Техника в ее историческом развитии

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Толчком к развитию оптико-электронных приборов явилось обнаружение в 1800 г. английским астрономом Вильямом Гершелем нового явления природы — инфракрасного излучения [65].

Ученый провел серию опытов, чтобы выяснить, какой нагревающей способностью обладают различные участки солнечного спектра [66]. Он исследовал спектр, спроектированный на стол с помощью призмы, используя в качестве приемника солнечных лучей чувствительный ртутный термометр, который можно было передвигать вдоль спектра. Гершель был удивлен, обнаружив, что нагрев возрастал по направлению к красному концу спектра и не достигал максимума до тех пор, пока термометр не был выдвинут за границу видимого участка спектра. Этим он установил такой вид излучения, которое, проходя через призму, преломляется меньше, чем красный свет, и к которому глаз нечувствителен. В опыте В. Гершеля естественный приемник солнечного излучения — глаз, заменен искусственным приемником — термометром.

Улучшение качества работы первого приемника инфракрасного излучения — термометра — эволюционным путем, т. е. путем совершенствования его конструкции, не дало удовлетворительного результата. Необходимо было найти другие физические явления, связанные с характерным действием инфракрасных лучей, т. е. необходим был революционный скачок в развитии приемников излучения. В 1830 г. был изобретен прибор для измерения малых разностей температур («термопары»), основанный на термоэлектрическом эффекте, который был открыт Т. И. Зеебеком в 1821 г. Термопара стала не только индикатором излучения, но и преобразователем «го в иной вид энергии — электрическую энергию. Несколько таких термопар, соединенных последовательно, были использованы итальянским ученым М. Меллони (1835 г.) в качестве приемника излучения и были названы термоэлектрической батареей или термостолбиком. Такой прибор был намного чувствительнее использовавшихся ранее термометров и в течение следующего полустолетия стал наиболее широко применяемым приемником излучений.

Использованиетермомультипликатора в установке В. Гершеля привело, по существу, к созданию цервой оптико-электронной системы [67]. При помощи термобатареи Меллони значительно расширил наблюдаемый диапазон инфракрасного спектра, однако до открытия спектрального анализа в 50-х годах XIX в. и в первые 10—15 лет после его открытия наука мало продвинулась в направлении создания новых приемников излучений. Это объяснялось двумя причинами: во-первых, отсутствие практически пригодных гальванометров достаточной чувствительности сильно снижало точность этогометода, во-вторых, в указанный период, когда развитие спектроскопии было нацелено главным образом для удовлетворения практических нужд химии и металлургии, казалось возможным ограничиться изучением видимой и отчасти ультрафиолетовой областей спектра. Лишь с развитием нефтеперерабатывающей промышленности и синтеза тяжелых органических соединений спектральный анализ в инфракрасной области спектра начал постепенно приобретать все большее практическое значение. Тем не менее во второй половине XIX в. развитие термоэлектрических методов регистрации инфракрасного излучения получило толчок в связи с изучением распределения энергии в спектре, потребовавших применения измерительных приборов, не обладающих селективными свойствами. Кроме того, возможность использования тепловых приемников для определения температуры удаленных источников (звезд, планет) по их тепловому излучению, давно привлекало внимание астрономов. Начиная с 1870 г. телескоп в сочетании с термоэлектрическим приемником использовали для радиометрического определения температуры Луны и других планет [68].

В 1873 г. эти исследования были продолжены Е. Россом. Им был сформулирован закон поглощения инфракрасного излучения Луны земной атмосферой, зафиксированы изменения излучения в зависимости от фаз Луны [69]. В 1885 г. С. П. Ланглей провел радиометрические измерения во время лунного затмения [70].

В 70-х годах XIX в. появился новый тип приемника теплового излучения, созданный Т. А. Эдисоном и названный им тазиметром. Идея создания этого приемника излучения возникла у Эдисона во время работы над проблемами постройки различных конструкций телефонных аппаратов.

Ученый обнаружил, чтотепловая радиация может быть определена по изменению электрического сопротивления элемента из прессованного угля, соединенного с приемной площадкой, на которой фокусируется тепловое излучение. Эдисон использовал тазиметр совместно с зеркальным гальванометром Томсона для определения температуры нагретых тел на расстоянии. Эдисон считал свой приемник излучения более чувствительным, чем термостолбик М. Меллони, и рекомендовал его мореплавателям для распознавания приближения ледяных гор, раньше чем они станут видимы невооруженным глазом. Однако для перехода к более широкому практическому использованию инфракрасного излучения и созданию новых оптико-электронных систем необходимо было заложить научный фундамент — физические основы оптико-электронного приборостроения.

Одной из важных проблем физики конца XIX в. было научное обоснование распределения длин волн теплового излучения, испускаемого нагретой средой сквозь малое отверстие, т. е. моделью черного тела. Один из пионеров инфракрасной техники С. П. Ланглейв1889 г. писал: «...непосредственно перед нами встает одна громадная проблема, ожидающая решения. Я имею ввиду установление связи между температурой и излучением, ибомы почти ничего об этом не знаем; ...этот вопрос интересует сейчас всех ученых» [71]. Решение этой проблемы привело к созданию в 1900 г. Максом Планком квантовой теории.

Основные законы инфракрасного излучения были открыты Г. Кирхгофом (1859), Й. Стефаном (1879), Л. Больцманом (1884), Б. Б. Голицыным (1890—1893), В. Вином (1894—1896), Дж. В. Рэлеем и Дж. X. Джинсом (1900—1905), М. Планком (1900) [67].

Следующей важной проблемой, которая занимала большинство исследователей инфракрасной области спектра, было определение длинноволнового предела инфракрасного излучения. Применяемые средства обнаружения ИК-излучения были крайне несовершенны, необходимо было создать принципиально новые, более совершенные и чувствительные приемники инфракрасных лучей. Важным шагом в этом направлении было создание термобатареи (М. Меллони, 1835) и болометра (С. П. Ланглей, 1880). Возросшая" чувствительность приемников давала возможность использовать дифракционные решетки для получения более высокой дисперсии и для измерения длин волн.

В 1861—1864 гг. Дж. Максвеллом была разработана теория электромагнитных волн. Электромагнитная природа инфракрасного излучения была подтверждена опытом, поставленным в 1889 г. Г. Герцем, которому Удалось создать электрическим способом инфракрасное излучение с очень большой длиной волны (порядка нескольких миллиметров). Было доказано, что не существует разницы между электромагнитными волнами, созданными электрическим или термическим путем. Более того, эксперименты с инфракрасным излучением во многом подтвердили электромагнитную теорию Максвелла. С1896 г. начинаются встречные поиски по генерированию все более и более коротких волн Герца.

В 1896 г. русский физик П. Н. Лебедев, продолжая опыты Г. Герца, нашел простой способ генерирования электромагнитных волн длиной 1 см. Способ получения длинноволнового излучения, предложенный Лебедевым, состоял в отсортировании из всего спектра длинноволнового излучения отражением его от металлических решеток.

Работы П. Н. Лебедева были продолжены русской ученой А. А. Глаголевой-Аркадьевой [73]. В 1922—1924 гг. она показала, что ИК-излуче- ние с длиной волны 90 мкм можно генерировать возбуждением маленьких осцилляторов Герца в виде латунных опилок, погруженных в масло [74]. В 1923 г. Э. Ф. Никольс и И. Д. Тир, используя дифракционную решетку для измерения длин волн, показали, что можно генерировать волны Герца короче 220 мкм. В последующие годы стало возможным генерирование когерентных волн порядка нескольких миллиметров и стало ясно, что разрыв между длинноволновым ИК-излучением и радиоволнами был ликвидирован.

Таким образом, соединились спектры радиоколебаний и инфракрасного излучения, поэтому верхняя длинноволновая граница последнего является чисто условной. Обычно длинноволновой границей инфракрасного излучения принято считать 750 мкм.

Итак, на протяжении XIX — начала XX вв. было установлено, что инфракрасное излучение занимает невидимую для глаза область электромагнитного спектра, начинающуюся непосредственно за видимыми красными лучами и простирающуюся условно до области микрорадиоволн, т. е. диапазон от 0,75 до 1000 мкм.

Так как этот диапазон перекрывает довольно большую область электромагнитного спектра, то для удобства весь ИК-диапазон излучений разделяют на три поддиапазона: коротковолновый (0,75—1,5 мкм), средневолновый (1,5—10 мкм), длинноволновый (10—1000 мкм).

Такое подразделение определяется главным образом областями использования зтих излучений и приборами, применяемыми для их обнаружения и измерения.

Видимый спектр является небольшой специфической областью электромагнитного спектра излучения и ограничен, с одной стороны, коротковолновым ультрафиолетовым излучением, а с другой — длинноволновым инфракрасным излучением. Излучения большинства нагретых тел имеют длины волн порядка нескольких микрометров. Излучение земной поверхности имеет длину волны около 10 мкм. Существенное различие между радиоволнами и волнами инфракрасного излучения то, что радиоволны можно генерировать электрическим путем, как группы волн с четко определенной фазой. Наиболее короткая волна, при которой это возможно, приближается к 1 мм. Ближнее инфракрасное излучение обладает почти всеми физическими свойствами видимого света, за исключением того, что оно невидимо для глаза. Поэтому для его обнаружения и измерения применяют большей частью те же методы, которые используют для обнаружения и измерения видимого света.

Отличительными особенностями инфракрасного излучения, определившими в конечном итоге его применение, являются: 1) совпадение энергии квантов инфракрасного излучения с энергией переходов между энергетическими уровнями молекул и свободных электронов в веществе; именно инфракрасная область спектра заключает в себе огромный объем информации о состоянии вещества на молекулярном уровне; 2) в инфракрасной области спектра сосредоточено тепловое излучение тел с температурами от 4 до 3000 К.

Сам термин «инфракрасное излучение» был впервые введен В. Абне- ем в 1881 г.

Разработка физических принципов оптико-электронной техники и создание новых приемников излучений способствовали расширению областей ее применения. Вначале инфракрасные приборы использовали только для лабораторных исследований самого излучения. С 1870 г. астрономы стали применять приемники излучения (термоэлементы) с телескопами для оценки температуры звезд и планет по их тепловому излучению. Дальнейшее развитие тепловых приемников излучений, стимулировавшееся новыми потребностями науки и техники, привело к созданию разнообразных пиро- и радиометрических приборов, которые стали новым средством для изучения тепловых явлений.

В рассматриваемый период бурное развитие получают оптические системы связи. В 1870 г. был изобретен светосигнальный прибор Манжена, который долго применялся в XIX в. в различных армиях. Он состоял из керосиновой лампы, расположенной в металлическом ящике. Пламя лампы, находившееся в фокусе линзы диаметром около 100 мм, давало параллельный световой пучок, прерыванием которого и подавались телеграфные сигналы по азбуке Морзе. Примерно в это же время (середина XIX в.), когда не только не существовало фотоприемников, необходимейшей части всякого оптико-электронного прибора, но и сам фотоэлектрический эффект еще не был открыт, делались попытки создать прибор для передачи и приема оптических сигналов, модулированных звуковой частотой. В качестве индикаторов приходящих сигналов применялись довольно грубые устройства, действие которых основывалось на тепловом нагревании световыми лучами. Понятно, что такого рода устройства не могли работать удовлетворительно: они были мало чувствительны и обладали большой инерционностью. Только после развития техники изготовления фотоэлементов оптическая телефония получила основу для своего развития. В 1880 г. А. Г. Белл построил так называемый фотофон, состоящий из передатчика, модулированного звуковой частотой пучка лучей, и приемника с селеновым фотоэлементом. Вышедший из передающей станции параллельной пучок лучей падал на зеркальную мембрану микрофона и после отражения от нее направлялся к приемной станции. При колебаниях мембраны поверхность ее деформировалась и в зависимости от степени отклонения от плоскости пучок отраженных ею лучей становился более или менее расходящимся. В приемную часть, следовательно, поступало большее или меньшее количество света. 1880 г. можно считать годом рождения оптических систем связи. На протяжении последующих лет было разработано и описано различными авторами несколько систем оптических телефонов, различающихся между собой по преимуществу способами получения модулированного пучка световых лучей. Наибольший интерес представляет способ модуляции светового потока, предложенный в 1897 г. Г. Симоном. Он использовал в качестве источника излучения дуговую лампу, предложенную русским изобретателем П. Н. Яблочковым, установленную в фокусе передающего параболического зеркала. Излучение лампы модулировалось системой, состоящей из микрофона, трансформатора и источников питания. Дальность работы телефона Симона была в десять раз больше дальности работы фотофона Белла и достигала примерно 2,5 км.

Интересно отметить, что еще до применения фотоэлементов в оптической телеграфии и телефонии К. Циклер предложил оригинальный способ оптцческой связи на ультрафиолетовых лучах. Дальность передачи при этом составляла более 1 км, однако практического применения такой способ связи не получил вследствие несовершенства приемного устройства.

Следующая попытка использования ультрафиолетового диапазона спектра для средств связи принадлежит К. Майорана (Италия). В своем оптическом телефоне он впервые применил комбинацию фотоэлемента и однолампового усилителя. Дальность действия оптического телефона Майорана составляла 16 км. Источником излучений служила ртутная дуговая лампа с фильтром. Модуляция осуществлялась по способу «говорящей дуги».

В конце XIX в. были проведены также эксперименты по использованию инфракрасных лучей для оптической связи. В качестве приемников излучений в системах оптической связи такого типа вначале использовались термобатареи М. Меллони.

С исторической точки зрения интерес представляет термофон Е. Мер- кадье. В отличие от фотофона Белла модуляция излучений достигалась здесь посредством применения специального вращающегося стеклянного диска — растра, имеющего несколько концентрических рядов равноотстоящих отверстий.

Последовавшее в конце XIX — начале XX в. бурное развитие электротехники и в частности техники проводной связи —телеграфа и телефона оттеснило оптическую телефонию, а получившее во время первой мировой войны чрезвычайно широкое распространение радио, казалось, совсем вытеснило ее из арсенала техники связи. Однако опыт той же войны показал, что в большом числе случаев в тактическом отношении оптические средства связи имеют значительные преимущества перед прочими ее видами. Отсутствие необходимости прокладывать линию связи между пунктами приема и передачи выгодным образом отличало оптическую связь от проволочной. В то же время радио, как оказалось, не всегда может успешно разрешить проблему беспроволочной связи (к недостаткам радиосвязи следует отнести взаимные помехи и трудности связи при значительном насыщении радиосредствами эфира, а также трудность сохранения секретности связи и, следовательно, возможность перехвата радиосообщений и пеленгации самих станций). Оптическая телефония в большой степени свободна от недостатков того и другого способов связи. Применение хорошо рассчитанной оптики и правильный выбор источника света позволяли получать столь малый конус распространения световых сигналов, что перехват их становился практически невозможным.

Создание новых приемников излучений (фотоэлементов, фотосопротивлений и т. д.), а также изобретение способа усиления фототоков резко повысило чувствительность и дальность действия оптических телефонов.

В 20-х годах XX в. Майорана (Италия) в своей системе оптического телефона усовершенствовал способ Белла: модулирующее зеркальце, связанное с мембраной, помещено не в параллельном пучке лучей, а в месте изображения источника света [10]. Это позволило значительно уменьшить размеры передающего зеркальца и его вес и тем самым улучшить качество передачи. Им же был сконструирован первый оптический телефон, работающий в инфракрасной области спектра. В конце 20-х годов Ф. Шреттер создал самый совершенный в то время оптический телефон, работающий в инфракрасном диапазоне спектра [И]. Его передающая часть включала в себя микрофон, микрофонный усилитель, выполненный на трехэлектрод- ной лампе, и источник излучения— гелиевую лампу тлеющего разряда с инфракрасным фильтром. Приемная часть состояла из двухлампового электронного усилителя фототоков и селен-теллурового фотоэлемента в качестве приемника излучений. Дальность действия такого оптического телефона достигала 20 км (при работе в ночных условиях). Усовершенствованиям подверглись и способы модуляции светового потока.

Значительное увеличение чувствительности приемников излучений, полученное С. П. Ланглеем в 1880 г. при помощи балометра, послужило стимулом для новых работ в области оптико-электронной техники.

Стимулом к созданию новых фотоэлектрических приемников послужило открытое У. Смитом в 1873 г. явление, при котором в результате поглощения излучения снижается электрическое сопротивление материала без изменения его температуры. Это явление получило название эффекта проводимости, или внутреннего фотоэффекта. Смит обнаружил, что при облучении светом селеновой пластинки ее электрическое сопротивление уменьшается. Указанное открытие вызвало в XX в. бурное развитие фотоэлектрических приемников с внутренним фотоэффектом, получивших в дальнейшем название фотосопротивлений, что, в свою очередь, было новым качественным скачком в развитии приемников излучений и привело к появлению ряда оптико-электронных приборов различного назначения.

Первое1 высокочувствительное фотосопротивление было создано Гасе в 1917 г. после установления того факта, что сернистый таллий обладает фотопроводимостью. В течение последующих пятнадцати лет многочисленные лаборатории всего мира занимались исследованием фотопроводимости и связанными^ ней явлениями. В годы первой мировой войны Кейз изобрел чувствительное фотосопротивление — таллофщцНаряду с высокой чувствительностью (до Ю-8 Вт) элементы Кейза обладали малой инерционностью по сравнению с термоэлементами и болометрами.

К 1917 г. на основе нового фотоприемника — таллофида были созданы оптико-электронные системы связи, а также приборы выведения самолетов на посадку и удержание определенного положения конвоя [75].

Появление таллофидного приемника излучений позволило также Г. Хамонду создать в 1920—1925 гг. оптико-электронную систему тепло- пеленгатора для обнаружения кораблей [76]. Система реагировала на появление цели изменением тональности звукового сигнала. Вскоре после окончания первой мировой войны фирма «Дженерал Электрик» поставила ряд опытов по теплопеленгации воздушных целей. Сконструированная аппаратура давала возможность при благоприятных метеорологических условиях обнаружить легкий бомбардировщик на расстоянии до 40 км.

Весьма существенно на развитие оптико-электронного приборостроения повлияло открытие и создание новых оптических материалов, используемых в инфракрасной области спектра. Первыми материалами, прозрачными для ИК-лучей, были природные кристаллы: кварц, каменная соль, сильвин, флюорит и др. Их оптические свойства были изучены уже в конце XIX в. Вследствие того что оптический блок является входным блоком оптико-электронного прибора, поиск новых материалов для изготовления линз стал важной задачей при создании новых приборов.

Развитие оптических систем оптико-электронных приборов продвинулось с использованием специальных оптических элементов — конденсоров, трансформирующих световой пучок после объектива и способствующих согласованию оптической системы с чувствительной площадкой приемника излучений. По мере совершенствования оптико-электронных приборов усложнялись и их оптические схемы: вводились новые оптические компоненты — компенсаторы, фильтры, модуляторы, а для получения информации о свойствах излучателей — анализаторы изображения (светоделитель- ные блоки и пирамиды, растры и др.).

Возможность использования оптико-электронной техники для военных нужд ускорила ее развитие. Благодаря довольно высокому уровню развития неселективных приемников (термоэлементов и болометров) в США, Англии и Германии в начале XX в. делаются попытки использовать инфракрасное излучение в военных целях. В ходе первой мировой войны в этих странах были разработаны системы оптической связи и тепловой пеленгации. С. Гофман описал в 1919 г. одну из самых ранних оптико-электронных систем с использованием неселективного приемника излучений и гальванометра^[77]. С помощью этой системы человек мог быть обнаружен на расстоянии 182 м, а самолет — на расстоянии до 1,6 км. Оптическая головка теплопеленгатора Гофмана состояла из двух отражательных зеркал и трех встречно включенных термоэлектрических приемников излучений.

Начало XX в. характеризуется бурным развитием военной техники, и в первую очередь авиации. Чтобы поразить воздушную или наземную цель, недостаточно было иметь только пулеметы и пушки, хотя и самого - отличного качества, нужны были также совершенные прицелы и эффективные способы прицеливания. Изыскивались различные способы поражений противника с больших расстояний, способы поражения воздушных и наземных целей с высокой степенью точности. Решение этих вопросов привело к появлению различного рода устройств тепло- и радиопеленгации, а также оптико-электронных систем автоматического сопровождения движущихся источников.

Применение инфракрасного излучения для наведения снарядов было вполне закономерным, так как большинство военных целей излучает большую часть тепловой энергии именно в инфракрасном диапазоне спектра. Тактика бомбометания также требовала создания таких устройств, которые позволили бы самолету-бомбардировщику выйти из боя сразу же после сброса бомбы. Для решения этой проблемы необходимо было создать устройство, которое было бы способно принять на себя часть логических функций, исполняемых летчиком. Идея создания такого устройства (ракеты с тепловой головкой самонаведения) принадлежит русскому ученому К. Э. Циолковскому [67].

В 1903 г. К. Э. Циолковский в статье «Ракета в космическом пространстве» впервые высказал идею самонаведения управляемых снарядов в технически приемлемой форме. Он писал: «Может быть, ручное управление движением снаряда окажется не только затруднительным, но и прямо практически невозможным. В таком случае следует прибегнуть к автоматическому управлению... Возможно употребить для этой цели магнитную систему или силу солнечных лучей, сосредоточенных с помощью двояковыпуклого стекла. Каждый раз, когда снаряд с трубой поворачивается, маленькое и яркое изображение солнца меняет относительное положение в снаряде, что может возбуждать расширение газа, давление, электрический ток и движение массы, восстанавливающей направление трубы, при котором светлое пятно падает на нейтральное, так сказать, нечувствительное место механизма» [78, с. 30].

Гениальная идея К. Э. Циолковского была впервые реализована американскими учеными в 1916—1921 гг. в конструкции самонаводящейся торпеды класса «воздух—поверхность»

В XIX в. был создан теоретический фундамент, необходимый для развития оптико-электронного приборостроения, а также разработаны приемники излучения. Техника в этот период развивалась рука об руку с физикой, однако переход к широкому применению оптико-электронных систем произошел в 40—50-х годах XX в. в результате внедрения оптико-электронной техники в производство и науку, а также из-за необходимости удовлетворения потребностей военной индустрии.

Структура и размещение ведущих отраслей хозяйства. Развит в районе и...

В Санкт-Петербурге созданы: оптико-механическое объединение "ЛОМО", выпускающее различную продукцию, объединение "Светлана", производящее электронное оборудование...

Видна любая подчистка

«Проектина 8032» является оптико-электронным прибором, пригодным для проведения полных (по всей оптической шкале) комплексных исследований...

Приборостроение. Электротехническая промышленность представлена...

...исследований, средств контроля производственных процессов, оптико-механической техники, точных … Наиболее перспективны станко- и приборостроение, электронная промышленность и...

Персональные компьютеры будущего Процессор ПК

Процессор ПК будущего будет функционировать по тем же принципам, что и сегодня. Но вместо электронных микропроцессоров, которые являются и мозгом...

Фотоэлектрические приемники излучения. Для увеличения точности...

фотоумножители (ФЭУ). В этих приборах используется явление вторичной электронной. … эффект, и оптико-акустические преобразователи (ОАП), в которых излучение.

ПРИЦЕЛ ПРИЦЕЛЬНЫЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ — устройства разного типа...

Ночной Прицел является оптико-электронным прибором ночного видения и бывает активным и пассивным.

›Оружие

Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения ФЭП.

Вся электронная библиотека. … определяются их способностью длительное время работать в условиях космической среды, сохраняя высокие оптико-энергетические характеристики.

›Альтернативная энергетика›

 Координатно-расточные станки

Для точного измерения координатных перемещений станки снабжены различными индуктивными, механическими, оптико-механическими и электронными устройствами отсчета...

Северо-Западный экономический район. Северо-Западный...

Вся электронная библиотека >>>. … в первую очередь сложного и точного машиностроения (морское судостроение, энергетическое оборудование, оптико-механические изделия), выпуск продукции...

Органы управления промышленностью. Министерство экономики...

...стрелково-пушечного и артиллерийского вооружения, ракетных комплексов, высокоточного оружия, патронов стрелкового оружия, оптико-электронных систем и приборов для.