Василий Борисов - Владимир Козьмич Зворыкин

• Название: Владимир Козьмич Зворыкин
• Автор: Василий Борисов
• Издательство: Наука
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2004
• ISBN: 5-02-032954-1

Книга посвящена жизни и деятельности всемирно известного ученого, основоположника современного телевидения B.K. Зворыкина. Сын муромского купца, окончивший Петербургский технологический институт, после революции и гражданской войны вынужден был эмигрировать в США, где более полувека проработал в крупнейших исследовательских лабораториях. Зворыкин - не только автор фундаментальных изобретений, сделавших возможным рождение "чуда XX века" - электронного телевидения, ему принадлежат пионерские разработки в области фотоэлектронных умножителей и электронно- оптических преобразователей, электронной микроскопии, применения электроники в биологии и медицине.

Для читателей, интересующихся развитием мировой науки и техники, а также историей русского зарубежья.

Владимир Козьмич Зворыкин (1889-1982) - выдающийся ученый и изобретатель, автор работ, ставших основой для развития современного телевидения. В книге описана жизнь и деятельность ученого, родившегося в городе Муроме, получившего образование в Санкт-Петербурге и более полувека работавшего в исследовательских лабораториях США. Увлекшись идеей электронного телевидения в годы учебы в Петербургском технологическом институте, В. К. Зворыкин проявил в дальнейшем удивительную настойчивость в реализации своих идей. Зворыкину принадлежат также пионерские работы в области электронных микроскопов, фотоэлектронных умножителей, электронно-оптических преобразователей, приборов медицинской электроники. Прожив шестьдесят лет в эмиграции, Зворыкин старался никогда не терять связи с Россией.

---

Рис. 13. Воздействие света на элемент иконоскопа

Рис. 14. Зависимость между повышением заряда элемента и временем

Рис. 15. Схема развертки изображения с помощью диска

Однако на деле ситуация несколько сложнее, поскольку разряжающий электронный пучок не только нейтрализует положительный заряд на фотоэлементе, но и заряжает его отрицательно. Результирующий равновесный потенциал фотоэлемента определяется скоростью электронного пучка и вторичной эмиссией фотоэмиссионного слоя под воздействием бомбардировки электронами этого пучка. Равновесное условие в темноте для типичного иконоскопа выполняется при отрицательном потенциале от 0,5 до 1,0 вольта. Свет вызывает накопление на элементе положительного заряда, снижая нормально отрицательный заряд, а сканирующий пучок вновь возвращает потенциал к равновесному значению.

Ситуация еще более усложняется из-за наличия (помимо импульсов разрядки) заряжающего тока всей мозаики, обусловленного светом. Этот ток постоянен при неподвижном изображении и меняется, если все изображение целиком (или его часть) начинает перемещаться по мозаике. Такое перемещение, однако, происходит медленно и не оказывает влияния на усилитель, имеющий частоту среза ниже 20 циклов.

Чтобы сопоставить при идентичных условиях величины выходных сигналов рассматриваемой системы и общепринятой телевизионной системы с перфорированным диском, необходимо написать уравнение для выходного сигнала иконоскопа и обычной механической системы. Типичная схема аппаратуры с механической разверткой изображена на рис. 15.

Выходное напряжение фотоэлемента, измеренное на сопротивлении R, для дискового сканера равно:

где L - световой поток, соответствующий изображению в целом, S - чувствительность фотоэлемента, п - число элементов изображения, R - входное сопротивление.

Определяя время, требуемое для формирования сигнала изображения, необходимо учитывать следующее условие: постоянная времени GR входной цепи (С - емкость фотоэлемента и связанных с ним цепей по отношению к заземлению) не должна превышать время сканирования элемента изображения 1/Nn, , где N - число кадров изображения в секунду, т.е.

откуда

Подставив этот результат в уравнение для выходного напряжения фотоэлемента, получим

Отсюда видно, что выходное напряжение обратно пропорционально квадрату числа элементов изображения.

Величина заряда на одном элементе изображения в иконоскопе приблизительно равна

где t - время, в течение которого свет падает на один элемент, примерно равное

Выходное напряжение иконоскопа

где Сх - полная входная емкость иконоскопа и связанных с ним цепей по отношению к заземлению, или

Требование равномерности, которое на первый взгляд представляется трудно выполнимым на практике, удовлетворяется благодаря естественному явлению. Известно, что такой обычный материал, как слюда, может расщепляться на тонкие пластинки, практически идеально равномерные по толщине, благодаря чему она служит прекрасным изоляционным материалом для мозаики. Сигнальная пластина изготавливается путем нанесения металлического покрытия на одну сторону слюдяной пластинки. Сама мозаика может быть изготовлена множеством способов, простейший из которых - непосредственное вакуумное напыление слоя фотоэлектрического металла на поверхность слюды. Если напыленная пленка очень тонка, то она оказывается не сплошной, а состоящей из множества мелких пятнышек, или глобул, распределенных весьма равномерно и изолированных друг от друга. Еще один возможный метод изготовления мозаики - гравировка сплошной металлической пленки с помощью гравировальной машины.

Хотя первоначально фоточувствительная мозаика создавалась путем непосредственного нанесения тонкой пленки щелочного металла на изоляционную пластину, последующее совершенствование технологии изготовления фотоэлементов привело к изменению методов формирования мозаики.

Мозаика, используемая в настоящее время, состоит из очень большого числа мелких серебряных глобул, каждая из которых сенсибилизирована цезием путем специального процесса фотосенсибилизации.

Из-за очень малой величины зарядов необходимо, чтобы изоляционные свойства и диэлектрические потери по возможности были сведены к минимуму. Высококачественная слюда прекрасно отвечает этим требованиям. Тем не менее можно применять и другие изоляционные материалы, в частности тонкие пленки из прозрачных эмалей, показавшие вполне удовлетворительные результаты. Изоляция делалась настолько тонкой, насколько позволяли обычные методы ее изготовления.

Отношение выходных напряжений иконоскопа и дискового сканера составит

или при одинаковой выходной емкости

r| = п (число элементов изображения).

Если принять, как и выше, число элементов изображения я = 70 ООО, то по сравнению с обычной телевизионной системой мозаичная система дает теоретическое значение выигрыша в 70 ООО раз. Необходимо, однако, заметить, что по ряду причин достичь 100%-ной эффективности вряд ли удастся, хотя мы уже добились эффективности 10%, при которой чистый выигрыш составляет несколько тысяч. Такое увеличение выходного сигнала изображения в несколько тысяч раз нельзя расценивать лишь как возможность уменьшения требуемого

Рис. 16. Схема иконоскопа В.К. Зворыкина

усиления. В обычной телевизионной системе мы уже повысили усиление до предела, определяемого допустимым отношением шума к сигналу изображения. Полученный выигрыш, следовательно, является единственным фактором, который позволяет осуществить реальное телевидение, если под этим термином понимать не только передачу изображения с ограниченной четкостью в искусственно создаваемых условиях, но и действительную передачу изображений с высоким разрешением при умеренных, или естественных, условиях освещения.

Приведенные расчеты не относятся к методу сканирования объекта бегущим пятном, поскольку он соответствует совершенно искусственным условиям и не может использоваться для телевизионной передачи изображений удаленных предметов.

Схема всей электрической цепи иконоскопа изображена на рис. 16. Здесь обе части фотоэлемента Р, показанного на рис. 13, полностью разделены. Катоды выполнены в виде фоточувствительной мозаики на поверхности сигнальной пластины и изолированы от нее, а анод является общим и представляет собой посеребрённый участок внутренней поверхности стеклянной колбы.

Емкость С каждого чувствительного элемента по отношению к сигнальной пластине определяется толщиной и диэлектрической проницаемостью изолирующего слоя между этими элементами и сигнальной пластиной. Положительно заряженные элементы разряжаются под воздействием электронного пучка, который создается электронной пушкой, расположенной напротив мозаики под углом 30° относительно нормали, проходящей через центр мозаики. Как мозаика, так и электронная пушка заключены в одну и ту же стеклянную колбу с высоким вакуумом. Наклонное положение пушки выбрано из конструктивных соображений для возможности проецировать изображение на поверхность мозаики.

Разрешающая способность иконоскопа определяется как размерами и числом элементов изображения на мозаике, так и сечением сканирующего электронного пучка. На практике, однако, число отдельных фотоэлементов в мозаике во много раз превышает число элементов изображения, целиком определяемое размером сканирующего пятна (рис. 8). Исходя из допущений, принятых при анализе идеального случая тока отдельных элементов, показанных на рис. 13, можно задать требования к мозаике иконоскопа. Согласно этим допущениям, все элементы должны иметь одинаковые размеры и чувствительность, а также одинаковую емкость по отношению к сигнальной пластине. Поскольку считывающее пятно значительно больше отдельного элемента, данное требование упрощается: усредненные распределения числа удельной чувствительности и удельной емкости элементов в пределах площади мозаики, соответствующей размерам сканирующего пятна, должны быть равномерными. Это позволяет существенно смягчить допуск на размеры отдельного элемента.

При этом чувствительность получается того же порядка, что и у соответствующих высоковакуумных оксидно-цезиевых фотоэлементов. То же можно сказать и о спектральной характеристике (рис. 17). Срез характеристики в голубой части спектра обусловлен поглощением в стекле. Фактическая цветовая чувствительность самих фотоэлементов показана пунктирной кривой.