Покоренная плазма

Глава V Эстафета «Русского солнца»

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно отчетливо представлять себе, что такое свет.

Вопрос этот нелегкий, и было время, когда видные ученые становились в тупик.

Знаете, чем стреляет пулемет? Пулями, вылетающими одна за другой из ствола.

А что получится, когда в пруд вы бросите камень? Волны, расходящиеся кругами во все стороны.

Кажется, нет ничего общего между этими двумя явлениями. Верно. Однако при излучении света они объединены.

Свет излучают атомы. Они «стреляют» строго определенными порциями света — квантами. Квант — это световая «пуля». Он материален. Но он не «обломок» атома, а порция электромагнитных волн, примерно таких же, как радиоволны, но только значительно более коротких. Длина световых волн — не миллиметры и метры, а доли микрона. Например, пионерский галстук посылает в наш глаз волны длиной около 0,7 микрона, а фиолетовые чернила — 0,4 микрона. Остальные цвета — синие, желтые, зеленые — имеют длину волны чуть-чуть короче красных, либо чуть-чуть длиннее фиолетовых.

Теперь постараемся проникнуть своим воображением внутрь светящихся тел. Обычно эти сильно нагретые тела — спирали электроламп, куски раскаленного железа, топки печей — излучают целую смесь световых волн. В белом свете излучения твердых тел можно найти и красные, и оранжевые, и зеленые, и многие другие цвета. Такая «многоголосость» объясняется особенностями взаимоотношений между собой частиц нагретого тела.

Выше я уже говорил, что атомы любого тела находятся в непрерывном движении. Даже строгий порядок кристаллической решетки не может заставить их замереть на месте и не совершать никаких колебаний.

Повышение температуры тела — это увеличение размаха колебаний атомов, это — большая частота столкновений их друг с другом.

Тут и нашли ученые разгадку возникновения света.

Нормальный атом, окруженный «своими», спокойно вращающимися электронами, света не излучает. Но вот столкнулись два атома-соседа. Столкновение сказывается прежде всего на наружных частях атома, на его электронной оболочке. Силой удара какой-либо наружный электрон может оказаться отброшенным со своего места, со своей орбиты. На мгновение он попадет на соседнюю «чужую» орбиту. Атом переходит в неустойчивое состояние, как говорят физики, оказывается возбужденным.

Камень, подброшенный вверх, все время стремится упасть на землю. Так и возбужденный атом старается вернуться к обычному, устойчивому, состоянию. Поэтому, как только разошлись столкнувшиеся атомы, отброшенный электрон мгновенно возвращается на свое место. Излишек его энергии при этом выделяется в виде порции световых волн — фотона, или кванта света.

Самые слабые фотоны имеют красный свет. Большой энергией обладают световые «пули» фиолетового света. Короче говоря, чем меньше длина волны, тем большей энергией обладает световое излучение. Зная это, легко объяснить, почему кусок железа при нагревании вначале светится красным, потом оранжевым и, наконец, желтовато-белым светом. Более «крепкие» соударения атомов вызвали к жизни фотоны больших энергий. А так как в твердом теле атомы близки друг к другу, то при сильном нагревании столкновения атомов могут быть самыми разнообразными — и сильными, и средними, и слабыми. Поэтому твердое тело излучает, как правило, фотоны всех сортов, спектр его излучения сплошной, и глазом это излучение воспринимается часто как белый свет.

Несколько иное происходит в плазме. В ней молекулы и атомы газа друг от друга расположены далеко, и атомы возбуждаются не под влиянием взаимных соударений, а благодаря тому, что в них ударяются свободные электроны.

Мы уже знаем, как образуются лавины электронов, как газ — изолятор превращается в плазму — хороший проводник тока. Свободные электроны, устремляющиеся к аноду, оказывается, могут не только ионизировать атомы или молекулы, но и возбуждать их. Ионизация и возбуждение — это две стороны одной медали. В плазме эти процессы совершаются непрерывно.

Здесь также все зависит от скорости электрона, от силы его удара.

Проследим за движением одного из атомов, составляющих электронную лавину.

Электрические силы неумолимо влекут его к аноду разрядной трубки. Скорость электрона непрерывно возрастает. Но вот на пути электрона оказывается преграда — атом газа. Электрон ударяется в эту громаду, имеющую вес в тысячи раз больший, чем вес электрона. Если скорость электрона мала, то соударение его с атомом ни к чему не приводит. Электрон, словно шарик от стенки, отскакивает от атома, потеряв всего лишь сотую долю процента своей кинетической энергии. Но если электрон движется достаточно быстро, он может внести «беспорядок» в планетной системе атома. Атом оказывается возбужденным и излучает квант света.

Атомы каждого элемента имеют строго определенное число орбит, на которые могут переходить электроны при возбуждении. Соседи-атомы в газе находятся далеко и своими электрическими и магнитными полями не влияют на «поединок» электрона с данным атомом. Поэтому-то атомы плазмы как правило «стреляют» вполне определенными фотонами, свойственными данному газу, и окрашивают плазму во вполне определенный цвет.

Примерно так же происходит возбуждение семейств атомов — молекул газа. В трубке, наполненной не отдельными атомами, а молекулами, электроны даже более успешно возбуждают их, заставляя излучать фотоны.

Кванты световой энергии, «выстреливаемые» атомами, не сразу попадают в наш глаз. Они бесчисленное число раз передаются от одного атома к другому, описывая причудливый зигзагообразный путь, пока не покинут газ, пройдя через стекло разрядной трубки. Значит, кванты света — фотоны — сами способны возбуждать атомы, на которые они наталкиваются.

Может возникнуть вопрос: а не рождают ли свет и положительные частицы — ионы, которые движутся к катоду навстречу электронам? Ведь они тоже ударяются о молекулы газа.

Ответить на этот вопрос нетрудно, если вспомнить, что ионы во много раз тяжелее электронов и скорость их движения значительно меньше скорости легких и подвижных электронов. Благодаря этому шансы на возбуждение ионами газа значительно меньше, хотя оно и имеет место.

Чтобы иметь более полное представление о «кухне» свечения плазмы, нужно рассказать еще об одной причине появления фотонов внутри нее.

Плазма — это хаос заряженных и нейтральных частиц газа. В ней непрерывно происходит смена ролей: миллиарды ионизированных атомов становятся нейтральными, их ряды пополняют новые миллиарды атомов, подвергшихся ионизации.

Превращение положительного иона плюс электрон в нейтральный атом — это переход к более устойчивому состоянию. В микромире всякий такой переход сопровождается выделением энергии.

В виде чего выделяется энергия при нейтрализации зарядов в плазме? В виде фотонов, порций света. Этот свет вливается в общий «хор» световых сигналов, рожденных в недрах плазмы.

Однажды со мной был такой случай. Ночью пронзительно зазвонил телефон.

— Будете говорить с Хабаровском, — услышал я усталый голос телефонистки.

Телефонные провода донесли до меня голос старого товарища, ставшего инженером в один день со мной.

Ночной разговор был короток. Из него я уяснил, что в лаборатории, где работал мой товарищ, не ладятся дела с одним важным электронным прибором, до сдачи которого остались считанные дни.

— Высылай характеристики полупроводниковых триодов, — попросил меня товарищ и продиктовал список триодов, которые интересовали его лабораторию.

Я знал, что значит электронная схема, которая не хочет работать, как положено. Я знал, что такое считанные дни, которыми располагают конструкторы. И ночной телефонный звонок — это, видимо, была последняя ставка небольшой группы людей в далеком Хабаровске, которые во что бы то ни стало хотели закончить работу в срок.

Утром я пришел на московский телеграф.

— Примите фототелеграмму… очень важно, — сказал я девушке и выложил несколько листков, экономно исписанных цифрами, буквами и разрисованных разными кривыми.

С телеграфа я ушел успокоенный. Я знал, что дня не пройдет, и мой товарищ будет иметь все необходимое для работы.

Фототелеграф — замечательное достижение техники, позволившее тысячам людей передавать из одного города в другой письма, чертежи, рисунки, фотографии.

Причем же тут плазма? — спросит читатель.

А вот причем: если бы не существовала плазма, то фототелеграфа в том виде, в каком он находится сейчас, не было бы. Посмотрим же, какую роль играет плазма при обмене фототелеграммами.

Разные предметы по-разному отражают свет. Направьте луч карманного фонаря на консервную банку. Она заблестит. Перенесите теперь луч на черную поверхность вашего зимнего пальто: света отразится гораздо меньше.

На передающей станции острый луч света упирается в круглый барабан. На барабане закреплена поданная вами телеграмма. Так как барабан вращается и постепенно ползет вдоль своей оси, то луч света «обшарит» все закоулки телеграммы. Рядом стоит фотоэлемент, он ловит отраженный свет и превращает его в ток. Светлые участки фототелеграммы пошлют в окошко фотоэлемента много света, темные — значительно меньше. В зависимости от этого и ток в цепи фотоэлемента будет то большим, то маленьким.

Электрические сигналы фотоэлемента, усиленные до нужной величины, мчатся по проводам и попадают на приемную станцию. Здесь тоже есть вращающийся барабан. Он в точности повторяет все движения своего «собеседника» — барабана, находящегося в тысячах километров от него. Барабан этот обернут чувствительной фотобумагой.

Какой же художник будет «рисовать» на этой фотобумаге те замысловатые кривые и колонки цифр, которые вы сдали в окошко девушке-приемщице?

Плазма. Она заключена в небольшой стеклянный баллончик и излучает тонкий луч света. Баллончик с плазмой называется газосветной лампой В ней между электродами то ярче, то слабее горит тлеющий разряд.

Вы, очевидно, помните его «портрет». Все части тлеющего разряда возникают только в трубке достаточно длинной, когда расстояние между анодом и катодом велико.

Если каким-либо образом сближать анод и катод в трубке, в которой живет тлеющий разряд, то получится довольно интересная картина: катодные части разряда останутся неизменными, а положительный столб будет становиться все короче.

В газосветной лампе, используемой в фототелеграфии, положительного столба нет, так как катод и анод находятся близко друг от друга. В ней свет рождается благодаря отрицательному тлеющему свечению.

Плазма возникает в смеси газов аргона, неона и небольшого количества паров ртути. Именно такой состав «начинки» лампы обеспечивает наилучшее воздействие ее света на фотобумагу.

На рисунке изображено устройство газосветной лампы. В ней катод выполнен в виде пустого цилиндрика, а анод — в виде круглой лепешки с маленьким отверстием в центре. Через него острый, как игла, световой луч вырывается наружу и попадает на фотобумагу.

Катодное свечение тлеющего разряда чутко реагирует на силу тока, протекающего через плазму.

Увеличился ток — свечение мгновенно становится ярче и световой луч сильнее засвечивает фотобумагу, уменьшился ток — все происходит наоборот.

Когда на приемной станции фототелеграфа световой луч закончит свой путь по фотобумаге, начинается обычная работа, известная любому из нас. Лист бумаги погружают в проявитель, потом в закрепитель, тщательно промывают, сушат, и фотодепешу можно нести адресату.

Получая плотный, аккуратно обрезанный листок фототелеграммы, не каждый из нас знает, что над ним старательно трудилась и плазма.

Было время, когда надписи над входами магазинов, предприятий и учреждений делали только при помощи красок и кисти. Но это было неудобно: краски портились, блекли, а вечером меняли свой цвет, становились малозаметными.

Около шестидесяти лет назад, в 1904 году, появились первые надписи, написанные «огненными» буквами. Золотисто-желтый цвет этих надписей был виден далеко и привлекал всеобщее внимание. Когда прохожие внимательно приглядывались к необычным надписям, они видели стеклянные трубки, от которых тянулись электрические провода. И больше ничего. Трансформаторы и другое «хозяйство», которое рождало в трубках плазму, было спрятано за витринами и на глаза прохожим не попадалось.

В первых плазменных надписях золотисто-желтое свечение создавал азот, которым были наполнены стеклянные трубки. В торцах трубок монтировались небольшие металлические кружочки — электроды, между которыми и зажигался разряд.

После того как ярко-желтая плазма надписей и вывесок завоевала право на существование и была признана, захотелось иметь светящиеся буквы других цветов. Стали «обучать грамоте» другие газы. Прошло немного времени, и на вывесках появились светящиеся буквы и цифры, испускающие свет самых различных окрасок. Трубки, наполненные неоном, давали яркий красно-оранжевый свет, аргоновые светились бледно-голубым свечением. Если к аргону примешивали немного паров ртути, то плазма излучала синий свет. А когда такую синюю плазму прятали в трубку из желтого стекла, надпись казалась написанной зеленым огнем.

Первые светящиеся буквы получали в прямых, как линейка, стеклянных трубках. Потом выяснилось, что, если трубку изогнуть или даже свернуть в спираль, плазма продолжает жить, разряд в ней не прекращается. Теперь художники и мастера-стеклодувы смогли дать простор своей фантазии. Плазмой стали писать не только цифры и буквы, но и «рисовать» контуры автомобилей, самолетов, различных рекламируемых товаров и даже силуэты людей.

Читая о надписях, написанных огнем, вы должны знать, что слово «огонь», конечно, применяется в переносном смысле. Огня в буквальном смысле внутри трубок нет, и сами трубки, если к ним прикоснуться, пальцев не обожгут. Почему?

Потому что в светящихся трубках-буквах горит тлеющий разряд, который, как вы уже знаете, большую долю потребляемой электроэнергии превращает в свет. Поэтому трубка почти не нагревается.

Если в лампах-сигнальщиках «работает» только катодное свечение, то в светящихся буквах налицо все участки тлеющего разряда. Так как катодные участки занимают небольшую часть длины трубки, то мы, по существу, видим свечение положительного столба разряда.

За последнее время в плазменной «грамматике» появилось много нового. Прежде всего большое разнообразие цветов и оттенков. Но вы ошибетесь, если подумаете, что трубки стали заполнять какими-то другими, особенными газами, дающими излучения различной окраски. Внутри светящихся букв по-прежнему добросовестно трудятся либо неон, либо аргон. Но испускаемый ими свет не вырывается наружу, он ударяется о тонкую пленку порошка — люминофора, которым трубка покрыта изнутри. Эти волшебные порошки поглощают одни световые волны, а излучают другие.

Есть такой порошок — люминофор с мудреным названием «вольфрамат кальция». Если им покрыть внутренность неоновой трубки, то он охотно будет «питаться» красным светом плазмы неона, а «выдавать» красивый ярко-синий свет. Благодаря этому и трубка будет светиться синим светом. Другой люминофор — силикат кадмия — рождает нежно-розовый свет, а ортосиликат цинка — ярко-зеленый.

Поэтому, глядя на светящуюся надпись, нужно осторожно решать вопрос, что вы видите — плазму или люминофор, в который плазма вдохнула жизнь. Если же вы убедитесь, что светится люминофор, а не газ, то по цвету надписи можете догадаться, в каком газе внутри трубки зажжен разряд.

Розовые оттенки сигнализируют о том, что внутри трубки происходит тлеющий разряд в неоне. Зеленые, белые и голубые цвета — признак того, что трубка наполнена аргоном в смеси с парами ртути. Такое разделение ролей сделано для того, чтобы увеличить светоотдачу люминофора.

В последнее время для больших, наиболее ярких рекламных объявлений стали применять трубки, внутри которых горит не тлеющий, а дуговой разряд. Такие трубки нетрудно «узнать» на улице: они, как правило, дают яркое оранжево-красное свечение.

Неудобство светящихся надписей — это необходимость применения трансформаторов, которые повышают напряжение электросети и позволяют тем самым зажигать в трубках разряд. Нельзя ли от них избавиться? Оказывается, можно. Одна английская фирма создала такие светящиеся надписи, которые прекрасно обходятся без трансформаторов, проводов и… без электроэнергии. Внутри трубок находится газ криптон, но не обычный с атомным весом 83,7, а радиоактивный, с атомным весом 85. Этот газ светится непрерывно, дни и ночи, создавая плазму собственной ядерной энергией.

Светильники, не нуждающиеся ни в чем, — так можно назвать новые источники света. Они широко будут применяться не только в надписях-рекламах, но и для освещения в шахтах, на предприятиях и в быту.

Представим себе, что мы находимся на каком-нибудь заводе.

Снабжение различных цехов электроэнергией здесь производится с одного распределительного пункта. Дежурный электрик зорко смотрит за тем, поступает ли энергия туда, куда нужно, и по мере необходимости делает переключения. Ни минуты не должны стоять станки из-за отсутствия электроэнергии. Но отсюда в разные стороны расходятся сотни проводов, и разобраться в том, подано ли на них напряжение, не так просто.

Плазма тлеющего разряда добросовестно помогает в этом.

Перед глазами электрика смонтирован целый ряд осветительных патронов. В них ввернуты лампы, очень похожие на обычные. Но они не ослепляют, а излучают ровный оранжево-красный свет.

Это тоже сигнальные неоновые лампы. Внутри них вместо спирали смонтированы два электрода размером в пятнадцатикопеечную монету, расположенные один над другим. Когда на лампу подано электрическое напряжение сети, в неоне вспыхивает тлеющий разряд, который и сигнализирует электрику, что все в порядке.

В этой лампе-сигнальщике используется катодное свечение. Оно вспыхивает то у одного электрода, то у другого, потому что при питании лампы переменным током роли электродов все время меняются. Но наш глаз не успевает замечать эту смену ролей, и кажется, что плазма светится одновременно около обеих монет — электродов.

Хорошим помощником служит плазма-сигнальщик у монтажников электроустановок.

Представьте себе, например, что монтажники закончили сборку сложной электрической схемы.

В путанице проводов, в нагромождении деталей трудно определить, верно ли подключены отдельные узлы и различные агрегаты.

Но если есть неоновая лампа, не нужно, как следопыту, прослеживать путь провода, желая узнать, где плюс и где минус источника тока.

Достаточно к концам провода подключить эту лампу, и все станет ясно. У одного из электродов лампы вспыхнет ярко-оранжевый венчик катодного свечения, а другой светиться не будет. Теперь монтажник знает, что светящийся электрод — катод, он соединен с минусом источника тока, следовательно, второй провод подключен к плюсу.

Можно без конца приводить примеры того, какую помощь оказывает плазма-сигнальщик. Ее можно встретить на пультах управления автоматическими поточными линиями и цехами-автоматами, на панелях сложных электронных приборов и в кабинах самолетов, в исследовательских лабораториях и у горняков в шахтах. Этот сигнальщик надежен, удобен и очень мало потребляет электричества. Во всех таких сигнальных лампах используется катодное свечение тлеющего разряда.

В аэропортах и на речных линиях тоже применяются плазменные сигнальные лампы, которые помогают летчикам совершать посадку на аэродром, а капитану парохода — выбирать безопасный путь. Внутри этих сигнальных ламп свет рождается очень яркий, поэтому он виден далеко. Катодное свечение тлеющего разряда такой «дальнобойностью» не обладает, поэтому в мощных лампах-сигнальщиках как правило используются другие виды разряда.

Закончить рассказ о плазменных лампах-сигнальщиках мне хочется, познакомив вас с одной новинкой в этой области. С нею я встретился на Московском электроламповом заводе, где создаются все основные типы плазменных — и не только плазменных — источников света.

В лаборатории завода мне показали лампы-малютки — добрый десяток таких ламп может поместиться на вашей ладони. Мне объяснили, что это люминесцентные лампы.

Когда их вставили в небольшие гнезда и включили ток, лампочки загорелись — одни желтым, другие оранжевым, третьи зеленым светом. Откуда взялось такое разнообразие цветов? — возник у меня вопрос, но, вспомнив название ламп, я сразу нашел ответ: свет в лампочках-малютках рождали люминофоры.

Устройство новых сигнальных ламп несложно: в стеклянном баллончике, наполненном инертным газом, помещены два крохотных электрода. Внутренняя поверхность баллона покрыта порошком-люминофором. Стоит включить лампу, и между электродами вспыхивает тлеющий разряд. И, как в лампе дневного света, лучи, рожденные разрядом, заставляют люминофор светиться. В зависимости от того, какой взят люминофор, получается желтое, оранжевое либо зеленое свечение.

Когда на заводе принимались за разработку этих ламп, некоторые специалисты не верили, что разряд в инертном газе сможет возбудить люминофор, создать сигнал необходимой яркости. «Нужны пары ртути, — говорили эти специалисты, — разряд в парах ртути богат ультрафиолетовым светом, который больше всего любят люминофоры». Но это было ошибочное мнение: сотрудникам заводской лаборатории после кропотливой и настойчивой работы удалось добиться нужного результата именно с инертными газами.

Получились надежные миниатюрные сигнальные лампы — новое слово в этой области техники.

Конечно, и раньше умели делать малогабаритные сигнальные лампы. Но это были неоновые лампы, создающие лишь один, оранжевый, сигнал. А здесь получили несколько цветных сигналов. В кабине самолета, на пульте управления цехом или заводом многоцветие сигналов, бесспорно, более удобно. Кроме того, сигнал неоновой лампы хорошо заметен, если смотришь на нее в упор, люминесцентная же сигнальная лампа хорошо видна и сбоку, потому что у нее светится весь купол.

До создания новых сигнальных ламп разноцветные сигналы получали так: ставили лампу накаливания и закрывали ее цветным стеклом. Такая лампа занимала много места и, самое неприятное, потребляла много энергии. Специалисты-ламповики говорят, что снизить мощность лампы накаливания хотя бы до десятка ватт очень трудно: нужно в нее вмонтировать спираль микронной толщины.

Люминесцентные лампы-малютки отличаются скромным «аппетитом»: каждая из них потребляет лишь около одного ватта мощности. Это одно из многих достоинств новых ламп. Люминесцентные сигнальные лампы могут работать как на постоянном, так и на переменном токе, они хорошо выдерживают тропическую жару и жестокий мороз, не отказываются служить при сильной тряске и вибрациях, не выходят из строя, когда питающее напряжение ненадолго увеличится в полтора раза сверх нормы. В отличие от обыкновенных неоновых ламп, новые лампы в течение всего срока службы светятся ровным светом, не тускнеют. А служить они могут полторы тысячи часов!

Лампы-сигнальщики нужны нашему народному хозяйству, авиации и флоту в миллионах экземпляров. Переход на новые лампы позволит экономить много электроэнергии, улучшит качества и уменьшит габариты аппаратуры. Ждать этого недолго: в Белоруссии создается предприятие, которое будет выпускать столько ламп-малюток, что потребность в них будет удовлетворена полностью.

Современная техника — это техника больших скоростей и высокой точности.

Работает на ином предприятии сложная и дорогая машина. Ее вал в каждую минуту делает добрый десяток тысяч оборотов. Законы производства неумолимы: скорость вращения должна быть строго постоянной, иначе вместо добротной продукции машина станет выпускать брак.

Для поддержания числа оборотов на одном уровне инженеры придумали много хитроумных приспособлений. Рабочий, передвигая рычажки и нажимая кнопки, по своему желанию может заставлять машину ускорять или замедлять ход.

Но как подсчитать число оборотов маховика машины, если, взглянув на него, видишь сплошной серый круг?

Нужны приборы, ответит мне читатель. Верно, без приборов эту задачу разрешить невозможно.

Когда скорости вращения не были такими бешеными, как сейчас, с подсчетом числа оборотов легко справлялись небольшие машинки-тахометры. Большинство из них работает на центробежном принципе. Приставишь такую машинку к центру вращающегося маховика, и в ней начинает вращаться валик. Тотчас же легкие грузики, связанные рычажками с этим валиком, расходятся в стороны и тянут за собой стрелку прибора. Цифра на шкале, против которой замрет стрелка, и есть число оборотов маховика.

Просто, но неудобно. Неудобно и неточно, особенно, если обороты измеряются тысячами.

Какой выход нашли конструкторы? Они отыскали более добросовестный счетчик — плазму.

Взгляните на рисунок. На торец маховика машины наклеено косое перекрестие из двух полосок белой бумаги, перед маховиком — неоновая лампа катодного свечения. Лампа питается от генератора прерывистого тока.

Помните газосветную лампу, установленную на фототелеграфе? Тлеющий разряд внутри нее чутко отзывается на все изменения тока. Лампа нашего «плазменного» счетчика тоже отличается такой чуткостью. Если через нее пропускать прерывистый ток, то лампа начнет мигать — гаснуть и загораться. Эти вспышки будут происходить без всякого запаздывания, даже если число их — полтора-два десятка тысяч в секунду.

Но вот включен рубильник, и маховик стал стремительно вращаться. Белое перекрестие на нем исчезло — глаз бессилен его увидеть. Теперь включим генератор прерывистого тока. Неоновая лампа тотчас начнет посылать одну порцию света за другой и освещать торец маховика.

А теперь осталось сделать самое простое: поворотом небольшой рукоятки на генераторе прерывистого тока изменять число вспышек неоновой лампы. На маховике «проявится» белое перекрестие. Когда оно замрет на месте — число оборотов маховика в точности равно числу вспышек ламы.

Я думаю, вы без труда догадаетесь, почему полоски бумаги кажутся неподвижными. Просто лампа освещает их после каждого оборота все время в одном и том же положении. Даже небольшое расхождение числа оборотов маховика и числа вспышек лампы будет вами замечено: перекрестие станет вращаться в ту или иную сторону.

Прибор назван стробоскопом. Он применяется не только для подсчета числа оборотов валов машин и подгонки их до нужной величины.

Возьмем такого врага современных машин как вибрацию. Она наносит нередко чувствительные и неожиданные удары по деталям и механизмам, казавшимся предельно прочными. Вибрация изнашивает машину, «утомляет» металл, она — враг, и с нею приходится непрерывно бороться.

Чтобы эта борьба была успешной, нужно точно знать, с какой частотой колеблются, вибрируют различные детали. Плазма позволяет это узнать без ошибки.

На деталь наклеивают полоску бумаги или прочерчивают на ее поверхности белую линию. Рядом устанавливают неоновую лампу и генератор прерывистого тока. Заработала машина — включают стробоскоп. Легкое поворачивание ручки числа вспышек — и на шкале прибора можно увидеть, с какой частотой «дрожит» данная деталь.

Стробоскоп можно успешно применять для настройки струнных музыкальных инструментов. Каждая струна гитары, виолончели, рояля должна иметь свой, строго определенный голос. Этот «голос» определяется частотой колебаний струны. Заставьте неоновую лампу вспыхивать с этой частотой и приблизьте ее к струне. Меняя натяжение струны, добейтесь такого положения, чтобы звучащая струна казалась вам неподвижной. Это значит, что она вибрирует с заданной частотой. Установить эту частоту помог наш плазменный «камертон».

В этом рассказе пойдет речь о прожекторе и киноаппарате — о наших старых знакомых. Действительно, любой из читателей видел прожектор на стройке, в порту, на площадях городов перед салютом в дни праздников. А о кино и говорить нечего: его смотрят все — и маленькие и взрослые.

Но причем тут плазма? — может возникнуть вопрос.

Оказывается, не было бы плазмы, не было бы таких «дальнобойных» прожекторов и не появились бы такие киноаппараты, которые встречаются сейчас в любом большом кинотеатре.

И в прожекторе и в киноаппарате плазма — главное действующее лицо.

Подойдем к прожектору и посмотрим, как он работает.

В огромной стальной лире закреплен большой кожух — котел. Лира может поворачиваться вокруг своей оси, а кожух — наклоняться вниз и «глядеть» вверх. Благодаря этому прожектор может светить в любом направлении.

Внутри железного кожуха помещена самая большая деталь прожектора — отражатель. Это вогнутое зеркало из металла или из жаропрочного стекла. В фокусе отражателя бушует пламя электрической дуги. Простые и надежные автоматы зорко следят за тем, чтобы дуга не погасла, они сближают угольные электроды по мере их сгорания. Другие автоматические руки в любое время готовы прийти в действие, если плазма окажется не в фокусе установки.

Знаете ли вы, с какой яркостью светится каждый квадратный сантиметр Солнца? В 169 000 свечей! А прожекторный отражатель? У обычных прожекторов — до 15 000 свечей, а у самых мощных — до 78 000 свечей с каждого квадратного сантиметра. Это всего лишь в два с небольшим раза меньше, чем у Солнца. Прожектор начинает состязаться с громадным светилом!

Между прочим, электродуговой прожектор на полтора десятилетия «старше» «свечи Яблочкова» — первой электрической лампы. Если триумф «русского Солнца» начался в 1876 году — после Всемирной выставки физических приборов в Лондоне, то первый дуговой фонарь появился в 1849 году. Он вспыхнул в Петербурге на вышке Адмиралтейства, осветив начало двух проспектов — Невского и Вознесенского — и Гороховской улицы. Однако этот «фонарь» не был еще прожектором — он не имел отражателя. Лишь через десятилетие уже в Англии применили дугу в прожекторах маяков. А позднее прожекторы прочно обосновались в армиях большинства европейских стран и дожили до наших дней.

Трудно только перечислить все применения прожекторов, внутри которых бушует плазма дуги. Они указывают путь самолетам и кораблям, освещают посадочные площадки на аэродромах, превращают ночь в день на стройках гидроузлов и заводов, используются при киносъемках. А какое море света вспыхнуло над Москвой в День Победы, когда тысячи огненных лучей прожекторов метнулись в небо и словно приподняли его. Астрономы утверждают, что если бы в это время на Луне был человек, он невооруженным взглядом заметил бы блеск прожекторных зеркал! А ведь заставила их блестеть электрическая дуга, плазма.

А сейчас совершим экскурсию в кинотеатр, зайдем в аппаратную.

Здесь на прочных фундаментах, исключающих какую-либо вибрацию, установлены кинопроекционные аппараты. Солидно поблескивают они хромированными деталями. Но эти аппараты мертвы и бесполезны, если в них не горит электрическая дуга. Как только между двумя угольными электродами возникнет плазма, мощный поток света рванется через систему стекол и линз, просветит кадры движущейся пленки. На экране появятся живые изображения. Есть в аппарате и обычная небольшая лампочка накаливания. Часть ее света попадает на звуковую дорожку, встречается с фотоэлементом и «заставляет» людей на экране петь и разговаривать.

Известно, что дуга, питаемая постоянным током, горит ровнее, устойчивее. Для кино это очень важно: на экране должно быть хорошее, яркое изображение, а мерцающий источник света создать его не сможет. Поэтому дуговые электропроекторы питаются выпрямленным, постоянным током. Это, правда, немного усложняет схему и заставляет киномехаников следить за электродами, которые сгорают с разной скоростью, но зато цель оказывается достигнутой.

И все же дуговые источники света в кинопроекторах заставляли ученых думать об их замене. Соседство открытого пламени дуги и кинопленки, которая способна загораться, не очень удобно. Да и изготовление большого числа специальных угольных электродов, снабжение ими кинотеатров тоже доставляет немало хлопот.

Нельзя ли дугу запрятать в стеклянный футляр, иными словами, дугу заменить газоразрядной лампой? Оказалось, можно, и сделать это удалось на Московском электроламповом заводе.

Проекционная газоразрядная лампа — это небольшой баллон из кварцевого стекла с двумя электродами, внутрь которого накачан инертный газ ксенон при давлении в несколько атмосфер. С электрической цепью электроды соединяются при помощи специальных вводов — трубочек из фольги, впаянных в кварц. Поставив такую лампу, киномеханики уже не заботятся о пополнении запасов электродов, не опасаются возникновения пожара, не следят за работой дуговых автоматов. Поворот выключателя — и лампа посылает на экран мощный поток света, который по спектру почти не отличается от солнечного.

Первая ксеноновая проекционная лампа испытывалась несколько лет назад в московском кинотеатре «Стрела». Потом такие лампы вспыхнули в других кинотеатрах столицы и многих городов нашей страны. Для кинозалов на 1200 мест была создана ксеноновая лампа мощностью в три киловатта, что в три раза больше мощности первых ламп.

Следует отметить, что в создании газоразрядных проекционных ламп наша страна идет впереди других стран. Так, трехкиловаттная лампа у нас была освоена раньше, чем, например, в ФРГ — стране с высокоразвитой электропромышленностью.

Кто бывал в Москве на Выставке достижений народного хозяйства, тот, очевидно, посетил кинотеатр-кругораму. В нем зрители располагаются в центре небольшого зала, а экран находится вокруг них. Изображение на таком необычном экране создается несколькими кинопроекторами, расположенными по окружности. В кругораме, созданной в СССР, были применены ксеноновые проекционные лампы, позволившие получить на экране очень хорошее изображение. В американской же кругораме, которая демонстрировалась на выставке в Москве, экран освещался лампами накаливания, спектр которых значительно хуже спектра ксеноновых ламп.

Сейчас советские специалисты штурмуют новый рубеж в этой области. Они уже создали кинопроекционную ксеноновую лампу мощностью в пять киловатт и намерены эту цифру удвоить. Такие мощные лампы нужны, например, в панорамных кинотеатрах, имеющих большие экраны. Лампа, о которой здесь идет речь… разборная. Таких ламп еще не создавали ни в одной стране.

Основная трудность, с которой встретились при создании мощных проекционных ламп, — это необходимость охлаждения электродов, иначе кварцевое стекло перегревалось и лампа выходила из строя. В разборной лампе удалось применить пустотелые электроды, внутри которых при работе лампы циркулирует вода. Она-то и охлаждает электроды, не дает лампе перегреться. Конечно, и в такой лампе разряд происходит в ксеноне; им наполняют лампу после того, как ее соберут и откачают из нее воздух.

Применение ксеноновых ламп в кино не только облегчило работу киномехаников, но и намного улучшило качество изображения на экране.

Свет этих ламп очень похож на солнечный, а это очень важно для получения на экране естественного, неискаженного изображения, особенно при демонстрации цветных фильмов. Такое выгодное излучение получается потому, что жгутик плазмы, возникающий при дуговом разряде, имеет температуру восемь-девять тысяч градусов. Наконец, нельзя не отметить еще одно преимущество ксеноновых проекционных ламп: они при том же потреблении энергии отдают света значительно больше, чем угольные дуги.

Мы сейчас говорили о применении ксеноновых ламп в больших кинотеатрах. А как же обстоят дела в маленьких? Там можно обойтись и без плазмы.

В небольших кинотеатрах экран невелик и висит он не очень далеко от проектора. В таких проекторах, например, в узкопленочных, электрическую дугу, опасную в пожарном отношении, зажигать нет необходимости. Здесь неплохо справляется лампа накаливания, правда, более яркая, чем та, которую мы зажигаем у себя дома.

Нашей стране нужны целые реки электроэнергии. Ежедневно вступают в строй новые промышленные предприятия, сдаются в эксплуатацию школы, больницы, кинотеатры, заселяются тысячи квартир жилых домов. И всюду, где появляются люди, сразу же начинается расходование электричества, которое всем так же необходимо, как и вода, пища, одежда.

Люди, занимающиеся тяжелой атлетикой, знают, что, если каждый день увеличивать поднимаемый вес, очень скоро наступит время, когда штанга перестанет покоряться и вес взят не будет. В энергетике происходит то же самое: нагрузка электростанций изо дня в день растет и это ложится новым грузом на плечи электрических генераторов.

У нас строится много новых электростанций, больше, чем в любом другом государстве. И все же электроэнергию приходится экономить, бороться за то, чтобы она впустую не расходовалась.

«Уходя, гасите свет» — этот призыв к экономии драгоценных, нужных народному хозяйству киловатт-часов видите вы всюду — в школе, в подъездах домов, на стенах в учреждениях.

Но люди, постигшие тайны плазмы, могут экономить и экономят электричество и другим способом. Речь идет об ученых-светотехниках, создающих плазменные источники освещения.

По какому признаку судят светотехники о выгодности, экономичности той или иной лампы? По световой отдаче или, иными словами, по величине потока света, рождаемого каждым ваттом электроэнергии, «съеденной» лампой.

Возьмем хорошо нам знакомую лампу накаливания в 40 ватт. Какова ее светоотдача? Десять люменов на ватт. Долгое время считалось это вполне приличной светоотдачей. Ведь это почти в пятьдесят раз больше, чем светоотдача керосиновой лампы!

Но вот специалисты стали измерять светоотдачу огненного жгутика дуги и обнаружили: плазма при том же «питании» рождает света больше, чем лампа накаливания. Она выгоднее! Лучше всего с этой стороны зарекомендовал себя разряд в парах ртути. Выгода была столь неоспоримой, что еще в 1937 году ртутными лампами попробовали осветить улицу Горького в Москве. И все же новые светильники вскоре пришлось снять: они горели зеленоватым светом, делали лица людей мертвенно-бледными, неестественными. Погнавшись за выгодой, светотехники не учли того, как «дешевый» свет будет восприниматься глазом, каким он обладает спектром, какими лучами он беден и какими богат.

Прошли годы, и дуговые ртутные лампы, или лампы ДРЛ, стали снова выпускаться промышленностью и освещать улицы наших городов. Исправить их «характер» помогли люминофоры, причем такие, которые «перерабатывают» часть световой энергии лампы в желтый и красный свет, то есть в те лучи, которыми беден спектр лампы. Происходит это так же, как и в газосветных трубках. Правда в ДРЛ основная масса лучей дуги вырывается из колбы без изменений, лишь часть их ударяется в люминофор и «перерабатывается» в желтый и красный свет.

И, хотя при этом неизбежны некоторые потери энергии, дуговая ртутная лампа отдает света почти в пять раз больше, чем лампа накаливания.

Таким образом, там, где приходилось устанавливать пять ламп накаливания, сейчас достаточно установить одну ДРЛ, и освещенность будет той же. Это позволяет экономить огромное количество электроэнергии!

В наши дни выпускается множество разных типов ртутных ламп. Они нашли себе место в проекционных аппаратах, в кинотехнике, вместо незащищенной дуги, способной привести к пожару, а также в целом ряде производств, где нужны особенно яркие источники света.

Здесь я расскажу только о так называемых лампах СВД — ртутных лампах сверхвысокого давления.

Вы, наверно, знаете, как устроен обыкновенный термос. Это стеклянная удлиненная банка с двойными стенками. Воздуха между стенками нет, он выкачан. Благодаря этому кофе, налитый в термос, долго остается горячим, двойные стенки неохотно пропускают тепло.

В лампе СВД — тоже двойные стенки. Для чего? Чтобы отгородиться от окружающего воздуха, температура которого, как у больного лихорадкой, прыгает то вверх, то вниз. А это нежелательно для паров ртути, давление их очень чувствительно к температуре стенок лампы.

На рисунке показан разрез мощной лампы СВД. В центре ее помещена толстостенная трубочка — капилляр из тугоплавкого кварцевого стекла. В трубочке — газ аргон и капля ртути. Когда на вольфрамовые электроды подается высокое напряжение, между электродами вспыхивает разряд. Пока это только разряд в аргоне. Плазма аргона для освещения не нужна, она, по существу, является «печкой», которая, нагревая всю трубочку, заставляет ртуть испаряться. Когда в трубочке ртуть превратится в пар, в ней вспыхивает дуговой разряд. При этом давление внутри разрядной трубки в мощных лампах СВД может достигать сотни атмосфер, а температура — нескольких тысяч градусов. Чтобы лампа не расплавилась, излишнее тепло отводится проточной водой, которая поступает по шлангу в стеклянную рубашку и омывает лампу.

Лампы СВД сравнительно небольшой мощности обходятся без водяного охлаждения.

Возможно, у вас возник вопрос: стоило ли «городить огород» из водяных рубашек, шлангов, применять особо прочное и тугоплавкое стекло? Не проще ли сделать так, чтобы давление в разрядной трубочке не поднималось до сотни атмосфер? Вопрос существенный и требует обстоятельного ответа.

Плазма дугового разряда обладает таким свойством: она тем ярче светится, тем больше отдает лучей, чем выше ее температура. А температура плазмы зависит от плотности тока. Поэтому, если мы хотим извлечь из плазмы побольше света, нужно сделать так, чтобы плазма не расползалась по трубочке, а концентрировалась в тонкий жгут. Тогда плотность тока внутри плазменного жгута будет большой и светоотдача максимальной.

Высокое давление паров ртути и обеспечивает концентрацию массы плазмы в виде тонкого жгута. С точки зрения физики объяснить это нетрудно. При высоком давлении в разрядной трубке находится много молекул газа или паров. Этим молекулам тесно, поэтому разряд, возникнув, не охватывает всего объема газа, а развивается на одной «проторенной дорожке», то есть внутри шнура. Электроны в такой сутолоке разогнаться сильно не могут, и ионизация в основном происходит не за счет их ударов, а благодаря высокой температуре плазмы.

Таким образом, давление в разрядной трубке лампы СВД таким большим сделано специально. Именно оно и увеличивает яркость свечения плазмы.

В последние годы лампы СВД, предназначенные для освещения, стали наполнять одними инертными газами без паров ртути. Давление газа десять — пятнадцать атмосфер. Хотя эти лампы имели меньшую светоотдачу, нежели ртутные, но «качество» света получалось очень высоким. Если лампу СВД наполняли аргоном, ее свет имел слегка синеватый оттенок, если ксеноном — золотистый, когда же брали смесь неона с ксеноном, то лампа излучала розоватый свет.

Ксеноновые лампы, применяемые в кинотехнике, — это тоже лампы СВД. Их конструкция, как вы очевидно заметили, несколько отличается от конструкции ртутных ламп сверхвысокого давления: в проекционных лампах мощностью до трех киловатт охлаждение воздушное, а в пятикиловаттной разборной охлаждаются водой только электроды. Однако физические процессы в плазме и в тех и в других лампах одинаковы. Разряд в инертном газе при давлении в десятки атмосфер рождает много света, и свет этот почти не отличается от солнечного.

Теперь уточним, какой из плазменных источников света наиболее экономичен. Дуговая ртутная лампа? Или, может быть, дуговая лампа СВД, наполненная инертными газами? Нет ли какой-либо другой лампы, которая на каждый ватт, взятый из электрической сети, отдавала бы световых лучей больше других?

Оказывается, есть. Это натриевая лампа. Внешне эта лампа ничем не выделяется. Она имеет такой же ввинчивающийся цоколь, что и лампа накаливания. В удлиненном стеклянном баллоне с двойными стенками укреплена тоненькая трубочка. Она изогнута наподобие латинской буквы «U». В этой трубочке и возникает яркая светящаяся плазма — вначале в неоне или гелии, а потом, когда трубка прогреется и натрий испарится, — в парах натрия.

Дуговой разряд натриевой лампы излучает яркий желтый свет. Если измерить это море лучей, то окажется, что на каждый ватт, потребленный лампой, их приходится почти в десять раз больше, чем у лампы накаливания, и в два раза больше, чем у дуговой ртутной лампы!

Правда, такую лампу в комнате устанавливать не следует: при ней невозможно будет различать цвета. Но экономичной натриевой лампе нашли место. Ее светом будут освещать загородные шоссе и магистрали.

Водители знают, сколько хлопот доставляет слепящий свет фар встречных машин. Если вдоль всей автострады установить натриевые лампы, то тогда можно будет ездить с незажженными фарами. Испытания показали, что однотонное желтое освещение очень удобно: благодаря резким теням шофер различает предметы на дороге отчетливее, чем при пользовании обычным электрическим светом.

Московский электроламповый завод начал серийный выпуск натриевых ламп с 1960 года.

Таким образом, фронт наступления плазмы на позиции лампы накаливания расширяется с каждым годом. Восемь десятков лет безраздельной власти привычного всем источника света кончились. Лампе накаливания приходится тесниться, уступать место свету плазмы на улицах и площадях городов, на аэродромах, в портах и на автострадах. А в домах? Неужели там, где мы проводим большую часть своего времени, для плазмы не нашлось места? Ответ на этот вопрос вы найдете, перевернув еще одну страницу этой книги.

В магазине, над входом которого плазменной «кистью» сделана надпись «Электрические товары», всегда много покупателей. На полках — всякая всячина: провода, выключатели, розетки, батареи для фонарей и приемников, электрические утюги, вентиляторы и пылесосы. Много там также разных электрических ламп — от самых маленьких, величиной в полнаперстка, до самых больших, которые нужно брать обеими руками. Товары быстро переходят от продавцов к покупателям, и рабочим магазина приходится то и дело приносить откуда-то увесистые ящики, доверху наполненные новыми богатствами.

В последние годы в таких магазинах все чаще и чаще можно услышать вопрос, с которым покупатели обращаются к продавцам:

— Лампы дневного света есть? Покажите, пожалуйста.

Продавец ставит на прилавок настольную лампу дневного света. Даже внешне эта лампа отличается от обычной: отражатель у нее не сферический, а удлиненный и под ним вместо баллона лампы длинная белая трубка. Когда же лампу включишь… впрочем, пока не буду об этом говорить, а расскажу вначале, какие недостатки дешевой и удобной лампы накаливания заставляют покупателей отказываться от нее и платить в несколько раз больше за лампу дневного света.

Об одном «узком» месте лампы накаливания мы уже говорили. Это малая светоотдача, а значит, и малая экономичность. Из всей электроэнергии, затрачиваемой на разогрев спирали лампы, лишь 2–2,5 процента превращается в свет. Остальные 98 процентов пропадают напрасно, они тратятся на нагревание воздуха и на невидимое ультрафиолетовое излучение.

Таким образом, с точки зрения к. п. д. лампа накаливания — далеко не совершенный прибор.

Есть у нее еще один существенный недостаток.

Задумывались ли вы, почему картина художника, ткани и различные предметы при обычном электрическом освещении выглядят иначе, чем днем? Красные, оранжевые и желтые цвета становятся заметнее, ярче, а синие тона бледнеют. Ответить на этот вопрос нетрудно, если заглянуть в спектральную «анкету» лампы накаливания. В этой «анкете» ясно сказано, что лампа накаливания щедро излучает красные, оранжевые и желтые лучи и очень скупится на синие.

А ведь это влечет за собой и более серьезные неприятности, чем неверное восприятие цветов картины художника. В текстильном или в химическом производстве ночью невозможно сортировать ткани или материалы по цвету. Врач-хирург, обнаруживший во время операции опухоль, не может по цвету определить ее характер. Да мало ли где может подвести такой искаженный свет!

Инженеры-светотехники пробовали исправлять «продукцию» лампы накаливания. Они, например, делали колбу из подсиненного стекла, которое задерживало излишек красных лучей и свободно пропускало синие. Но эта «победа» стоила иного поражения: лампы освещали хуже и приходилось тратить лишние киловатт-часы электроэнергии для питания дополнительных ламп.

Выйти из тупика снова помогла плазма. Но помогла особенным образом.

Ученые не стали ломать голову над тем, чтобы заставить плазму излучать свет, похожий на солнечный. Они взяли за основу экономичность и остановили свой выбор на электрическом разряде в парах ртути. Сам по себе этот разряд далек от совершенства — вспомните хотя бы попытку осветить улицу Горького дуговыми ртутными лампами! — но плазма этого разряда рождала другое сырье, без которого проблему дневного света решить нельзя. Когда в разрядной трубке давление паров ртути достигает лишь нескольких миллиметров, большую часть излучения такого разряда составляют ультрафиолетовые лучи. Они и являются тем «сырьем», без которого лампа работать не может.

В стеклянной трубке лампы дневного света плазма непрерывно рождает ультрафиолетовые лучи. Но лучи эти не вырываются из лампы. Они ударяются в пленку белого вещества-люминофора, покрывающего тонким слоем внутреннюю поверхность трубки. А дальше все происходит, как в дуговой ртутной лампе, освещающей в наши дни многие улицы и площади городов.

Только в лампе дневного света люминофор имеет более сложный состав. Он не ограничивается излучением красных и желтых лучей, как в дуговой ртутной лампе, а излучает все лучи — от красного до фиолетового, — которые в смеси дают свет, очень похожий на дневной.

На первый взгляд все это кажется простым. Но это только кажется. Лампа дневного света — прибор, создать который стало возможным только при современной технике. Возьмем хотя бы люминофор. Эти мельчайшие крупинки в один — три микрона в диаметре включают в себя соединения магния, вольфрама, кальция, серы и других элементов. Для приготовления его используются вещества более чистые, чем для химического анализа. А как строги требования к излучению плазмы! Она должна иметь только определенный спектр. Сколько усилий приложили ученые, среди которых первым нужно назвать академика С. И. Вавилова, чтобы заставить люминофоры излучать рассеянный дневной свет!

Труд ученых не пропал даром. Сейчас каждый вечер зажигаются лампы дневного света всюду — в квартирах, читальных залах, школах, больницах, картинных галереях. Пришли они в цеха заводов и в угольные шахты, успешно применяются и для освещения улиц.

Видя эти светящиеся трубки, помогающие нам продлить день, мы теперь знаем, что внутри них неутомимо трудится вещество в четвертом состоянии — плазма.

Эта лампа зажглась в дни исторического XXII съезда нашей партии, принявшего новую Программу КПСС — программу построения коммунизма в нашей стране. Эта лампа заняла свое место под куполом павильона «Машиностроение» на Выставке достижений народного хозяйства.

«Сириус» была создана на Московском электроламповом заводе под руководством И. С. Маршака, известного специалиста по плазменным источникам света. Название свое лампа получила по имени самой яркой звезды в звездном небе.

Вначале приведу несколько цифр, которые дали бы возможность уяснить технические показатели этой лампы.

Гигант светотехники — «Сириус» — имеет мощность 300 киловатт. Лампа создает такой мощный поток света, что может расплавить алюминиевый лист, если его поднести к лампе сантиметров на двадцать. Если вы захотите свет «Сириуса» заменить светом обыкновенных 50-ваттных ламп накаливания, то таких ламп нужно включить 25 тысяч штук, при этом они будут потреблять не 300, а 1250 киловатт электрической мощности. Следовательно, плазменная лампа «Сириус» в четыре раза экономичнее ламп накаливания.

Как устроена и как работает эта удивительная лампа?

Если вы не сумеете побывать на ВДНХ, то представление о лампе вы можете получить из рисунка.

Три разрядные кварцевые трубки длиной около метра каждая в виде веера подвешены в специальной арматуре. К торцам трубок, к их электродам, подходят толстые провода. По ним во время работы лампы течет ток в несколько сот ампер. Трубки наполнены ксеноном. Каждая из трех трубок потребляет мощность в 100 киловатт — это очень большая мощность, способная погубить трубки, если их не охладить.

«Сириус» охлаждается водой, причем, чтобы не получался непрозрачный налет на стенках, воду берут дистиллированную. Стенки разрядных трубок сделаны двойными, и вода, проходя между этими стенками, отводит излишнее тепло. Если циркуляция воды прекратится, автоматическое устройство выключит лампу.

Эта мощная лампа питается от сети трехфазного переменного тока напряжением всего 380 вольт. Естественно, такого напряжения недостаточно для того, чтобы зажечь разряд в трубках. Для зажигания разряда было сконструировано специальное пусковое устройство, уникальное по своей схеме. Высоковольтный трансформатор этого устройства создает напряжение в 20 тысяч вольт. Оно подается в виде отдельных импульсов на специальный поджигающий электрод, расположенный вблизи разрядной трубки. Соседство разрядной трубки и поджигающего электрода для ксенона, запертого в трубке, не остается без последствий: ксенон сильно ионизируется. Все это происходит в течение одной секунды, а затем пусковое устройство автоматически отключается, а на электроды трубки подается нормальное напряжение сети. Лампа вспыхивает ярким светом, рожденным жгутом плазмы. В центре этого жгута температура достигает восьми тысяч градусов — больше, чем на поверхности Солнца!

Одно из достоинств «Сириуса» — это высокая экономичность лампы. Есть у этой лампы и другой плюс: качество света. Спектр «Сириуса» очень похож на солнечный, поэтому можно вполне назвать эту лампу искусственным солнцем. При свете ее лучей мы видим предметы такими, какими они нам кажутся при естественном освещении.

Специалисты светотехники восхищаются «Сириусом» не только потому, что эта лампа имеет огромную мощность. Другая ее замечательная особенность состоит в том, что в сеть лампа включается напрямую, без балластного сопротивления.

Раньше считалось, что последовательно с любой газоразрядной лампой нужно включать катушку индуктивности, намотанную на железном сердечнике. Эта катушка и является балластом. Для чего он нужен?

Ответ на этот вопрос один — чтобы не дать погибнуть трубке.

С началом разряда в любой трубке ток растет лавинообразно. Электроды, принимая все большее и большее число зарядов, разогреваются, а от них разогревается стекло, и может наступить момент, когда трубка выйдет из строя. Катушка индуктивности, через которую проходит весь ток, играет роль регулировщика: она не дает току увеличиться до недопустимых пределов. С ростом тока на ней падает большая часть сетевого напряжения, а на самой лампе соответственно напряжение уменьшается. Это и ограничивает ток через разрядную трубку.

Вы узнали о различных газоразрядных лампах: о лампах дневного света, лампах ДРЛ, СВД и других. Все они могут нормально работать только с балластом. Даже крохотные сигнальные люминесцентные лампы включаются в сеть с балластным сопротивлением, пусть маломощным. Но любое балластное сопротивление, большое оно или маленькое, потребляет энергию, расходует драгоценные ватты мощности, которые светотехники с удовольствием превратили бы в свет. Хотели бы, да не могут, потому что без балласта наступает гибель лампы.

Всегда ли? Этот вопрос решил проверить сотрудник лаборатории Московского электролампового завода, лауреат Государственной премии И. С. Маршак.

Ученый изучал поведение плазмы при пропускании импульсов тока через ксенон, заключенный в тоненькие подковообразные трубочки. Плазма в этих трубочках вспыхивала на мгновение и сразу же гасла. Ток в ней существовал доли секунды. И. С. Маршак стал все больше и больше увеличивать импульсы этого тока. К своему удивлению, он обнаружил, что, достигнув какого-то предела, ток через трубку больше не хотел увеличиваться. В чем дело? Почему лавина зарядов больше не меняется?

Оказалось, весь секрет заключался в самой плазме. Вы, очевидно, помните, что при возникновении плазмы в трубке появляется большое количество положительно заряженных ионов. Они-то и не дают увеличиваться лавине электронов.

Несмотря на то что в трубке еще имеется огромное число нейтральных атомов, движущиеся к аноду электроны чаще сталкиваются с плюс-ионами, чем с нейтральными атомами. Почему? Потому, что электрон и положительный ион имеют противоположные заряды и между ними существуют силы взаимного притяжения. Положительные ионы как бы заслоняют собой нейтральные атомы и не дают электронам с ними сталкиваться.

Такой режим разряда ученые назвали квазистационарным, то есть как бы стационарным; при нем протекание тока через трубку похоже на ток по обыкновенному металлическому проводнику.

Почему же такой режим не наблюдался в других случаях? Может быть, не стоило для укрощения тока через трубку ставить балластное сопротивление? Нет, это не так.

Плазма очень капризна, и квазистационарный режим в ней возникает при определенных условиях. Эти условия зависят и от газа, наполняющего трубку, и от размеров трубки, и от целого ряда других причин. Получив такой режим при импульсных, прерывистых разрядах, И. С. Маршак с сотрудниками еще немало потрудился над тем, чтобы добиться того же при постоянном протекании тока через трубку. Сделать это удалось после того, как была разработана теория квазистационарного разряда.

Многолетняя работа, в течение которой были проведены сотни опытов и сделан целый ряд теоретических изысканий, не пропала даром: в заводской лаборатории была изготовлена первая в мире газоразрядная лампа, которая могла работать без балласта, при прямом включении в сеть. Ее рассчитывали примерно так же, как рассчитывают спираль лампы накаливания, — ведь плазма в квазистационарном режиме подчиняется закону Ома!

Первые испытания — они проводились в 1959 году — прошли успешно. А в следующем году двадцатикиловаттная безбалластная ксеноновая лампа зажглась на Советской площади по соседству с Моссоветом. Позднее ксеноновые солнца вспыхнули в парке Сокольники, на Комсомольской площади, на Выставке новой строительной техники, перед Дворцом съездов. Это были предшественники «Сириуса» — лампы, равной которой нет в мире.

Триумфальное шествие новых ламп только начинается. Недалеко то время, когда ксеноновые безбалластные лампы станут освещать целые железнодорожные узлы, огромные строительные площадки, открытые разработки месторождений и даже теплицы в северных широтах. Их успешно можно применять для освещения городов. Поднятые на высоту, эти лампы заменят солнце и преобразят архитектуру города. Бесчисленные опоры для уличных фонарей окажутся ненужными — весь город будет освещаться одной или несколькими ксеноновыми лампами.

Мечта? Да, но вполне реальная. Создатель «Сириуса» И. С. Маршак говорит, что уже сейчас можно сделать лампу мощностью в пятьсот киловатт. А такой лампы, если ее установить на высокой башне или поднять на аэростате, вполне достаточно, чтобы осветить небольшой город.

…Геологи вернулись из экспедиции. Привезли с собой много деревянных ящичков. В них — образцы пород, с которыми встретились неутомимые разведчики недр. Какие богатства заключены в этих образцах, геологи знают, но знают примерно, не точно. Только лабораторный анализ может дать ответ, сколько и какие именно элементы притаились в этих невзрачных на вид камнях, глине, песке.

Когда химики, поколдовав вдоволь над пробирками, ретортами, весами, определят составы исследуемых пород, работу законченной считать нельзя. Без ответа остался вопрос: нет ли в образцах других элементов, которых не заметили химики?

— Подвергнуть спектральному анализу! — следует распоряжение, и после его выполнения последний неясный вопрос получает ответ.

…Металлурги выполнили важный и сложный заказ. В небольшой электрической печи они приготовили металл, совершенно лишенный примесей. Он нужен для изготовления полупроводниковых элементов.

Как проверить, что цель достигнута и металл получился таким, какой нужен заводу-заказчику? Произвести химический анализ? Да. Но этого недостаточно.

— Подвергнуть спектральному анализу! — принимается решение, и металл отправляется дальше по трудной дороге испытаний.

…На электроламповом заводе изготовили лампу-чудесницу. Расчеты показывают, что эта лампа — новый шаг в светотехнике. Но так ли это в действительности? Решать этот вопрос на глаз — дело ненадежное. Выход только один: провести исследование спектра! Если и этот барьер лампа преодолеет успешно, дорога в жизнь ей обеспечена.

Подобных примеров, которые подтверждали бы могущество спектрального анализа, можно привести немало. Сейчас помощь плазменных спектров увеличилась еще больше. И дело с ними имеют не только ученые-физики, но и инженеры, техники, лаборанты на сотнях самых различных предприятий.

Посмотрим, как спектральный анализ помог ответить на эти неясные вопросы.

Чтобы вещество, в том числе образец горной породы, подало свой световой «голос», его нужно превратить в плазму. Как это сделать? Можно, например, поместить несколько крупинок этого вещества в жаркое пламя электрической дуги. И эффект получится такой же, как некогда у Бунзена с Кирхгофом, помещавших исследуемые вещества в пламя газовой горелки. Лучи плазмы, пройдя через сложную систему линз и призм, начертят на матовом экране «фотопортрет» — спектр. Опытный глаз исследователя различит на этом «портрете» цветные линии и полосы, которые принадлежат газу, где протекает разряд, а также линии электродов, между которыми зажжена дуга. Исследователь обнаружит и ту «добавку», которую создало изучаемое вещество. Именно эта «добавка» и представляет интерес.

Если изучается материал, являющийся хорошим проводником, то можно поступить проще: сделать из него электроды и зажечь между ними дуговой разряд. Молекулы раскаленного электрода обязательно попадут в плазму и дадут свои линии в спектре. И если в металле-электроде есть хотя бы ничтожная доля посторонних примесей, они тотчас просигналят о своем присутствии.

Там, где отступают самые точные методы химического анализа, спектроскоп выходит победителем. Он обнаруживает примеси веществ даже тогда, когда их ничтожно мало — миллиардные доли грамма!

А теперь поприсутствуем на спектральных испытаниях ламп и светящихся трубок.

В любой современной лаборатории есть немало приборов, которые занимаются расшифровкой световых лучей. Вот, например, прибор, названный составным словом: «спектрофотометр». Он позволяет не только рассмотреть, какие лучи испускает плазма, но и измерить, с какой силой светит каждый из них.

На рисунке показан внешний вид этого прибора: по сути дела в спектрофотометре совмещены два спектроскопа. Один из них создает цветные линии от испытуемой газосветной трубки или лампы, другой — от эталона — стандартного источника света, с которым сравнивается наш источник света. Лучи попадают в прибор слева — через две щели в пластинке «а», прикрывающей вход в спектрофотометр. Наблюдают спектр через окуляр «в».

В лаборатории есть целый набор стандартных ламп. Их называют спектральными. Когда их подключают к электрической сети, то заключенные внутри них газы или пары металлов начинают светиться. Чаще всего наполнителями служат инертные газы или хорошо очищенные металлы — натрий, цинк, ртуть, кадмий и др.

Лучи света от спектральной лампы и от исследуемого источника идут через одни и те же стекла — линзы и стекла — призмы. Но эти стекла так устроены и так размещены внутри прибора, что световые сигналы не смешиваются: в окуляр спектрофотометра видны два спектра, расположенных один над другим.

Хорошему специалисту достаточно взглянуть в окуляр спектрофотометра, чтобы сразу оценить достоинства и недостатки испытуемой трубки. А это — прямой путь к доводке и совершенствованию источника света.

Приборы спектрального анализа помогли ученым и конструкторам ответить на тысячи «как» и «почему». Благодаря этим приборам удалось узнать, из чего состоят солнце, звезды, туманности. Они позволили разобраться в кажущемся хаосе микромира плазмы. Температура плазмы разных видов разряда, число заряженных и незаряженных частиц, число возбужденных атомов и молекул, излучающих свет, переход одних стадий разряда в другие — вот далеко не полный перечень вопросов и проблем, разрешенных с помощью спектрального анализа.

Спектры во времена Бунзена и Кирхгофа были только пробой веществ на их качественный состав. Усилия ученых превратили их в наше время в незаменимое средство точного количественного анализа.

Если среди вас есть фотолюбители, то они знают, как трудно получить хороший снимок в сумерках или при съемке в плохо освещенной комнате. Ночью снимать невозможно.

Долгое время фотографы-профессионалы пользовались магнием. Но это было неудобное средство освещения, требовавшее к тому же известного навыка.

А сейчас можно прийти в магазин, купить прибор с понятным для всех названием «фотовспышка» и фотографировать в любое время. Нажать на кнопку затвора фотоаппарата, яркая вспышка света — и снимок готов. Теперь уже не нужно заботиться о запасах магния: после сотни снимков достаточно вынуть старые батарейки от карманного фонаря, вставить новые — и все можно начинать сначала. А если снимать приходится в комнате, то и батарейки не нужны. Достаточно вставить штепсельную вилку прибора в обычную электрическую розетку, и «фотовспышка» начнет работать от сети.

Что можно назвать главным «действующим лицом» в этом небольшом приборе, позволяющем фотографировать в любое время суток и в любом месте, даже во взрывоопасных помещениях?

Вы наверное угадали? Плазму. Она на мгновение рождается в маленькой подковообразной трубочке, укрепленной в центре пристроенного к фотоаппарату рефлектора.

Как это происходит?

Чтобы плазма возникла, нужна энергия. Вы уже знаете, что для фотовспышки энергия берется от батарей или из электрической сети. Кроме того, есть и кладовая электрических зарядов — накопительный конденсатор. Емкость его изрядная — восемьсот микрофарад. Когда конденсатор зарядится до трехсот вольт — для этого нужно всего несколько секунд, — можно делать снимок.

Конденсатор подключен напрямую к подковообразной стеклянной трубочке, наполненной ксеноном. Это место рождения плазмы. Но пока мы не захотим, плазма в трубочке не возникает. Триста вольт — напряжение немалое, но «пробить» разрядный промежуток без посторонней помощи оно не может: малы электрические силы.

Эта «посторонняя помощь» приходит тогда, когда вы нажмете кнопку затвора фотоаппарата. В это мгновение специальное устройство — импульсный трансформатор — «выдаст» импульс высокого напряжения величиной около десяти киловольт на поджигающий электрод, смонтированный вблизи разрядной трубки-подковы. Поджигающий электрод своим электрическим полем ионизирует ксенон в трубке-подкове, и в ней вспыхивает яркий разряд. Накопительный конденсатор мгновенно опорожнит свои «кладовые» от зарядов. Плазма в импульсной лампе «живет» всего пятисотую долю секунды. Этого времени достаточно, чтобы фотопленка запечатлела все, что «увидит» объектив фотоаппарата.

Фотовспышка, превращающая на мгновение ночь в день, стала верным спутником не только фотографов-профессионалов, но и фотолюбителей. Ее сравнительно легко сделать самому, если есть импульсная лампа-подкова и накопительный конденсатор.

Способность плазмы быстро создавать яркий поток света нашла широкое применение в науке и технике.

Во многих физических лабораториях есть сложные приборы для наблюдения за полетом космических и других заряженных частиц. По имени изобретателя их называют камерами Вильсона. Камера заполняется парами воды. Когда в камеру влетает заряженная частица, она на своем пути ионизирует молекулы газа. На «родившихся» ионах собираются мельчайшие капельки тумана. Как лыжник, скатившийся с горы, оставляет за собой след, так и заряженная частица обнаруживается по хвосту из мельчайших капелек тумана. Ученые знают, что если в камеру Вильсона влетит электрон, то он оставит за собой очень тонкий след. За протоном — ядром атома водорода — хвост из частиц тумана будет потолще, за альфа-частицами — еще толще. Самые заметные следы оставляют осколки атомных ядер.

Каждая камера Вильсона снабжена автоматическим фотоаппаратом, который добросовестно фиксирует следы заряженных частиц. Но любой фотоаппарат слеп, если объект съемки не освещен. Как освещается внутренность камеры Вильсона?

В момент съемки в импульсной лампе проскакивает искра, которая на мгновение делает видимыми дорожки из паров воды, созданные заряженными частицами.

Многие знают, что для составления карт сейчас широко пользуются аэрофотосъемкой. Это — фотографирование местности с самолета. Лучше всего такую работу делать в яркий солнечный день. Но как же быть тем, кто работает в Заполярье, где ночь длится несколько месяцев? Сидеть и ждать у моря погоды? Нет! — говорит плазма. Она и здесь готова помочь.

Самолет, производящий съемку, снабжен мощными импульсными лампами. Летит такой самолет, и экипажу нет заботы о погоде или времени суток. Импульсные лампы не подведут, они то и дело посылают на землю мощные потоки света. Вспышка — кадр, вторая вспышка — новый кадр.

Можно еще долго рассказывать о применении плазменных источников света, заменяющих солнце на короткие промежутки времени. Одни из них помогают изучать движущиеся части машин и механизмов, другие служат для измерения расстояний на земной поверхности, третьи позволяют сфотографировать такие «неуловимые» моменты, как, например, попадание пули в цель.

Где бы ни применялась плазма — источник света, везде она проявляет себя с самой лучшей стороны.