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.