Трубка, доведенная до совершенства

05 Мая
Трубка, доведенная до совершенства

В 1873 году английские ученые Дж. Мей и У. Смит открыли светочувствительность химического элемента селена — изменение его сопротивления под действием света. В результате изучения этого явления вскоре в различных странах были предложены многочисленные проекты «видения на расстоянии при помощи электричества», в которых свойства селена использовались для светоэлектрического преобразования.

Для создания телевидения нужно было найти способ передачи изображений, основанный на применении развертки изображения и использования инерционности зрительного восприятия.

Первые одноканальные системы передачи, основанные на этих принципах, в 1877–1878 годах независимо друг от друга предложили французский инженер М. Санлек, португальский физик А. де Пайва и русский студент, впоследствии известный физик и биолог П. И. Бахметьев.

В последующие годы было предложено еще много проектов телевизионных систем, основанных на использовании светочувствительности селена и применении различных оптико-механических устройств. Передающее устройство в большинстве этих систем представляло собой сочетание селенового светоэлектрического преобразователя и механизма для развертки изображения.

РОЗИНГ НИПКОВ.png
Пауль Юлиус Готлиб Нипков — немецкий техник и изобретатель. Изобретённый им диск, получивший название диск Нипкова, послужил основой для появления механического телевидения в 1920-x годах
Wikipedia

Важным шагом в деле практического решения проблемы телевидения стало изобретение в 1884 году немецким техником П. Нипковом простого оптико-механического устройства для построчной развертки и воспроизведения телевизионных изображений.

Однако из-за технических трудностей количество новых проектов телевизионных систем к концу XIX века значительно уменьшилось. Тем не менее недостаточно глубокий подход к проблеме телевидения сменился исследованиями, направленными как на усовершенствование конструктивных элементов оптико-механических систем, так и на поиски новых путей решения задач.

В таком состоянии находилось телевидение, когда эта проблема привлекла внимание Бориса Розинга. Начало его практических исследований в области передачи изображений, которую он называл электрической телескопией, относится к 1897 году.

Свои опыты Розинг начал с проверки возможности использования в системе передачи изображений на расстояние фотохимических явлений, в частности действия света на элемент с серебряными электродами, покрытыми светочувствительным слоем. Он, очевидно, надеялся обойтись без каких-либо механических устройств.

РОЗИНГ ТЕЛЕНИПКОВ.png
Телевизионный приёмник с диском Нипкова в Стокгольмском техническом музее
Wikipedia

 

Преобразование без инерции

Открытие внешнего фотоэффекта, изобретение электронно-лучевой трубки, изобретение радио оказали решающее влияние на развитие телевидения.

Именно электронно-лучевая трубка стала впоследствии тем звеном телевизионной системы, которое коренным образом изменило направление развития телевидения.

Прототипом электронно-лучевой трубки можно считать газоразрядную трубку известного английского физика У. Крукса, впервые наблюдавшего изображение объекта в катодных лучах (теневое изображение креста на торцевой стенке трубки). Он также обнаружил фосфоресценцию некоторых кристаллов под действием катодных лучей.

В 1897 году немецкий физик, профессор Страсбургского университета Карл Ф. Браун, использовав имевшиеся данные о свойствах катодных лучей, сконструировал первую катодную, или электронно-лучевую, трубку, которую он предполагал использовать в качестве индикаторного прибора при исследовании электромагнитных колебаний. Особенностью трубки Брауна является применение флуоресцирующего экрана для наблюдения следа движения электронного пучка при отклонении его магнитным полем катушки.

Трубку Брауна вскоре стали применять для демонстрационных и измерительных целей и лабораторных исследований быстропротекающих электрических явлений. До 1906 года электронно-лучевая трубка применялась только в осциллографах.

А еще в конце XIX века Александр Попов изобрел радио. В этот период были созданы приемно-усилительная и электровакуумная техника, сделавшие возможным претворение в жизнь проектов систем электронного телевидения.

К этому времени были уже известны предложенные в разных странах, в том числе в России, многочисленные проекты телевизионных систем, основу которых составляли более или менее сложные механические устройства для разложения (развертки) изображения на элементы и селеновое фотосопротивление, выполнявшее роль светоэлектрического преобразователя. Но ни одна из этих систем механического телевидения не была реализована на практике. Проблема телевидения привлекла Розинга своей сложностью и новизной, а также перспективами, которые открывало ее решение. Несколько лет он затратил на эксперименты с механическими и электрохимическими системами передачи изображений. В примитивных оптико-механических устройствах он увидел принципиальные недостатки механического телевидения.

Теоретические и экспериментальные исследования проблемы телевидения в целом привели его к следующему убеждению: «Попытки построения электрических телескопов на основах простой механики материальных тел, которая дает в обычных условиях столь простые и, казалось бы, вполне осуществимые решения вопросов, должны неизбежно кончаться неудачами». Практическая телевизионная система должна, по его мнению, строиться на «замене инертных материальных механизмов безынертными в обыденном смысле этого слова устройствами».

РОЗИНГ ТРУБ БРАУНА.png
Электронно-лучевая трубка Брауна, изобретенная в 1897 году
crtsite.com

В поисках таких безынерционных устройств Розинг обратился к новейшим на рубеже XIX и XX веков научным открытиям и достижениям в области физики. В электрометрической лаборатории Технологического института Розинг пользовался осциллографом с электронно-лучевой трубкой Брауна и изучил ее свойства. Наблюдая, как электронный луч вычерчивает на экране трубки сложные светящиеся фигуры, он решил, что электронно-лучевая трубка может быть использована в качестве безынерционного устройства для воспроизведения изображений в телевизионной системе.

Позднее он писал: «Катодный пучок есть именно то идеальное безынертное перо, которому самой природой уготовано место в аппарате получения (то есть приемнике изображения. — “Стимул”) в электрическом телескопе».

В 1902 году Борис Розинг решил на практике проверить свою идею. Он применил простую осциллографическую трубку в приемном устройстве системы передачи изображений. Сигналы на трубку поступали от передающего устройства в виде электролитической ванны с четырьмя электродами, соединенными с отклоняющими катушками трубки. Роль светового луча выполнял металлический стержень, перемещаемый по слою электролита в ванне. Движение электронного пучка по экрану трубки повторяло все движения металлического стержня, и светящееся пятно на экране вычерчивало вензеля, буквы и другие фигуры. Но такую систему еще нельзя было считать телевизионной, так как она не была пригодной для передачи и воспроизведения движущихся изображений с различной яркостью отдельных элементов, то есть полутоновых изображений.

И Розинг нашел способ модуляции интенсивности электронного пучка трубки — изменения количества электронов, попадающих на экран, в соответствии с изменением яркости элементов передаваемого изображения. Этим он превратил осциллографическую трубку в телевизионную — прообраз современного кинескопа. Так было создано безынерционное приемное устройство телевизионной системы.

Теперь нужно было найти способ безынерционного преобразования передаваемого изображения в электрические сигналы. Зная, что селеновое фотосопротивление непригодно для этой цели из-за большой инерционности, Розинг занялся исследованием фотоэлектрических свойств других веществ. Следствием этого стало решение применить в передающем устройстве щелочной фотоэлемент с внешним фотоэффектом (см. схему).

Так шаг за шагом он создавал свою систему электрической передачи изображений, настойчиво экспериментируя и проверяя практически каждое ее звено. И только после того, как вся схема и все ее элементы были тщательно продуманы, он подал заявку на привилегию на изобретение «Способа электрической передачи изображений» (Привилегия № 18076, заявлена 25 июля 1907 года). Произошло это через десять лет после начала его первых опытов.

РОЗИНГ СХЕМА.png
Развертка изображения телевизионной системы Розинга в передатчике осуществлялась при помощи двух зеркальных барабанов А и В, оси вращения которых располагались взаимно перпендикулярно. При вращении зеркал свет от всех точек передаваемого объекта М N поочередно проходил через линзу L и попадал в расположенный на оси этой линзы щелочной фотоэлемент С. Вертикальный барабан предназначен для развертки по строкам, а горизонтальный — для развертки по кадрам. За один оборот горизонтального барабана вертикальный барабан совершал 50 оборотов. В приемном устройстве приходящие от фотоэлемента сигналы изображения подводились к отклоняющим пластинам конденсатора G, между которыми проходит электронный пучок. Создаваемое этими сигналами электрическое поле конденсатора отклонит электронный пучок к центру отверстия диафрагмы. Попадающие на экран трубки электроны вызовут изменение яркости его свечения в соответствующих точках, благодаря чему и должно воспроизводиться видимое изображение передаваемого предмета

 

Первая телевизионная передача

 Девятого мая 1911 года Розинг осуществил первую передачу изображения на расстояние. Передавалось изображение решетки, состоящей из четырех полос, помещенной перед объективом передатчика. Это была первая в мире телевизионная передача: ни один из предшественников Розинга не мог показать свою систему в действии и передать хотя бы самое простое изображение. Она знаменательна не только как первая в истории мировой науки и техники телевизионная передача, но и как самый первый шаг на пути практического применения электронного телевидения.

Если учесть состояние техники электронных приборов того времени и отсутствие усилителей слабых фототоков, то следует признать, что получение на экране электронно-лучевой трубки даже простых изображений, передаваемых на небольшое расстояние, стало величайшим научно-техническим достижением.

Русское техническое общество, отмечая заслуги Бориса Львовича Розинга в области электрической телескопии, в 1912 году наградило его золотой медалью и премией Общества К. Ф. Сименса. Но полученные результаты не удовлетворяли Розинга. Он отдавал себе отчет в том, что эти результаты только подтверждали правильность принципов построения системы, но не могли считаться приемлемыми с практической точки зрения, и продолжал совершенствовать свою систему, применив вместо газонаполненной трубки с холодным катодом вакуумную трубку с накаливаемым катодом и магнитной фокусировкой электронного пучка. В 1912–1914 годах Розинг провел теоретическое и экспериментальное исследование фокусировки электронного пучка продольным магнитным полем и вывел расчетную формулу, связывающую фокусное расстояние «магнитной линзы» с числом ампер-витков катушки.

Это можно рассматривать как первое практическое применение принципов электронной оптики в телевидении. Другим нововведением было получение отклоняющих токов и напряжений за счет периодического заряда и разряда емкости линии. Попутно он разработал совместно с преподавателем Женского политехнического института М. В. Ивановым технологию изготовления калиевых фотоэлементов и впервые в России организовал их производство в лабораторных масштабах. Следует отметить, что работой Розинга не заинтересовались ни правительственные учреждения, ни военное ведомство. Поэтому ученому пришлось проводить свои эксперименты, не получая никакой поддержки.

После первых успешных опытов передачи изображений Борис Львович продолжает кропотливую работу по усовершенствованию своей системы.

Но начавшаяся в 1914 году Первая мировая война изменила характер работы Розинга, как и многих других ученых. Ему пришлось переключиться на выполнение заданий военного ведомства. Тем не менее эти новые работы были продолжением всех предшествующих исследований и основывались на уже достигнутых результатах. В 1915–1916 годах он разрабатывает систему светоэлектрической сигнализации на больших расстояниях, также основанную на использовании явления возникновения колебаний в цепи фотоэлемента.

 

После революции

Зимой 1918 года Розинг переехал в Екатеринодар (Краснодар). Там он принимал участие в организации Северо-Кавказского политехнического института и был избран проректором по учебной части и профессором физики. Но в сентябре 1919-го этот институт был объединен с другим и реорганизован в Кубанский политехнический институт. Борис Львович был в этом институте профессором кафедры теоретических основ электротехники, а кроме того, профессором физики в Кубанском педагогическом институте. Позднее он организовал Северо-Кавказский техникум и до 1921 года руководил в нем учебными занятиями как председатель совета техникума.

В конце 1924 года он возвратился в Технологический институт, в котором до Октябрьской революции проработал двадцать пять лет. Правление института утвердило его в должности преподавателя, а затем доцента по курсу электрометрии. Оказавшись снова в Петрограде, Борис Львович возвращается к работе над своей главной и любимой темой.

К началу 1920-х годов телевидение еще не существовало как самостоятельная отрасль техники. Но во время войны развилась и нашла практическое применение радиотехника, приобрела важное значение радиосвязь, что, в свою очередь, вызвало рост радиопромышленности. В радиоаппаратуре практически использовались методы усиления слабых электрических сигналов при помощи электронных ламп. Были усовершенствованы и превращены в чувствительные приборы фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

Ламповый усилитель устранял основное препятствие на пути реализации телевидения — невозможность усиления слабых сигналов изображения, а техника радиосвязи позволяла использовать в качестве канала для передачи этих сигналов не проводные линии, а радио. Во многих странах получило распространение массовое радиовещание. Все это способствовало возобновлению интереса к телевидению. Розинг при первой возможности возвращается к своей работе над телевидением. Такая возможность открылась для него в 1924 году, когда он был приглашен работать в качестве старшего научного сотрудника в Ленинградскую экспериментальную электротехническую лабораторию научно-технического отдела ВСНХ. Здесь в распоряжение Розинга были предоставлены лаборатория, оборудованная необходимой аппаратурой, и штат сотрудников. В ЛЭЭЛ Розинг воссоздал свою систему и внес ряд усовершенствований в передающее и приемное устройства. Была разработана новая оптическая система для «получения неискаженного в отношении яркости, отчетливости и увеличения изображения».

РОЗИНГ ЗВОРЫКИН.png
Условия для работы у Владимира Зворыкина, бывшего ученик Розинга были гораздо лучше
omagazine.online

Опыты, проведенные Розингом в ЛЭЭЛ в 1924–1928 годах, показали полную работоспособность его телевизионной системы и правильность принципов, на которых она строилась. В лабораторных условиях можно было передавать простые изображения с четкостью 48 строк. Изображения на экране трубки получались вполне точные и настолько яркие, что их можно было фотографировать.

Критически оценивая свои работы в области телевидения и достигнутые результаты, Розинг в 1928 году писал: «Но, конечно, все это еще очень далеко от устройства такого простого и легкого прибора, которым всякий мог бы пользоваться в любое время, как мы пользуемся теперь обыкновенным телефоном или радиоприемником».

В 1931 году Розинга арестовали и сослали на Север. Ученый проходил по «делу академиков». Вся его вина заключалась в том, что он вложил в кассу взаимопомощи деньги для одного из своих бывших коллег, который нищенствовал и побирался. Органы безопасности установили, что в прошлом тот был белогвардейским офицером. Под репрессии попали почти все, кто поддержал нуждающегося профессора. В этом увидели финансовую поддержку контрреволюционного элемента. В Котласе и Архангельске ему удавалось читать для рабочих лекции по физике, писать научно-популярные статьи в местные газеты и даже проводить научные эксперименты, используя лабораторию Лесотехнического института. Здесь Розинг смог усовершенствовать свои приборы для ориентировки слепых и для фоточтения. 20 апреля 1933 года, находясь в ссылке в Архангельске, Борис Львович Розинг внезапно скончался от мозгового кровоизлияния.

В том же 1931 году, когда Розинг был арестован и сослан, в лаборатории телевидения Всесоюзного электротехнического института Семен Катаев начал разработку приемных телевизионных трубок с магнитной фокусировкой, обладавших серьезными преимуществами по сравнению с газонаполненными трубками и даже вакуумными трубками с электростатической фокусировкой. Применявшиеся для приема телевизионных передач электронно-лучевые трубки могли обеспечить воспроизведение изображений с высокой четкостью. Создание передающей телевизионной трубки оказалось более сложной задачей, но и она была быстро решена. Передающую телевизионную трубку, в которой оказалось возможным практически использовать эффект накопления электрических зарядов, в 1931 году практически одновременно изобрели Семен Катаев в СССР и Владимир Зворыкин, бывший ученик Розинга, — в США.