Мини-лекции. Чёрно-белое телевидение. Иконоскоп

   Говоря о телевидении, мы реже всего вспоминаем о передающей стороне. Точнее о тех вещах благодаря которым мы и имеем возможность смотреть это самое ТВ! О передающих трубках, преобразующих картинку в электрические сигналы. Да, сейчас новые, беструбочные технологии, но? Но это же наша история, наша жизнь, то с чего всё и начиналось!

   Наверняка Вы видели телевизионные студийные камеры, хотя бы по телевидению или на фото? Основу их представляет (представляла) передающая электронно-лучевая трубка. Вот только в разное время устроены они были по-разному. Не вдаваясь особо в подробности я Вас познакомлю с некоторыми из них.

   Для начала о фотопреобразователях, как основе всех трубок. Это фотокатоды преобразующие световую энергию в электрическую. На рис1 Вы видите так называемое фотосопротивление. Это слой полупроводника с контактами. При освещение устройство меняет своё сопротивление электрическому току и стало быть на нагрузке R напряжение будет в точности повторять изменение освещённости рис8а. Но более всего в историю вошли фотоэлементы рис5 схема, а на рис8b один из вариантов (исполнения) фотоэлемент. Устройство весьма простое. Колбочка наполненная газом гелием. На одной внутренней стороне колбочки нанесён тонкий слой серебра, а поверх него ещё слой щелочного металла цезия, заканчивающегося контактным выводом. Отсюда и название ЦГ-3. Цезий плюс гелий ровняется любовь с тремя неизвестными? Шутка. Это фотокатод с так называемым внешним эффектом. При его освещении под действием фотонов фотокатод эмитирует (испускает) электроны. Прямо напротив находится металлический анод. Анод притягивает электроны и в цепи возникает ток. А на нагрузке R падение напряжения пропорциональное величине потока фотонов.

   Чтобы увеличить чувствительность системы применяют так называемый умножитель рис7. Принцип работы его прост. Свет падает на фотокатод ФК аналогичный катоду фотоэлемента рис5. Имитированные фотоэлектроны устремляются к ДИНОДУ Д1. Так-как он находится под большим потенциалом то электроны приобретают большую энергию и при соударении с динодом выбивают из него ещё большее количество электронов. А далее Д1 отфутболивает их к Д2. Из него выбивается ещё больше электронов и те уже направляются прямёхонько к аноду А. Далее также как и в схеме с фотоэлементом. Только вот величина тока и соответственно напряжения на R значительно больше чем в обычном фотоэлементе! Происходит так называемое умножение фототока!

   Первоначально именно с внешним фотоэффектом и было связано изобретение передающей трубки, — ИКОНОСКОПА рис4. Внешне похожего на ковшик?! Но это не ковшик, а точнее всё-таки колба с вакуумом внутри. На рис6а показана суть внешнего фотоэффекта (как бы отражения электронов). Существует и другой тип фотоэффекта, внутренний рис6b. Свет падает слева-направо, а поток электронов излучается вправо по стрелочке. В более поздних типах трубок именно такой вид и применялся при их конструировании. Но возвратимся к иконоскопу и не только, что он первый, допотопный, но и более подходящий для понимания.

   Основой иконоскопа является фотокатод рис9. Тот кто занимался к старые, добрые времена фотографией знает, что все фотоматериалы (фотоплёнки, фотобумаги) состояли из подложки и фотослоя из измельчённых зёрен галоидных солей серебра: бромистое, хлористое и иодистое. Под действием света и дальнейшей обработки крупицы солей серебра чернели и чем больше было количество света, тем темнее получался слой. Одним словом получалось изображение (негатив). На рис3а слой при увеличении, а на рис3b под микроскопом. Вот по аналогии с фото и был состряпан фоточувствительный слой для нашего иконоскопа. Слой назвали мозаикой. Всё это представляло тонкий слой слюды (как хорошего диэлектрика). На тыльной стороне металлическое покрытие (сигнальная пластина, справа для Вас), а на противоположной сама мозаика (как бы в разрезе). Мозаика это микроскопические пятнышки вещества способного излучать электроны при поглощении фотонов. Чем больше фотонов, тем больше покидает вещество электронов. Электроны в свою очередь устремляются к аноду (А2) рис3. А так-как с помощью объектива телекамеры на мозаике проецируется изображение, то на фотокатоде получается «электрическое изображение». Так ещё, зёрна мозаики заряжаются пропорционально падающего на них света. А, что дальше? Далее сформированный в нижней части иконоскопа электронный луч направляется прямо на фотокатод. Электроны в свою очередь нейтрализуют положительный заряд мозаики. А так-как каждое зерно мозаики совместно с металлическим покрытием (сигнальной пластиной) представляет собой конденсатор, то происходит разряд каждого такого микроконденсатора. А ток разряда создаёт падение напряжения на нагрузке R.

   Электронный луч не просто так направляется на фотокатод, а под руководством развёртывающей системы по аналогии с кинескопом в телевизоре. Стало быть луч обходит поверхность как и положено с верхнего левого угла слева-направо, по строкам и кадрам... Также и мозаика нейтрализуется постепенно, строка за строкой. А с нагрузки снимается так называемый видеосигнал. Всё изображение растягивается в поток электрических сигналов. На приёмной стороне всё происходит в обратном порядке, изображение собирают. Вот такой процесс! Остаётся только отметить, что апертура (площадь пятна электронного луча) покрывает значительно большее количество зёрен мозаики чем на рис9 справа. Ну, как и в фотографии.

   Иконоскоп был малочувствительной трубкой и требовал слишком много света. Вот поэтому его применяли только для студийных передач с прожекторами. Дальнейшие разработки пошли по пути применения фотокатодов именно с внутренним фотоэффектом и применением умножителей по типу рис7. Кроме того стали применять принцип переноса изображения. В смысле «электронного изображения» и применением мишеней с накоплением... Видите как закручено?! Недаром же я с иконоскопа начал дурить Вам голову?! Мишень, это плоскость воспринимающая на себя перенос «электронного изображения» и только потом... А перенос, это как? Ну, как Вам сказать? Но я попробую всё же Вас просветить, так самую малость.

   Жил-был в Нидерландах дядька Хендрик Антон Лоренц (1853-1928гг.). Дядька как дядька ничего особенного? Вот только родился он сразу же физиком и тут же умудрился открыть нечистую силу! Которую потом и назвали его именем, силой Лоренца! Что это за сила такая? О! Это хитрая сила, воздействующая на заряженные частицы (электроны). Ну это когда они (частицы-электроны) запрутся в магнитное поле. После чего и начинает действовать эта сила. И как только, так сразу частица начинает выписывать кренделя, мотаться по кругу. Это если вектор скорости частицы перпендикулярен силовым линиям магнитного поля, будь оно неладно! А если нет? Ну, тогда она (частица) начинает двигаться по винтовой линии (спирали). Именно в таком виде влетают электроны испускаемые точкой эмиссии катода и неважно какого... Из физики Вы знаете (может быть?) что одноимённые заряды отталкиваются полями друг от друга. А посему электроны вместо движения друг с другом по прямой, разлетаются веером врассыпную. А это значит, что под углом к силовой линии магнитного поля. Стало быть движутся из-за Лоренца по спирали. Придумал же этот нидерландец?!

   А теперь самое интересное! Если траектория электрона совпадает с направлением силовых линий магнитного поля, то он ничего не почувствует. А вот те, что попытаются сбежать на сторону будут захвачены силой Лоренца и начнут движение по спирали. Причём период вращения Т останется для всех беглецов один и тот же! И через этот самый период все они (электроны) соберутся в одной точке. А ещё через период опять соберутся вместе, но уже на другом расстояние и так далее рис2. А, магнит где? Да вон он! Это катушка цилиндрическая, показана в разрезе полоски жёлто-коричневого цвета. Правда нужно уточнить, что такая красивая картина будет только в случае движения электронов в ускоряющем электрическом поле. Отсюда и сосиски имеют разную длину (шаг h). При этом в плоскостях где электроны собираются вместе можно построить изображение (потенциальный рельеф). Всё это и будет называться переносом изображения из оптического в электрическое. Если конечно потоки электронов будут соответствовать изображению?.. И ещё (что немаловажно!) электрическое поле не только ведь захватывает неуправляемые (какие мерзавцы?!) электроны, но и разгоняет их до сумасшедших скоростей... Отчего эффект от соударения их с мишенью получается впечатлительным! Мало того, мы как бы можем ещё и управлять «электрическим изображением«.

   На рис6d схема передающей трубки, так называемого мгновенного действия, и с хитрым названием, — ДИССЕКТОР. В ней собрались все рассмотренные нами элементы. Изображение чёрного треугольника проецируется объективом на фотокатод с внутренним фотоэффектом. Это значит, что с каждой точки катода (с внутренней стороны) будут испускаться электроны (в соответствии с освещённостью). Прямо против катода расположен анод (АН) в виде плоской пластины и положительным, естественно потенциалом, отчего электроны устремятся к этому аноду. Так-как почти вся конструкция находится в длинной цилиндрической катушке (коричневого цвета) , то непослушные электроны вращаясь по спирали соберутся прямёхонько на плоскости этого анода. Неважно через сколько периодов Т?! Короткие катушки (зелёного цвета) отклоняющие и могут отклонять все потоки электронов ОДНОВРЕМЕННО!

   Теперь про самое необычное! В добрые, старые времена дефицита был такой анекдот: Заходит мужик в магазин, а там??? А там, китайские веера продают! Купил для жены (а может и не для?) и на радостях домой. А ему вслед продавец кричит: «Молодой человек! А инструкцию-то вы не взяли»... Тот только отмахнулся и бегом... Приходит домой и сразу же испытать... Взмахнул веером, а он и рассыпался! Мужик в магазин со скандалом... Продавец спокойно отдаёт ему инструкцию, а в ней?..

  — Раскройте веер, держите его вертикально перед собой! И быстро крутите и крутите головой перед ним! К чему это я? Если раньше (в иконоскопе) считывание неподвижного изображения производилось электронным лучом, то здесь он (луч) отсутствует вообще! Как же так? Очень просто. Посмотрите на чёрный треугольник, это объект. А ниже ещё один, а в середине белое пятнышко. Это «электрическое изображение» того треугольника на плоскости анода. А пятнышко в середине треугольника есть отверстие в аноде (АН), благодаря которому электроны могут пролететь далее (в зелёную зону). Площадь отверстия равна площади заданного элемента разложения. Теперь с помощью катушек отклонения (развёртки) мы ВСЁ изображение можем передвигать относительно отверстия (как и веер из анекдота!). И получается развёртка, так ещё всё элементы изображения (электроны) будут по очереди проникать в отверстие, а далее? А далее попадут в умножитель УМ, в то самое зелёное поле. И многократно умноженное осядут на аноде (а) уже умножителя с которого и будет снят усиленный сигнал.

   Мишень. Под мишенью понимают часть трубки на которую проецируется оптическое изображение, либо «электрическое» поток фотоэлектронов. Здесь необходимо уточнить какие бывают фотокатоды, и те же самые мишени. На рис6а Вы видите катод с внешним фотоэффектом, используемым в иконоскопе. То есть фотоэлектроны эмитируются в сторону падающего света. Второй тип катода мишени с внутренним фотоэффектом, это когда фотоэлектроны эмитируются по направлению падающего света и с противоположной стороны мишени рис6b. Такого типа мишень применяется в диссекторе о котором мы говорили накануне.

   Мишень построенная на принципе проводимости Вы видите на рис6с. Она не излучает фотоэлектроны, а только создаёт рельеф проводимости. Как реально она устроена? На стеклянную пластину (голубого цвета) наносится полупрозрачный металлический слой. Так называемую сигнальную пластину. А сверху слой фотопроводящего вещества толщиной в несколько микрон. Такими веществами являются: аморфный селен, сульфиды и селениды цинка и кадмия, окиси цинка и свинца. Кроме того могут быть слои из таких веществ. Проводимость шунтирует локальные ёмкости и влияет на их заряд/разряд. При считывании электронным лучом происходит восстановление первоначального состояния и как итог возникает напряжение видеосигнала. Все мишени практически используют принцип накопления основанный на разнице времени освещения мишени всего кадра и времени рабочего момента во время считывания одного элемента. Отчего эффективность системы увеличивается. В свою очередь передающие трубки делятся на использующие метод накопления энергии и мгновенного действия (не использующие). К последней относится ДИССЕКТОР и система механического телевидения с диском Нипкова. У диссектора нет ничего, что как-то влияло на состояние мишени! А все остальные (те о которых мы говорили.) используют накопление энергии.

   И последнее. Это поверхностное знакомство с наиболее часто применяемые типами передающих трубок. На рис4 знакомый уже иконоскоп. На рис11 — видикон. А вот на рис10 СУПЕРОРТИКОН, самый чувствительный из всех типов трубок. Когда в 70-х я начал работать на заводе в лаборатории ведущих конструкторов, то? То обратил внимание на то, что на каждом столе, каждой группы лежат (валяются) чёрные квадраты из стекла. Ну для того чтобы исправлять (добавлять) в документы, оригиналы в виде калек.

   С помощью бритвенных лезвий счищается тексты, чертежи выполненные тушью. Кто занимался таким, могут подтвердить. Но почему чёрное стекло? Наконец-то (хотя и нехотя) меня просветили! Когда я посмотрел через такое стекло на солнце, то не зная где оно находится, не скоро бы его нашёл! И вот почти каждый день, как обычно в лаборатории работали всякие мониторы и картинки на них с камер... Но в этот раз только один монитор работал и картинка на экране. Так ничего особого, камера днём показывала нашу лабораторию... Всё бы ничего, если бы не сама камера, а точнее через чего она показывала помещение? Через целую пачку (5-6 шт.) этих чёрных стёкол!!! И когда я узнал про подводную лодку прошедшую подо льдами к северному полюсу я уже не удивился, вспоминая картинку на мониторе и камеру с пачкой чёрных стёкол-фильтров!!!

   Вернёмся к устройству этого супер-пупера. Там много чего наворочено, но? Но там чёткое разграничение: секция переноса, секция коммутации и секция умножения. Последняя находится в конце трубки и мною обозначена красной окружностью. Утолщённая часть, почти вся секция переноса. И остальное, стало быть, секция коммутации. Здесь трубка девственно голенькая, без фокусирующей катушки и отклоняющих. Ниже изображения пределы размеров разных модификаций.

   В самом низу более поздних разработок, — ВИДИКОН. Она, судя по размерам меньше супер-пупера, да и не такая навороченная?! Когда говорят о трубках вообще и в частности о видиконе упоминают о режиме в котором работает или может работать. А это режим быстрых и медленных электронов. А, это как? Как Вы уже могли почувствовать, что удары электронов по мишеням и вообще по чём-нибудь, приводит к выбиванию вторичных (из мишени) электронов. На рис5, зелёная формула показывает этот процесс, точнее эффективность этой «бомбардировки»! Где n1 — среднее число первичных (прилетевших) электронов, а n2 — среднее вторичных (вылетевших) электронов. Жёлтая формула показывает процесс выбивания электронов. Если эти условия выполняются, мы имеем дело с быстрыми электронами. В противном случае с медленными. Так иконоскоп работает быстрыми электронами, а супер-пупер медленными. А этот чёртов видикон и теми и другими! Нужно лишь поменять схему режимов.

   Ну и под занавес два слова о трубке, — МОНОСКОП. Моно, значит что-то одно?! Да, это одно изображение чего-нибудь, скажем испытательной таблицы. Она рисуется на мишени и считывается быстрыми электронами! Вот пожалуй и всё! После прочтения забудьте всё это как дурной сон!