100 великих изобретений

Развитию телевидения также способствовали новые открытия в области фотоэффекта. В 1888 году русский физик Ульянин обнаружил интересное явление — на границе металл-селен при освещении ее светом источника начинал вырабатываться электрический ток. Ульянин поспешил использовать это свойство и изготовил первый селеновый фотоэлемент с тонкой золотой пленкой, вырабатывавший на свету слабый ток. (Этот эффект теперь широко используется в технике, например, в солнечных батареях.) Напомним, что до этого было известно только одно проявление светочувствительных свойств селена — изменение сопротивления. Поэтому в цепь селенового фотоэлемента надо было обязательно включать источник питания — внешнюю батарею. Теперь необходимость в этом отпала.

Первые практические телевизионные системы были созданы только в XX веке. В 1923 году Чарльз Дженкинс осуществил передачу неподвижного изображения по радио из Вашингтона в Филадельфию и Бостон, а в 1925 году ему удалось передать изображение движущихся фигур. Для развертки Дженкинс применил диск Нипкова, а для усиления видеосигнала — усилитель на электронных лампах. В приемнике использовалась неоновая лампа, на которую зритель смотрел через отверстия другого диска Нипкова и видел точки различной яркости, располагавшиеся точно в таком же порядке, как и на передаваемом изображении. Для этого приемный диск вращался с той же скоростью, что и передающий, делая 12, 5 оборотов в секунду (другими словами, перед зрителем в одну секунду сменялось 12, 5 кадров — достаточная скорость для того, чтобы передавать движение). Позже скорость была увеличена до 25 кадров в секунду. Успешные результаты были достигнуты также в Англии. В 1928 году шотландец Джон Бэрд основал первую в Европе акционерную телевизионную компанию и начал опытные передачи через радиостанцию, расположенную в Лондоне. Его же фирма наладила выпуск первых механических телевизоров. Изображение в них развертывалось на 30 строк.

Широкая публика поначалу с восторгом отнеслась к новому изобретению. Зрители были снисходительны даже к тому, что изображение в их телевизорах часто оказывалось темным, нечетким и расплывчатым. Впрочем, с годами энтузиазм поутих. Оказалось, что получить хорошее, четкое изображение в механическом телевидении вообще невозможно. (Подсчитано, что для этого диск Нипкова должен иметь развертку на 600 строк с диаметром отверстия около 0, 1 мм. При этом диаметр самого диска достигнет 28 м. При вращении с необходимой скоростью он неминуемо разлетится под действием центробежных сил.) Хотя во многих больших городах (в том числе в Москве и Ленинграде) существовали свои телевизионные студии, а десятки тысяч людей имели у себя дома телевизоры, широкого распространения механическое телевидение не получило и в конце концов повсеместно уступило первенство электронному телевидению, о котором теперь и пойдет речь.

Эпоха электронного телевидения началась с изобретения электронно-лучевой трубки. Прообразом электронной трубки была газоразрядная лампа, изобретенная в 1856 году немецким стеклодувом Гейслером, который научился вплавлять в стеклянную колбу платиновые электроды и создал первые газонаполненные трубки. Сейчас газоразрядные лампы распространены повсюду, и устройство их хорошо известно: по обе стороны стеклянной трубки, наполненной каким-нибудь газом, помещают два электрода. Когда на эти электроды подается напряжение от сильного источника тока, между ними возникает электрическое поле. В этом поле молекулы газа ионизируются (теряют свои электроны) и превращаются в заряженные частицы. В результате через трубку происходит электрический разряд, под действием которого газ начинает ярко светиться.

Это явление сразу заинтересовало многих ученых. К их числу относился и боннский профессор Плюккер, для которого Гейслер специально изготовлял запаянные трубки с различными смесями газов. В 1858 году Плюккер заметил, что при пропускании электрического тока стекло вблизи катода светится как-то по особенному, не так, как в остальных частях лампы. Изучив этот эффект, Плюккер пришел к выводу, что вблизи катода при электрическом разряде возникает какое-то излучение, которое он назвал «катодным». В 1869 году немецкий физик Гитторф открыл, что катодные лучи способны отклоняться под действием магнитного поля. В 1879 году английский физик Уильям Крукс провел фундаментальное исследование катодных лучей и пришел к выводу, что с поверхности катода при его нагревании испускается поток каких-то частиц. (В 1897 г. английский физик Томсон доказал, что катодные лучи являются потоком заряженных частиц — электронов.) Для своих опытов Крукс создал специальную трубку, которая была первой в истории катодно-лучевой трубкой.

Между прочим Крукс открыл, что некоторые вещества (они получили название люминофоров) начинают светиться при бомбардировке их катодными лучами. В 1894 году Ленард установил, что свечение люминофоров тем сильнее, чем сильнее катодный ток. В 1895 году профессор Страсбурского университета Карл Браун на основе трубки Крукса создал катодную (электронную) осциллографическую трубку, предназначенную для исследования различных электрических токов.

В трубке Брауна катод был покрыт диафрагмой — экраном с небольшим отверстием, в результате чего с катода испускался не широкий пучок, как в опытах Крукса, а узкий луч. Снаружи стеклянной колбы помещалась катушка, на которую подавался исследуемый ток. Этот ток, проходя через катушку, создавал вокруг переменное магнитное поле, которое отклоняло катодный луч в вертикальной плоскости. Экраном служила стеклянная пластинка, покрытая со стороны катода люминофором. Луч проходил через диафрагму и создавал на экране небольшое светящееся пятно. Под действием отклоняющего магнитного поля луч начинал колебаться и вычерчивал на экране вертикальную линию, которая отмечала максимальное и минимальное значение исследуемого тока. С помощью зеркальца эта светящаяся линия отбрасывалась на внешний экран. Несколько позже, в 1902 году, русский ученый Петровский усовершенствовал трубку Брауна, предложив использовать вторую катушку для отклонения электронного луча также в горизонтальной плоскости. Теперь, подавая соответствующие сигналы, можно было заставить луч обегать весь экран. В 1903 году немецкий физик Венельт сделал еще одно усовершенствование — он ввел в трубку цилиндрический электрод, заряженный отрицательно. Изменяя силу заряда на этом электроде, можно было усиливать или ослаблять электронный поток с катода, делая точку на экране то более яркой, то тусклой. В 1907 году Леонид Мандельштам предложил для управления лучом в трубке Брауна использовать две системы отклоняющих пластин, на которые подавалось пилообразное напряжение. Благодаря этому электронный луч стал вычерчивать на экране так называемый растр — светящиеся строки, которые располагались одна под другой от верхней кромки экрана до самой нижней. Происходило это следующим образом. На пути электронного луча в трубке помещались две вертикально расположенные пластины, на которые, как уже говорилось, подавалось переменное напряжение пилообразной формы, создаваемое специальным генератором. Когда это напряжение было равно 0, электронный луч занимал на экране некоторое начальное положение. Затем, после того как положительная пластина начинала с определенной скоростью заряжаться, электроны отклонялись к ней и конец луча двигался по экрану. Это передвижение продолжалось до тех пор, пока напряжение положительной пластинки не достигало максимума. После этого напряжение быстро уменьшалось, и электронный луч быстро возвращался в исходное положение. Затем все повторялось сначала. Одновременно луч совершал колебания в вертикальной плоскости. Для отклонения по вертикали предназначалась вторая пара пластин. Легко видеть, что если частота пилообразного напряжения, прилагаемого к вертикальным пластинам, была в 10 раз больше той, которая прилагалось к горизонтальным, то за время, соответствующее одному кадру, луч успевал образовать 10 строк. Вместо переменного электрического поля можно было использовать переменное магнитное, создаваемое двумя катушками. Все эти открытия и изобретения заложили фундаментальные основы электронного телевидения.

Первым, кто предложил применить электронно-лучевую трубку для телевизионной передачи, был русский физик Борис Розинг. В 1907 году он получил патент на способ электрической передачи изображения на расстояние.

Для построчной развертки изображения Розинг использовал два зеркальных барабана, представлявших собой многогранные призмы с плоскими зеркалами. Каждое зеркало было слегка наклонено к оси призмы, и угол наклона равномерно возрастал от зеркала к зеркалу. При вращении барабанов световые лучи, идущие от разных элементов передаваемого изображения, отражались последовательно зеркальными гранями и поочередно (построчно) попадали на фотоэлемент. Ток с фотоэлемента передавался на пластины конденсатора. В зависимости от величины подаваемого тока между ними проходило большее или меньшее количество электронов, что позволяло изменять яркость освещения соответствующих точек люминесцентного экрана. (Электрическое поле внутри конденсатора при изменении напряжения сигнала отклоняло луч по вертикали, вследствие чего изменялось количество электронов, попадавших на экран через отверстие в диафрагме.) Таким образом, трубка заменяла сразу два узла прежних механических систем развертывающего устройства (например, диск Нипкова) и источник света (например, газосветную лампу). Две взаимно перпендикулярные катушки управляли движением луча таким образом, что он вычерчивал растр (начинал движение с верхнего левого угла экрана и оканчивал в правом углу, затем быстро возвращался на левый край, опускался немного вниз и делал развертку второй строчки). Движение луча и вращение зеркальных барабанов было строго синхронизировано между собой, так что прохождение каждой проецируемой грани мимо фотоэлемента соответствовало прохождению одной строчки проецирующего луча. На прохождение всего экрана луч затрачивал около 0, 1 секунды. Благодаря этому рисунок луча воспринимался глазом как цельное изображение.

После долгих и упорных опытов со своей несовершенной аппаратурой Розинг сумел получить первое изображение — ярко освещенной решетки — на экране своего приемника. Это изображение состояло из четырех полос. Когда закрывали одно из отверстий решетки, соответствующая ему полоса на экране исчезала. Телевизор мог передавать изображение простых геометрических фигур, а также движение руки. Сообщения об изобретении Розинга были напечатаны в технических журналах США, Японии и Германии и оказали большое влияние на дальнейшее развитие телевидения. Хотя Розингу принадлежит слава родоначальника электронного телевидения, его телевизионная система еще не была полностью электронной — съемка и передача изображения производились с помощью механического устройства — зеркальных барабанов. Электронной в его системе была только принимающая трубка, в устройстве которой уже можно видеть многие черты черно-белого телевизора. Следующим шагом должно было стать создание электронно-лучевой передающей трубки, действие которой основано на внешнем фотоэффекте.

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем и глубоко изучен в следующем году русским физиком Александром Столетовым. Суть этого явления заключается в том, что под действием света происходит выбивание электронов с поверхности заряженной пластины. Выбитые электроны образуют облако, которое притягивается к положительному электроду, образуя электрический ток в вакууме или разряженном газе. На этом принципе основана работа фотоэлемента, созданного в 1906 году немецким ученым Дембером. Катод и анод здесь помещены в стеклянной колбе, из которой выкачан воздух. К — катод, покрытый светочувствительным веществом (лучше всего цезием); А — анод, который представляет собой металлическую сетку и не мешает проходить свету на анод; С — источник света; Е — батарея. Свет, падающий на фотокатод фотоэлемента, освобождает из него электроны, которые устремляются к положительно заряженному аноду. Уменьшение или усиление освещения фотокатода соответственно увеличивает или уменьшает ток в его цепи.

В 1911 году английский инженер Ален Суинтон предложил проект телевизионного устройства, в котором электронно-лучевая трубка использовалась не только как приемник, но и в качестве передатчика. В основе передающей трубки Суинтона — трубка Крукса, к катоду которой прикладывалось отрицательное напряжение в 100000 вольт относительно анода. Узкий пучок электронов проходил сквозь отверстие в аноде C и попадал на экран I, описывая на нем с помощью отклоняющих катушек E растр. Экран состоял из миниатюрных, изолированных друг от друга металлических рубидиевых кубиков. С противоположной стороны сквозь сетку L и отсек с парами натрия на экран I проецировалось изображение. Свет от каждой его точки попадал на отдельный рубидиевый кубик экрана, который действовал как независимый фотоэлемент, и выбивал с его поверхности электроны. В соответствии с законами внешнего фотоэффекта этих электронов было тем больше, чем интенсивнее оказывалось действие света. До тех пор пока на кубик не подавалось напряжение, выбитые электроны находились вблизи экрана. Но когда электронный луч, обегавший один за другим все кубики, попадал на какой-то из них, тот получал отрицательный заряд. Тогда электроны, выбитые светом с поверхности кубика, устремлялись к сетке L, которая, следовательно, в каждый момент времени имела на себе заряд, соответствующий какой-то точке экрана. Этот заряд снимался с сетки и передавался затем как видеосигнал на приемную трубку, устройство которой основывалось на тех же принципах, что и у Розинга. Электронный луч принимающей трубки был синхронизирован с лучом передающей трубки, а интенсивность его в каждой точке напрямую зависела от силы посылаемого видеосигнала. Практически действующей телевизионной установки Суинтон не создал, но в его проекте мы видим уже те основные элементы, которые входили потом в конструкцию всех последующих поколений передающих трубок: двустороннюю мозаику из множества отдельных фотоэлементов с внешним фотоэффектом, коллектор в виде сетки L и отклоняющие катушки E.

Следующий шаг на пути развития телевидения был сделан только в 20-е годы. В 1923 году Владимир Зворыкин (в студенческие годы Зворыкин был одним из учеников Розинга и активно помогал ему при создании первого телевизора; в 1917 году он эмигрировал в США, где и работал до самой смерти) запатентовал полностью электронную систему телевидения с передающей и приемной электронно-лучевыми трубками.

В передающей трубке Зворыкин применил трехслойную двухстороннюю мишень. Трубка состояла из сигнальной пластины 4 — тонкой алюминиевой пленки (прозрачной для электронов), покрытой с одной стороны диэлектриком 3 из окиси алюминия, на который был нанесен светочувствительный слой 2, обладающий внешним фотоэффектом. Рядом с этим слоем была установлена сетка 1. На алюминиевую пленку подавалось положительное (относительно сетки) напряжение. Изображение проецировалось на этот слой сквозь сетку 1. На другой стороне алюминиевой пленки электронный луч 5 из электронного прожектора 6 создавал растр. Сигнал снимался с нагрузки RН в цепи сетки. Мозаика передающей трубки содержала множество отдельных фотоэлементов. Эта трубка тоже не стала работающей моделью, но в 1929 году Зворыкин разработал высоковакуумную приемную электронно-лучевую трубку, названную им кинескопом, которая в дальнейшем использовалась в первых телевизорах. Таким образом, принимающая электронно-лучевая трубка была создана уже в начале 30-х годов.