Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Комментарий профессора Радиоля ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ

Теперь, дорогой Незнайкин, ты понял, как работает электронно-лучевая трубка, используемая как в телевизионных приемниках, так и в передатчиках. Электронный луч необходимо сфокусировать и заставить его отклоняться как по горизонтали, так и по вертикали, чтобы обеспечить просмотр строк и кадров. Но само собой разумеется, что в этих двух случаях пробегающий по строкам луч выполняет совершенно различные функции: если в приемниках он заставляет экран трубки светиться и при этом яркость каждого из элементов экрана пропорциональна интенсивности электронного луча, то в передающих трубках луч, пробегая по экрану, на который проецируется изображение, определяет изменения электрических сигналов в зависимости от яркости элементов передаваемого изображения.

К передающим телевизионным трубкам предъявляется ряд требований, обеспечить которые очень нелегко. Трубки должны обладать высокой чувствительностью к свету, чтобы можно было передавать слабо освещенные сцены, а также выдавать видеосигналы, строго пропорциональные широкой гамме яркостей; иначе говоря, их уровень насыщения должен быть как можно выше, и до его достижения кривая, характеризующая видеосигнал в зависимости от яркости просматриваемого элемента, должна быть как можно ближе к прямой. Кроме того, видеосигналы должны изменяться столь же быстро, как изменяется яркость последовательно просматриваемых элементов изображения. И если яркость какого-либо элемента изменяется, что нередко бывает при передаче подвижных изображений, то при следующей передаче этого элемента (что происходит всего лишь через 0,04 с) электрический сигнал должен соразмерно изменяться.

Как видишь, в требованиях, предъявляемых к передающей телевизионной трубке, недостатка нет. Ты догадываешься, что, кроме уже перечисленного, желательно, чтобы трубка не была слишком большой, чтобы она служила долго и при этом ее характеристики не изменялись, чтобы ею можно было легко пользоваться.

Посмотрим, как удается удовлетворить столько жестких условий.

Для преобразования яркости в электрические сигналы можно использовать вещества, обладающие фотоэмиссией или фотопроводимостью. Первые под воздействием света испускают электроны. У вторых же, когда на них падают световые лучи, снижается удельное электрическое сопротивление. К этой группе, в частности, относится селен, из которого делали самые первые фотоэлементы.

К веществам, обладающим фотоэмиссией, относятся прежде всего щелочные металлы, такие как литий, натрий, рубидий и цезий. Последний употребляется чаще других, потому что его чувствительность очень близка к спектральной чувствительности человеческого глаза: она идет от красного к фиолетовому и достигает максимума на участке зеленого, т. е. как раз посередине спектра видимого света.

Вещества, обладающие фотоэмиссией, часто называют фотокатодными веществами. В самом деле, под воздействием световых лучей они эмиттируют электроны, количество которых пропорционально интенсивности света.

Мишень, на которую объектив проецирует передаваемое изображение, должна быть покрыта мозаикой, состоящей из нескольких миллионов фотоэмиттирующих ячеек. Таким образом, каждый элемент изображения покрывает несколько ячеек.

Ты, конечно, спрашиваешь себя, как удается сделать подобную мозаику. Для этого на очень тонкую пластинку слюды напыляют крошечные капельки серебра. Затем поверх их осаждают пары цезия. Этот металл очень тонким слоем покрывает каждую капельку серебра. Так формируются эти микроскопические фотоэмиттирующие ячейки, хорошо изолированные друг от друга (рис. 193). На другую сторону пластинки наносят сплошной слой серебра.

Как ты, несомненно, догадываешься, каждая фотоэмиттирующая ячейка образует с этим слоем серебра своеобразный микрокондснсатор. А теперь посмотрим, как такая фотоэмиттирующая мишень может использоваться в передающей телевизионной трубке.

Рис. 193. Конструкция фотоэмиттирующей мишени.

Самая первая электронная передающая телевизионная трубка, известная под названием иконоскопа, была изобретена в 1931 г. русским исследователем Владимиром Зворыкиным. Он был ассистентом Бориса Розинга, который в 1907 г. в своей лаборатории первым использовал электронно-лучевую трубку для приема изображений. Фотоэмиттирующая мишень размещалась в глубине задней части вакуумной колбы, имеющей довольно своеобразную форму. Через плоскую стенку расположенный вне колбы объектив проецирует передаваемое изображение на фотоэмиттирующую мозаику. Каждая ячейка мозаики в зависимости от интенсивности освещающих ее световых лучей испускает большее или меньшее количество электронов. Вылетающие электроны притягиваются анодом-коллектором, представляющим собой осажденный металлический слой, покрывающий боковые стенки колбы; положительный потенциал этого анода притягивает элементарные отрицательные заряды — электроны (рис. 194).

Рис. 194. Передающая телевизионная трубка — иконоскоп, созданная в 1931 г. Владимиром Зворыкиным

Из сказанного ты легко поймешь, что каждая фотоэмиттирующая ячейка в зависимости от количества отданных ею электронов становится более или менее положительной. Следовательно, она притягивает некоторое количество электронов к обкладке, которой служит проводящий слой, нанесенный на заднюю поверхность слюдяной пластинки.

А теперь посмотрим, в чем заключается действие электронов, посылаемых электронной пушкой. Сфокусированный луч под воздействием развертки совершает движение по строкам и полукадрам. Управляемый электрическими или магнитными полями, он пробегает по изображению, проецируемому на мозаику. Что же тогда происходит? Какое действие оказывает электронный луч на каждую фотоэмиттирующую ячейку, если обегает их все за 0,04 с?

Так вот, эти электроны нейтрализуют положительный заряд, который свет создаст на каждой ячейке в интервале между двумя последовательными прохождениями луча. Потеряв положительный заряд, ячейка перестает притягивать электроны из металлической обкладки, расположенной на обратной стороне слюдяной пластинки. Освобожденные таким образом электроны проходят через резистор R, соединяющий эту обкладку с положительным полюсом источника высокого напряжения. Протекающий по резистору ток порождает изменения потенциала на выводе резистора, соединенном с обкладкой. А эти изменения потенциала пропорциональны положительному заряду ячеек, т. е. интенсивности освещающего их света.

Как ты, вероятно, уже догадался, эти изменения потенциала и представляют собой видеосигнал, характеризующий яркость элементов изображения. Остается лишь усилить его и использовать для модулирования несущих волн телевизионного передатчика.

Иконоскоп, однако, имеет недостатки. Самый серьезный из них связан с эмиссией вторичных электронов. В этом случае, как и в триоде, — я надеюсь, что ты не забыл этого явления, — удар электронов луча, направленного на ячейки мишени, выбивает из них немало вторичных электронов. Часть этих электронов, к счастью, притягивается анодом-коллектором. Но основная часть распределяется по ячейке, где они притягиваются созданным светом положительным зарядом.

Поэтому иконоскоп заменили трубкой несколько иной конструкции, получившей название иконоскопа с переносом изображения, или супериконоскопа. В этой трубке изображение проецируется на первую фотоэмиттирующую мишень. Вторичные электроны с нее направляются на другую мишень, сделанную из мозаики, подобной той, которую я только что описал, рассказывая об иконоскопе. В результате действия вторичных электронов на мозаике создаются положительные заряды.

Я не вижу смысла подробно описывать устройство и принцип работы супериконоскопа, который в наши дни больше уже не применяется. Отмечу лишь, что большая по сравнению с простым иконоскопом чувствительность определяется тем, что мишень, на которую проецируется световое изображение, покрыта сплошным слоем цезия и не имеет мозаичной структуры.

Самая совершенная передающая трубка с фотоэмиттирующей мишенью — суперортикон (рис. 195). В этой трубке изображение проецируется на фотоэмиттирующий катод, которому сообщается большой отрицательный относительно расположенной за ним мишени потенциал. Мишень сделана из чрезвычайно тонкой (0,1 мм) стеклянной пластинки, способной благодаря наличию солей металлов проводить электрический ток.

Рис. 195. Конструкция суперортикона. В кружках показаны потенциалы на различных электродах.

Как ты догадываешься, эта мишень эффективно притягивает все электроны, исходящие с фотоэмиттирующего катода. Бомбардировка притягиваемыми таким образом электронами вызывает интенсивный вылет вторичных электронов, которые тут же улавливаются очень тонкой сеткой, установленной между фотокатодом и мишенью на расстоянии сотых долей миллиметра.

В результате вылета вторичных электронов на мишени создаются положительные заряды, величина которых тем больше, чем сильнее освещены соответствующие элементы фотокатода. Эти заряды проходят сквозь тонкую мишень и нейтрализуются электронами перемещающегося луча, направляемого на мишень электронной пушкой.

Самое важное заключается в том, что, достигая мишени, эти электроны не вызывают эмиссии вторичных электронов. Электрод, расположенный около мишени и имеющий небольшой потенциал, ведет себя как настоящий тормоз, замедляющий движение электронов. Поэтому они лишь легонько ударяют по мишени, что предотвращает появление вторичных электронов. Часть электронов остается на мишени и нейтрализует ее положительно заряженные элементы. Остальные возвращаются к электронной пушке, притягиваемые большими положительными потенциалами ее анодов.

Подумав, ты легко придешь к заключению, что интенсивность возвращающегося электронного луча обратно пропорциональна яркости соответствующих элементов изображения. Ведь мы уже отметили, что чем ярче элемент, тем больше положительный заряд соответствующей ему точки на мишени; поэтому он больше поглощает электронов из приходящего луча и, следовательно, меньше их остается в возвращающемся луче.

А что делается с этими электронами, которые достигают анода пушки? Здесь происходит необычный процесс усиления, выполняемый электронным умножителем (рис. 196).

Рис. 196. Электронный умножитель, содержащий пять анодов с последовательно возрастающими потенциалами.

Что это такое? Это устройство, основанное на использовании явления вторичной эмиссии. Целая цепочка электродов, обладающих все возрастающим положительным потенциалом, последовательно притягивает электроны. Вылетевший с первого электрода электрон попадает на второй и выбивает, скажем, пять новых электронов. Бомбардируя третий электрод, каждый из этих электронов выбивает по пять других, в результате чего их общее количество вырастает до 25, и т. д.

Как видишь, Незнайкин, это явление приносит здесь большую пользу, во многих других случаях оно приносит много вреда. Благодаря большому усилению, обеспечиваемому электронным умножителем, суперортикон обладает очень хорошей чувствительностью. Однако его применение для передачи очень ярких изображений не дает достаточно хороших результатов, так как количество излучаемых мишенью вторичных электронов оказывается слишком большим и сетка не может их все перехватить. Некоторая часть этих электронов вновь падает на мишень, что вносит искажения в выдаваемые трубкой видеосигналы. По этой причине в современных моделях передающих телевизионных трубок чаще используют эффект фотопроводимости, нежели фотоэмиссии.

Одной из наиболее широко используемых передающих телевизионных трубок стал видикон (рис. 197).

Рис. 197. Передающая телевизионная трубка — видикон.

Изображение здесь проецируется на металлическую пластинку, причем настолько тонкую, что она просвечивается. Да, Незнайкин, металлическая пластинка пропускает световые лучи к фотопроводящему слою, покрывающему ее обратную сторону. Этот слой, состоящий из селена или сульфида сурьмы, обладает проводимостью, пропорциональной интенсивности падающего на него света.

На мишень такой конструкции подают положительный потенциал, на несколько десятков вольт превышающий потенциал катода электронной пушки. Электронный луч фокусируется одновременно несколькими анодами и магнитным полем, расположенным вокруг трубки катушки, которую я на своем рисунке не изобразил. Катушки, обеспечивающие отклонение электронного луча, я также не нарисовал.

Что же происходит, когда изображение проецируется на мишень? Проходя сквозь очень тонкую пластинку, лучи света придают участкам фотопроводящего слоя большую или меньшую проводимость. Таким образом, положительный потенциал пластинки притягивает большее или меньшее количество электронов луча через слой ее на обратной стороне. В результате эта сторона приобретает положительную поляризацию, и каждый элемент имеет положительный потенциал, пропорциональный интенсивности света на соответствующей точке изображения.

Ты легко поймешь, что электроны луча, пробегающего по этой поверхности, поглощаются в большем или меньшем количестве в соответствии с положительным потенциалом каждого элемента изображения.

Прежде чем попасть на фотопроводящий слой, электроны луча проходят через очень тонкую сетку, относительно низкий потенциал которой замедляет их движение. После такого торможения они не вызывают эмиссии вторичных электронов. А те из них, которые не были поглощены фотопроводящим слоем, где они нейтрализуют положительные заряды, возвращаются на сетку, которая отводит их к пушке.

В заключение ты можешь констатировать, что в зависимости от освещенности передаваемой в данный момент точки большее или меньшее количество электронов проникает через фотопроводящий слой к тонкой металлической пластинке; затем они проходят по резистору R и создают на его выводах переменные потенциалы, представляющие собой не что иное, как видеосигналы.

Я надеюсь, что ты, Незнайкин, был очень внимателен к тому, что я тебе объяснил, и хорошо все понял.