о таких фотоэлементах, которые пропускают через себя ток, проводят его под воздействием света, но только в том случае, если к ним подключен источник напряжения: батарея, выпрямитель и тому подобное. Сами по себе эти фотоэлементы не отдавали тока во внешнюю цепь при освещении светом любой интенсивности.

Но, оказывается, есть фотоэлементы и с иными свойствами. Под воздействием света они отдают во внешнюю цепь ток, пропорциональный падающему световому потоку, без помощи внешних источников электрической энергии. Фотоэлементы такого типа сами являются источниками электрической энергии. Они вырабатывают ее из лучей падающего света и таким образом являются преобразователями световой энергии в электрическую.

До недавнего времени такие фотоэлементы изготавливались только из селена. О них хорошо знают фотолюбители, потому что в электрических фотоэкспонометрах как раз и применяются селеновые фотоэлементы. Но они являются очень плохими преобразователями энергии, их коэффициент полезного действия крайне мал, и поэтому они непригодны для получения сравнительно больших количеств электрической энергии.

В последние годы ученые всего мира напряженно трудились над созданием высокоэффективных преобразователей энергии солнечного света. Такие преобразователи часто называют солнечными элементами. Для их изготовления используют новые материалы полупроводниковой техники. Особенно больших успехов в создании высокоэффективных солнечных батарей добились советские ученые, которыми руководил недавно скончавшийся выдающийся деятель науки академик А. Ф. Иоффе. Коэффициент полезного действия солнечных элементов уже достаточен для того, чтобы их можно было применять в качестве источников электрической энергии для питания различных электрических и электронных устройств на спутниках Земли и на межпланетных станциях.

О том, как работают фотоэлементы подобного рода, невозможно здесь рассказать. Процессы, происходящие в кристалле полупроводника, используемого для создания солнечных элементов, очень сложны, и даже ученые поняли их достаточно полно совсем недавно. Для того чтобы их описать, пришлось бы предварительно рассказывать о многих важных физических понятиях, существующих в физике полупроводников. Суть же работы солнечных элементов сводится к тому, что ученые и инженеры нашли способы заставить освобождающиеся под воздействием света носители заряда двигаться не хаотически в самых разнообразных направлениях, а только в одном.

 

Тайна шифра

Вы, конечно, прекрасно представляете себе, как передаются телеграфные сообщения с помощью азбуки Морзе. Независимо от того, используется ли связь по проводам или по радио, оператор преобразует текст сообщения, каждую его букву, каждый знак в комбинацию электрических посылок различной длительности. В зависимости от скорости передачи длительность их меняется. Чем выше скорость передачи, тем она короче. Но при любой скорости передачи остается неизменным соотношение длительности посылок; тире длится в строго определенное количество раз дольше точки.

С помощью азбуки Морзе можно легко передать любое текстовое или цифровое сообщение. Но не всякое сообщение, не всякие сведения можно непосредственно выразить словами или цифрами. Очень много сведений, или, как говорят, информации, не поддаются вполне точному, адекватному переводу в слова. К разряду такой информации относятся сведения, содержащиеся в рисунках, фотографиях, чертежах.

Каким же путем можно передавать на большие расстояния подобную информацию? Неужели только по старинке — по почте? К счастью, изобретатели нашли способы передачи изображений с помощью электрических сигналов по проводам или по радио. Но если текстовые и цифровые сообщения преобразовывались в электрические сигналы с помощью зрения, мозга и руки человека, то преобразование изображений в электрические сигналы подобным же образом чрезвычайно трудоемко и не может быть использовано на практике.

Но все же стоит внимательно разобраться в том, какими путями можно передать изображение, пользуясь методами обычной телеграфии.

Представьте себе, что требуется передать изображение поверхности, разбитой на перемежающиеся черные и белые квадраты, точь-в-точь, как на шахматной доске. Глядя на изображение такой поверхности, мы легко придумаем первый, самый простой способ его передачи. Он будет состоять в том, что с помощью азбуки Морзе и обычного телеграфа (или радиотелеграфа) мы передадим оператору, находящемуся на приемном пункте, что изображение похоже на шахматную доску, что оно состоит из совершенно белых и совершенно черных квадратов, и после этого начнем передавать сведения о каждом из них.

Шахматная доска.

Те, кто играет в шахматы или хотя бы в «Морской бой», сразу поймут, как это проще всего сделать: а1 — черный, сЗ — черный, е8 — белый и так далее, пока не будут переданы сведения обо всех 64 квадратах.

Но такой способ передачи беспорядочен, а потому сложен и может привести к ошибкам. Не представляет труда значительно упростить передачу, если сообщать данные о цвете клеток не вразброс, а по порядку — сперва о первом ряде клеток (о первой строке) слева направо, потом о втором ряде (о второй строке), и так далее. В этом случае после расшифровки сообщение будет выглядеть следующим образом:

a1 — черный, b1 — белый, c1 — черный, d1 — белый и так далее.

a2 — белый, b2 — черный, с2 — белый, d2 — черный и так далее.

a8 — белый, b8 — черный, с8 — белый, d8 — черный и так далее.

…

Вы видите, что при передаче данных таким способом в каждой строке восемь раз повторяется один и тот же знак — цифра, обозначающая порядковый номер строки. Для экономии времени передачи и сокращения излишних знаков, не содержащих новой информации, следует передавать эту цифру один раз. Мы как бы вынесем ее за скобку, поставив перед началом строки. Но и это еще далеко не предел для упрощения. Мы можем раз и навсегда договориться с принимающим телеграфистом, что вообще не будем передавать слова «белый» и «черный». Для краткости вместо слова «белый» будем посылать знак «тире» (—), а вместо «черный» совсем не будем посылать никаких сигналов, просто сделаем перерыв длительностью в одно «тире». Такое отсутствие сигнала тоже, по существу, является сигналом совершенно определенного смысла.

После выполнения всех условий наша депеша значительно сократится в объеме, не потеряв при этом ни одного полезного сведения, и будет выглядеть следующим образом:

1ab — сd — еf — gh.

2а — bс — dе — fg — h.

…

8a — bc — de — 1g — h.

Таким образом мы получили некое закодированное сообщение, которое телеграфист может без труда расшифровать, так как ключ к коду мы сообщили ему при предварительных переговорах. Но и такой код все-таки еще очень сложен. Вполне доступно еще более упростить его, если вспомнить, что порядок передачи принят строго определенным и неизменным: сперва передаются данные о цвете квадратов на первой строке по порядку слева направо, потом о квадратах второй строки и опять же в том же порядке, слева направо, и так далее.

Помня об этом, мы вообще можем не передавать ни буквенных обозначений квадратов, ни номеров строк, а лишь отмечать особым сигналом (пусть это будет «п») начало каждой строки и общее начало закодированного сообщения (ну хотя бы знаком «П»). Тогда наше сообщение, не потеряв интересующих нас сведений, упростится еще более:

Пп0 — 0–0 — 0.

п — 0–0 — 0–0.

…

п — 0–0 — 0–0.

В этом сообщении нулем условно показано отсутствие сигнала, означающее черную клетку. Обратите, пожалуйста, внимание на то, что при таком способе кодирования можно, не пользуясь ни цифровыми, ни буквенными обозначениями, передавать данные о любом количестве квадратов в каждой из строк и о любом количестве строк. Если бы мы оставили буквенные обозначения квадратов, то не могли бы передать данные о числе квадратов в строке, большем числа букв в алфавите. А в данном случае этих квадратов может быть хоть тысяча в строке.

Итак, с помощью простейшего кода удается передавать некоторые простейшие изображения, состоящие из чередования черных и белых квадратиков. Но многие изображения (не говоря уже о цветных) содержат в себе не только белый и черный цвета, но и различные оттенки серого. Передача таких изображений значительно усложнится. Передающему оператору придется оценивать степень почернения каждого квадратика и сообщать о ней с помощью особого знака. Глаз человека различает 300 оттенков в ахроматической гамме. И, следовательно, понадобится 300 специальных знаков. Фактически такого количества оттенков передавать не требуется.

Чем больше число клеток, на которые разбивается изображение, тем большее количество деталей можно будет различить.

Даже очень хорошее изображение можно получить, передавая гораздо меньшее их количество. В некоторых случаях допускается всю гамму серых цветов делить всего на восемь градаций. Тогда понадобится уже не 300, а всего восемь специальных знаков. Однако и в этом случае передать изображение очень трудно, тем более, что глаз, умея различать такое множество оттенков, не может в то же время определять абсолютную степень почернения, глядя на какой-нибудь один участок. Но, если бы глаз и умел это делать или самостоятельно, или с помощью какого-либо прибора, время на передачу даже простейшего изображения потребовалось бы огромное.

И, конечно, таким способом никто и никогда не передает изображений. Медлительные глаз, рука и мозг человека непригодны для этих целей. Зато фотоэлемент как нельзя лучше подходит для преобразования изображений в электрические сигналы. Он безошибочно и практически мгновенно преобразует различные степени почернения в соответствующий по величине ток.

Что же касается принципа кодирования и передачи, он останется тем же самым, только вместо условных знаков будут передаваться электрические сигналы, величина которых пропорциональна яркости каждого из квадратиков. Чем квадратик светлее, тем больше ток, тем больше сигнал. Кроме этих сигналов, разумеется, будут передаваться сигналы, отмечающие начало сообщения и начало каждой из строк его.

Возьмем фотоэлемент и будем равномерно передвигать его слева направо вдоль строк нашего изображения. Когда он будет находиться над белым квадратом, ток будет наибольшим; над черным квадратом фотоэлемент совсем не будет проводить тока. На приемном конце должен быть другой прибор, автоматически преобразующий электрические сигналы в пропорциональный по яркости свет. В качестве такого прибора можно использовать газосветную лампу, в частности лампу, наполненную неоном. Неоновая лампа горит тем ярче, чем больший ток протекает через нее. Следовательно, она будет гореть наиболее ярко, когда фотоэлемент находится над белым квадратом, и совсем погаснет, когда он будет над черным.

С помощью специальных устройств можно сделать так, что фотоэлемент на передающей стороне и лампа на приемной стороне будут перемещаться строго одинаково и в соответствии с принятым порядком передачи данных: слева направо по строке и в порядке следования строк. Тогда, подложив под фотоэлемент изображение, а под неоновую лампу— лист фотобумаги, мы получим на нем по-разному засвеченные участки. Все вместе они составят изображение. Изображение будет тем более четким, чем мельче были квадратики, на которые мы разбили его, или, иначе говоря, чем больше количество квадратиков, на которые разбивается одно и то же изображение, тем четче изображение. Понятно также, что, чем больше квадратиков, тем большее время понадобится и на их передачу, если не принять специальных мер.

Таков принцип. Но практически фототелеграф действует иначе.

Передаваемое изображение накладывается на барабан, который медленно и строго равномерно вращается во время передачи изображения. С помощью линз изображение фокусируется на фотоэлемент. Он остается неподвижным, а вместо него по строкам изображения с равномерной и строго определенной скоростью перемещается тоненький, как иголка, и очень яркий луч света. Упав на поверхность изображения, он отразится от него в фотоэлемент. Отраженный свет будет интенсивным, если точка, на которую в данный момент падает луч, светлая, и будет слабым, если точка темная. В соответствии с изменением количества отраженного света будет изменяться и ток через фотоэлемент, по мере того как луч будет обегать всю поверхность изображения. Ток усиливается с помощью электронного усилителя и посылается по проводу на приемный пункт.

Луч света движется строго в соответствии с установленным нами порядком— вдоль изображения, слева направо. Когда он доходит до края изображения, он очень быстро (почти мгновенно) возвращается к началу пути, и в это время посылается сигнал начала новой строки. Возвратившись к началу пути, луч не пойдет вновь по старой строке. За время прохождения лучом предыдущей строки и его возвращения к исходному положению барабан с наложенным на него изображением успеет повернуться точно на ширину одной строки, равную высоте сечения светового луча, и луч света пойдет по новой строке.

На приемной стороне тоже имеется барабан. Как и на передающей стороне, он находится в полной темноте. Вращается он строго одинаково с первым барабаном. На приемном барабане помещают лист фотобумаги и направляют на него сфокусированный тончайший луч света от неоновой лампы. Движение этого луча также точнейшим образом согласовано с движением луча на передающей стороне. Разница же заключается в том, что луч света на передающей стороне имеет строго неизменную яркость, а на приемной — яркость луча меняется в соответствии с поданными на неоновую лампу сигналами.

Оба луча света очень тоненькие, так что одновременно засвечиваются очень маленькие участки изображения. Именно поэтому удается выделять, передавать и воспроизводить даже очень мелкие участки изображений.

Вот каким образом работает фототелеграф — замечательное устройство, объединившее в себе достижения электроники, фотографии, техники источников света, оптики, точной механики и, конечно, связи.

Необходимо обратить особое внимание на одно необыкновенно важное свойство фототелеграфа, отличающее его от всех известных до сих пор устройств, в том числе и глаза.

В глазу четкое изображение, полученное в центральной ямке, раскладывалось на отдельные элементы («квадратики») с помощью 40–50 тысяч колбочек и передавалось в мозг одновременно по такому же количеству «проводов» — нервных волокон. Общая же картина, воспринимаемая глазом, передается по миллиону таких волокон, соединенных со 137 миллионами палочек и колбочек. В фотографии имеет место нечто сходное — изображение запечатлевается одновременно на огромном количестве зерен фотоэмульсии.

В фототелеграфе дело обстоит совсем иначе. В нем есть всего лишь одна «колбочка» — фотоэлемент и один провод (обратным проводом является земля). Но тем не менее изображение передается, и очень неплохое. О его качестве может судить всякий, кто получил фототелеграмму.

Передача изображения с помощью одного фотоэлемента и по одному проводу оказалась возможной только благодаря примененному нами методу кодирования или преобразования изображения в сигналы. В соответствии с этим методом все изображение разбивалось на отдельные строки, а строки — на отдельные мелкие точки различной яркости: элементы изображения. Все элементы изображения передавались в строгом порядке, в строгой последовательности. При таком методе поверхность изображения как бы преобразовывалась в новое качество — во время. Это очень важное преобразование. Именно оно позволило осуществить передачу изображения по одному проводу и сравнительно несложным путем.

 

Электронный глаз

Преобразование, о котором мы только что говорили, довольно давно известно ученым. Оно применяется не только в фототелеграфии, но и в самом совершенном виде современной связи — в телевидении. Создать его без помощи такого преобразования было бы немыслимо. И столь же немыслимым оказалось бы изобретение «зеницы» телевидения — передающих телевизионных трубок, самых совершенных электровакуумных приборов, основанных на фотоэффекте.

В фототелеграфе плоскость изображения обегал тоненький, как игла, луч света. При телевизионной передаче тоже иногда применяется подобный метод. Здесь он носит название «развертка бегущим лучом». Правда, в отличие от фототелеграфа, в телевидении бегущий луч не отражается от поверхности изображения, а чаще всего работает на просвет. Ясно, что при этом можно передавать изображения, нанесенные на прозрачную основу: кинофильмы, диапозитивы, рисунки на стекле, в частности различные неподвижные вставки, которые часто показывают по телевидению во время перерывов.

С помощью развертки бегущим лучом были переданы на Землю и фотографии невидимой с Земли стороны Луны.

Но для передачи пространственных сцен и особенно для внестудийных передач такой способ непригоден. Поэтому основной метод телевизионной передачи изображения иной. Разумеется, принцип последовательной, поэлементной передачи остается неизменным и в этом случае.

При телевизионном методе передачи изображение всегда освещено полностью, а разбивается оно на отдельные элементы («квадратики») при помощи очень большого количества фотоэлементов. Их берется столько, сколько требуется для передачи всех элементов изображения. Так, в отечественном телевидении предусмотрена разбивка изображения (кадра) на 625 строк. В строке же содержится 865 элементов. Следовательно, все изображение раскладывается на 625x865 = 540 625 элементов. На первый взгляд кажется, что установить совместно такое огромное количество фотоэлементов невозможно. Правда, оно значительно меньше количества светочувствительных клеток в сетчатке, но тем не менее очень велико. Изобретатели все же нашли выход: вместо такого большого числа отдельных фотоэлементов они предложили использовать один, но особого рода. Называется такой фотоэлемент мозаикой.

Мозаика… Не вызывает ли это слово каких-либо ассоциаций? Вы уже, наверное, вспомнили сетчатку глаза, очень похожую на мозаику, сложенную из палочек и колбочек. И эта ассоциация действительно не случайна. Телевизионная мозаика тоже сложена из огромного количества отдельных светочувствительных крупинок, каждая из которых представляет собой чрезвычайно малый по размерам фотокатод или микроскопический фотоэлемент.

Для изготовления мозаики берут тщательно обработанную и очищенную пластинку из прозрачного изоляционного материала и в специальной установке наносят на одну из ее поверхностей мельчайшие капельки светочувствительного вещества, такого же, как и в фотокатодах обычных фотоэлементов. Их наносят путем распыления, через особого рода пульверизатор. Сделать мозаику хорошего качества нелегко. Нужно, чтобы все мельчайшие крупинки равномерно покрыли всю поверхность и в то же время не соприкасались между собой. Ведь если они будут иметь между собой электрический контакт, то отдельные миниатюрные фотокатоды сольются в один большой катод. С его же помощью разложить изображение на отдельные элементы будет невозможно.

Мозаику помещают в специальную электронную лампу — передающую телевизионную трубку. На поверхность мозаики, так же как и в обычных фотоаппаратах, проектируют с помощью объективов изображение. Под воздействием света фотокатоды испускают большее или меньшее количество электронов, которые притягиваются к специальному собирающему электроду. Сами по себе эти электроны не нужны. Важно здесь то, что, отдавая электроны, светочувствительные зерна мозаики приобретают положительный заряд. Величина заряда зависит от освещенности зерна, от яркости «точки» изображения, которая сфокусирована на данный участок мозаики.

Неужели от каждого такого фотоэлемента должны отходить проводники? 540 625 проводников? Конечно, нет! Здесь-то и применяется принцип преобразования поверхности изображения во время — принцип последовательной, поэлементной передачи изображения. Благодаря ему мы можем заменить 540 625 отдельных проводников всего лишь одним проводником, на конце которого будет контакт, попеременно подключающийся к каждому из фотоэлементов, обегая их в соответствии с законами нашего преобразования.

Как же перемещается такой контакт? Закон его движения остается точно таким же, как и закон движения бегущего луча. Контакт перемещается со строго постоянной скоростью слева направо вдоль горизонтального ряда зерен мозаики, или, как называют такой ряд, строки. Дойдя до правого конца строки, он мгновенно возвращается обратно, на левый край, и, встав в начале следующей строки, возобновляет равномерное движение. Пробежав таким образом все строки, контакт мгновенно возвращается в исходное положение, в начало первой строки. И все повторяется вновь и вновь на протяжении всей телевизионной передачи.

Контакту пришлось бы перемещаться с огромной скоростью. Так, при ширине мозаики 12 сантиметров и стандарте разложения 625 строк за время передачи одного кадра, равное 0,04 секунды (частота смены кадров в отечественном телевидении равняется 25 в секунду, что с точки зрения инерционных свойств глаза вполне достаточно, чтобы не ощущать мерцания и воспринимать все движения непрерывными), контакт пробежит расстояние 150 метров. А за секунду 3750 метров.

Это огромная скорость. И ни один обычный проводничок, ни один обычный контакт нельзя заставить перемещаться столь быстро. Поэтому их заменяет проводник, контакт особого рода — тончайший электронный луч. Заставить конец электронного луча, «упирающийся» в мозаику, перемещаться со столь большой скоростью уже нетрудно.

Чтобы нагляднее представить сказанное, лучше всего ознакомиться с устройством одного из типов передающих телевизионных трубок, который называется «ортикон».

Как видно из чертежа, ортикон представляет собой удлиненную стеклянную цилиндрическую колбу, имеющую расширение в передней части. Внутри колбы находятся мозаика и несколько электродов. После изготовления из трубки удаляется, по возможности, весь воздух.

Мозаика крепится на внутренней стороне передней торцевой поверхности трубки. В противоположном конце находится термокатод. Он раскаляется до высокой температуры с помощью специального электрического подогревателя, представляющего собой свитую в виде миниатюрной пружинки проволочку, напоминающую спиральку электрической плитки. Электроны, испускаемые термокатодом, летят в самых различных направлениях. Для того чтобы сформировать из них тончайший луч, состоящий из электронов, движущихся в одном направлении, и для того чтобы придать им необходимую скорость, в полости трубки помещена специальная электронно-оптическая система, состоящая из упомянутых уже электродов.

Схематическое изображение передающей телевизионной трубки типа ортикон, помещенной в систему электромагнитных катушек.

Снаружи трубку охватывает длинная электромагнитная катушка — соленоид. Через катушку пропускают постоянный ток, и образующееся магнитное поле позволяет довести толщину электронного луча до очень малой величины. Между этой катушкой и баллоном трубки устанавливают еще две пары катушек, которые называются отклоняющими. В каждой паре протекает переменный ток особого вида. Под воздействием двух электромагнитных полей, создаваемых токами, протекающими через две пары отклоняющих катушек, осуществляется отклонение луча в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Скорости отклонения луча по горизонтали и по вертикали различны.

Одна пара катушек, обеспечивающих отклонение по вертикали, заставляет электронный луч медленно и равномерно смещаться по мозаике сверху вниз, а затем очень быстро возвращаться в исходное положение. Другая пара катушек отклоняет луч с равномерной скоростью по горизонтали слева направо, а затем мгновенно возвращает его назад, на левый край.

Частота тока в катушках вертикального отклонения во много раз меньше частоты тока, протекающего через катушки горизонтального отклонения. Поэтому и скорость движения луча по вертикали во много раз меньше, чем скорость движения по горизонтали. И, следовательно, электронный луч прочертит на мозаике столько горизонтальных строк (фактически они несколько наклонены вправо вниз), во сколько раз скорость движения вдоль строки превышает скорость смещения по вертикали, или, как говорят, по кадру.

Подобный метод последовательного разложения, развертки изображения на элементы с помощью электронно-лучевой трубки был предложен в России в 1907 году изобретателем Борисом Львовичем Розингом (1869–1933 гг.).

Итак, электронный луч, падающий на мозаику, выполняет роль проводника, контакта, последовательно замыкающего цепи всех элементарных фотоэлементов. Каждый из них, испуская электроны под воздействием света, накапливает положительный заряд. Такое накопление происходит в каждом из зерен мозаики. Оно длится между двумя последующими моментами, в которые на данное зерно падает электронный луч. Время, в течение которого электронный луч упирается в данное зерно, очень мало. Но его вполне достаточно, для того чтобы термоэлектроны луча полностью заместили излученные фотоэлектроны и свели положительный заряд зерна мозаики к исходному, нулевому.

Как только луч покинет элементарный фотокатод, последний вновь начнет испускать фотоэлектроны. В единицу времени он отдает их тем больше, чем он ярче освещен. Такой попеременный процесс отдачи фотоэлектронов и их восполнения термоэлектронами происходит на каждом из зерен мозаики в течение всего времени телевизионной передачи.

Так как освещенность всех зерен мозаики различна, то различной будет и убыль электронов. Следовательно, количество электронов, забираемых у луча, будет меняться при движении его от одного элементарного фотокатода к другому. И так как луч движется непрерывно, то это количество меняется непрерывно. В результате создается пульсирующий ток, который и представляет собой не что иное, как сигналы изображения, закодированные тем же шифром, что и раньше.

Эти сигналы усиливаются с помощью электронных усилителей. В них дополнительно вводятся сигналы, определяющие начало движения в горизонтальном направлении (по строкам), и сигналы, определяющие начало движения луча по вертикали (по кадру). Такие сигналы называются синхронизирующими, так как они нужны для того, чтобы заставить электронный луч в приемной трубке, в обычном телевизионном кинескопе, отклоняться строго в соответствии, синхронно с лучом передающей трубки.

Сигналы изображения и синхронизирующие сигналы передаются по радио или по специальному кабелю к приемникам изображения — к телевизорам.

Ортикон был описан здесь столь подробно лишь потому, что на его примере можно проще всего объяснить важные принципы работы передающих трубок. Но ортикон не является ни единственным, ни лучшим среди своих «собратьев». В настоящее время есть значительно лучшие типы трубок.

Первой трубкой, успешно использовавшейся в телевидении, был так называемый иконоскоп. В настоящее время он почти вышел из употребления и заменен более совершенным супериконоскопом. Трубки этого типа широко применяются при передаче из студий и теперь. За много лет своего существования супериконоскоп очень хорошо отработан и освоен промышленностью. С его помощью можно получать изображения высокой четкости и с очень хорошим воспроизведением полутонов. Но у него есть один очень большой недостаток— малая чувствительность, столь малая, что для нормальной работы телевизионной камеры требуется очень большая освещенность передаваемой сцены. Практически ее можно обеспечить только в телестудии с помощью специальной осветительной аппаратуры. Другой недостаток супериконоскопа состоит в том, что он громоздок, имеет сложную форму и плохо вписывается в конструкцию камеры.

Уже известная вам трубка ортикон по чувствительности и четкости мало отличается от супериконоскопа и тоже применяется в телевизионном вещании. Особенно популярна она в Англии.

В конце 40-х годов появилась новая трубка — суперортикон, обладающая исключительно хорошими параметрами. Главный из них — чувствительность— столь высок, что изображение хорошего качества может быть получено в сумерки или даже при лунном освещении. Четкость изображения, даваемого этой трубкой, также очень высокая: она может быть доведена даже до 1000 строк. Суперортикон имеет хорошую конструктивную форму, но его габариты тоже велики (длина примерно 500–600 миллиметров, а наибольший диаметр 50–60 миллиметров). Кроме того, мы не должны забывать о системе катушек, охватывающих трубку. Они тоже занимают много места и весят добрый десяток килограммов. К недостаткам суперортикона следует отнести и очень большую сложность эксплуатации, высокую стоимость, малый срок службы и малую прочность — он очень плохо переносит сильные удары, сотрясения и вибрации.

И все-таки его достоинства искупают все эти серьезные недостатки. Суперортикон считается и еще долго будет одной из наилучших трубок для применения в тех случаях, где на первом месте стоит чувствительность. В телевизионном вещании трубки типа суперортикон имеют весьма широкое распространение.

Суперортиконам скоро минет двадцать лет, но, несмотря на это, их продолжают непрерывно совершенствовать. И в самое последнее время добились новых больших успехов. Не так давно появились новые суперортиконы, чувствительность которых столь высока, что во много раз превосходит чувствительность человеческого глаза. Усовершенствовать суперортикон помог наш старый знакомый — электронно-оптический преобразователь. Его использовали для того, чтобы он проектировал на суперортикон уже усиленное по яркости изображение.

Передающие телевизионные трубки: суперортикон, обычный и миниатюрный видиконы. Длина суперортикона примерно 0,5 метра; длина миниатюрного видикона меньше 10 сантиметров.

Все перечисленные до сих пор трубки были основаны на явлении внешнего фотоэффекта. Но мы знаем, что овладение внутренним фотоэффектом позволило инженерам и ученым создать различные устройства, аналогичные по своему назначению устройствам с внешним фотоэффектом. Значит, мы вправе ожидать, что могут быть созданы и телевизионные передающие трубки, основанные на внутреннем фотоэффекте. И такое предположение оказывается справедливым.

Такие трубки были действительно разработаны. Первые их образцы появились в начале 50-х годов. Их свойства столь хороши, что и в настоящее время они являются не только самыми распространенными, но и самыми любимыми трубками всех телевизионщиков. Трубки такого типа носят название «видикон».

У видикона много достоинств. Прежде всего он имеет очень хорошую чувствительность. Она, правда, ниже, чем у суперортикона, но значительно выше, чем у всех остальных типов трубок, и вполне достаточна для того, чтобы получить хорошее изображение при естественном дневном свете (даже в пасмурную погоду) и при обычном комнатном электрическом освещении. По четкости изображения новейшие модификации видиконов тоже практически не уступают суперортикону. Появившиеся в самом конце 1960 года сообщения говорят, что четкость изображения может быть доведена до 1000 строк.

Очень важно и то, что видикон необыкновенно прост в эксплуатации, очень надежен, не боится ударов и вибраций, значительно более долговечен и дешев.

В правой руке репортера камера с миниатюрным видиконом; левой рукой он придерживает очень маленький, контрольный приемник, по экрану которого репортер контролирует качество изображения; в ранце, за спиной, — телепередатчик.

Есть у него и еще одно огромное достоинство — видикон имеет очень малые размеры: его диаметр равен всего лишь 25 миллиметрам, а длина — 160. При этом вес системы катушек может быть доведен до нескольких сотен граммов.

Но это еще не предел. Уже созданы в ряде стран и отлично работают миниатюрные видиконы (их иногда называют минивидиконами), которые по своим размерам не больше сигареты. Диаметр такого видикончика всего лишь 13 миллиметров, а длина — 80. Вес системы катушек может не превышать 150–200 граммов. Правда, наивысшая четкость изображения, которую до настоящего времени удалось достигнуть с его помощью, не превышает 300–400 строк. Но ведь минивидикон совсем еще «юная» трубка, и от нее многого можно ожидать в будущем. И, в частности, того, что благодаря исключительной простоте конструкции эту трубку смогут изготавливать на автоматических линиях в таких же количествах и при такой же стоимости, как и обычные электронные лампы. А это означает, что телевидение сможет проникнуть во многие области жизни и деятельности человека.

Как и все устройства, основанные на внутреннем фотоэффекте, видиконы можно сделать чувствительными к инфракрасным лучам с такими длинами волн, которые не смогут воспринимать все типы трубок с внешним фотоэффектом.

Но именно это же обстоятельство (внутренний фотоэффект) определяет и основной недостаток современных видиконов — они инерционны. Инерционность в этом случае выражается в размазывании быстро движущихся изображений, в падении чувствительности трубки при передаче таких изображений. Возникают и последовательные образы, но в большинстве случаев они почти незаметны. С инерционностью сейчас уже довольно успешно борются, и новые типы видиконов обладают уже вполне приемлемой для телевизионного вещания инерционностью.

Передающая телевизионная камера специальной телевизионной установки с трубкой суперортикон. Положением этой камеры и установкой диафрагмы объектива можно управлять на расстоянии.

Итак, вы прочитали об иконоскопе и супериконоскопе, об ортиконе и суперортиконе и, видимо, обратили внимание на то, что трубки, названия которых начинаются со слова «супер», лучше своих предшественниц. Возникает вопрос: «Не может ли быть создан и супервидикон?» Пока что ответить на него вполне определенно нельзя. Но не исключено, что трубка такого рода появится.

Не так давно в печати был описан принцип действия новой трубки, которой, хотя и не вполне основательно, можно было бы присвоить такое название. Все же изобретатели, понимая, что она еще не на все 100 процентов отвечает признакам, которыми должен обладать супервидикоп, назвали ее иначе. Ее имя — «эбикон».

Если верить сообщениям, то свойства эбикона окажутся совершенно поразительными. Ожидается, что чувствительность этой трубки превзойдет чувствительность глаза и даже электронно-оптического преобразователя и будет близка к теоретически возможному пределу. Эбикон позволит хорошо наблюдать объекты даже в облачную безлунную осеннюю ночь.

Пока что эта трубка существует только на бумаге, но можно не сомневаться, что со временем такие трубки начнут делать, как бы ни был труден путь к их практическому осуществлению.