И все же разносторонние свойства электронной лампы — этого гибкого, универсального и точного прибора — далеко еще не полностью использованы в эмиритоне.
Ведь было время, когда и автомобиль «учился ходить», а самолет «учился летать». Так и электромузыкальные инструменты. Они еще только «учатся петь». Пройдут годы, будут созданы новые конструкции, и тогда электромузыкальные инструменты займут место в оркестрах рядом с обычными струнными и духовыми инструментами.
Глава седьмая. Электрон открывает невидимый мир
Третий потомок разрядной трубки
Световые явления, возникающие в разрядной трубке, привлекали ученых прошлого столетия своей красотой, разнообразием и загадочностью. Во второй половине XIX века не было ни одной физической лаборатории, которая не обзавелась бы набором разрядных трубок. Физики на разные лады повторяли опыты Петрова и Фарадея, но никто из них не мог найти разрядной трубке практического применения.
Разрядная трубка, давшая начало двум могущественным электронным приборам — рентгеновскому аппарату и электронной лампе, — сама долго оставалась неусовершенствованной.
В 1907 году два русских ученых Б. Л. Розинг и Л. И. Мандельштам обратили внимание на одну особенность разрядной трубки, которая до тех пор оставалась неиспользованной. При достаточно сильном разрежении воздуха в трубке электронный поток устремляется от катода перпендикулярно к его поверхности и не зависит от положения анода. Анод в такой трубке может помещаться не напротив катода, а где-либо сбоку, как в некоторых типах рентгеновских трубок.
В том месте, где электронный поток падает на стенку трубки, возникает зеленоватое свечение. Если внутреннюю поверхность трубки в этом месте покрыть каким-либо веществом, которое может светиться под ударами электронов, то это свечение становится особо ярким и удобным для наблюдения.
Электронный луч в катодной трубке отличается необычайной подвижностью и «отзывчивостью» к влиянию магнитных и электрических полей.
Магнитным полем можно заставить электронный поток отклоняться в сторону, изгибаться дугой, сжиматься в струнку, завиваться штопором. Чувствительность электронного луча исключительно велика: на каждое изменение электрического или магнитного поля он отзывается мгновенно. Наше слово «мгновенно» в данном случае, пожалуй, даже непригодно.
Длительность мига, то есть «мгновения ока», составляет примерно 40 тысячных долей секунды. Только для того, чтобы открыть глаз, требуется около 25 тысячных секунды, — миг вовсе не так короток, как нам это кажется!
Наиболее быстрое движение, какое удается наблюдать в живой природе, это колебание комариного крыла. Комар делает до 500 взмахов в секунду! Две тысячных доли секунды на каждый взмах! Но даже комариное крыло не может соперничать с электронным лучом. Он отзывается на внешнее воздействие даже не в тысячные, а в миллиардные доли секунды.
Это свойство электронного луча объясняется малой массой электрона — его малой инерционностью.
Струйки голубоватого дыма, которые вьются над горящей папиросой, состоят из мельчайших частиц углерода. Величина этих частиц определяется долями микрона. Одна такая «дыминка» весит примерно 1,5∙10-15 грамма. Однако, несмотря на столь ничтожную величину «дыминки», в ней содержится 500 миллионов атомов углерода. Настолько малы атомы! Электроны же еще меньше. Электрон в 22 тысячи раз легче атома углерода.
Понятно, что частицу столь ничтожной массы очень легко заставить изменить направление своего движения. При малой массе электронам свойственна столь же малая инерция. Вот почему электронный луч в разрядной трубке так чувствителен.
Русские ученые Б. Л. Розинг и Л. И. Мандельштам начали совершенствовать катодную трубку и приспосабливать ее для регистрации самых быстрых, самых кратковременных явлений, как например образование электрических искр. Эти работы продолжил Д. А. Рожанский.
Б. Л. Розинг, мечтая изобрести прибор для передачи изображений по проводам, старался приспособить катодную трубку для этого своего изобретения. Л. И. Мандельштам и Д. А. Рожанский, понимая, что необычайная чувствительность электронного луча окажется незаменимой при различных исследованиях, трудились, чтобы найти практическое применение катодной трубке. А для этого было необходимо научиться управлять электронным лучом и заставить его «рисовать» или «писать».
Такой способ они нашли, и катодная трубка превратилась в электроннолучевую трубку, которая послужила родоначальницей новой обширной семьи электронных приборов: электроннолучевого осциллоскопа, кинескопа, иконоскопа, электронного микроскопа и многих других замечательных приборов.
Современная электроннолучевая трубка имеет форму колбы с длинным горлом и широким, слегка выпуклым, дном. Дно трубки покрыто люминофором, то есть веществом, способным светиться под действием электронного луча. Обычно для этой цели применяют кремнистые цинк или кадмий. Дно трубки служит экраном, на котором исследователь наблюдает светящийся след электронного пучка.
Для получения мощного электронного луча и фокусировки его, то есть для образования на экране маленького ярко светящегося пятнышка служит электронная пушка, которая помещена в узкой части колбы против экрана (рис. 70).
Рис. 70. Схематическое изображение электроннолучевой трубки.
Катод электронной пушки выполнен в виде металлического стаканчика, обращенного дном к экрану. Изнутри стаканчик подогревается миниатюрной электрической печкой, а снаружи на его дно нанесено немного состава, легко испускающего электроны при нагревании, — он-то и служит источником электронов.
Анод делают обычно в виде двух цилиндров, по оси которых проходит пучок электронных лучей. На цилиндры подают такие напряжения, что образуемое ими электрическое поле приобретает свойство линзы, оно собирает их в одну точку на экране.
Электроны, вылетающие из катода во все стороны расходящимся пучком лучей, проходя сквозь цилиндры анода, не только ускоряются, но и изменяют свой путь. Расходящийся пучок лучей становится сходящимся и дает яркую и маленькую звездочку на экране. Электронная линза фокусирует поток электронов так же, как стеклянная линза — световой поток (рис. 71).
Рис. 71. Схематическое изображение электронной пушки: К — катод, С — управляющий электрод, А1 и А2 — аноды, Б — стенка трубки.
Между катодом и анодом помещается еще один, также цилиндрический, электрод. Он называется управляющим электродом и играет такую же роль, как сетка в электрической лампе. Подавая на него то или иное положительное или отрицательное напряжение, можно регулировать число электронов, проходящих к аноду и, следовательно, изменять Яркость пятнышка на экране. Достаточно большое отрицательное напряжение на управляющем электроде вообще прекращает доступ электронов к экрану, то есть «запирает» электронный луч.
Чтобы электронный луч приобрел «дар рисования», трубку снабдили дополнительным устройством, которое заставило луч бегать по экрану и чертить на нем линии, фигуры, знаки.
Такое «рисующее» устройство располагается сразу же за анодами. Оно состоит из двух пар металлических пластинок. Первая пара пластинок поставлена вертикально, следующая за ней — горизонтально.
От каждой пластинки сделан вывод наружу (рис. 70).
Если к вертикальным пластинкам присоединить провода от какого-либо источника тока, то одна пластинка получит положительный заряд, другая — отрицательный, а электронный луч изогнется и отклонится в сторону положительной пластины. Светящаяся точка переместится от одного края экрана к другому, но, как только напряжение снимут, светящаяся точка вновь вернется на прежнее место.