Александр Штейнгауз - Девять цветов радуги

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.