Глава одиннадцатая. Свет и ток

 

Успехи фотоэлемента

 

Впервые десятилетия своего существования фотоэлемент, как и катодная трубка, был только физическим прибором. Он служил для научных исследований, но практического применения ему не находилось.

Инженеры, совершенствуя фотоэлемент, ничего по существу в нем не изменили. Основные части прибора оставались теми же, что были и у Столетова: два электрода – чувствительный к свету катод с большой поверхностью; анод, имеющий вид небольшого колечка или сеточки; батарея или другой источник постоянного тока.

Оба электрода заключены в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Современный фотоэлемент похож на электрическую лампочку. Но их сходство только внешнее. Эти приборы имеют совершенно противоположное назначение: осветительная лампочка преобразует электрическую энергию в свет, а фотоэлемент преобразует световую энергию в электрическую.

Когда на катод фотоэлемента падают световые лучи, через прибор идет ток. Чем ярче свет, тем сильнее фототок. Однако даже самый яркий свет рождает в фотоэлементе незначительный по силе ток, измеряемый миллионными долями ампера.

Поэтому физики присоединили к фотоэлементу ламповый усилитель. Через усилитель фотоэлемент может приводить в действие реле – автоматический выключатель тока.

Простейшее реле представляет собой небольшой электромагнит с легким и подвижным якорьком на пружинке. Когда через обмотку электромагнита проходит даже очень слабый ток, – магнит притягивает якорек, а тот, замыкая цепь от какого‑либо сильного источника тока, приводит в действие двигатели и механизмы, соединенные с этим источником тока (рис. 99).

Рис. 99. Схема, составленная из фотоэлемента, реле и вентилятора. Лучи света, падая на катод фотоэлемента, включают ток и приводят в движение вентилятор.

 

Возможно и другое включение реле: когда магнит притягивает к себе якорек, – цепь разомкнута. Но как только ток в обмотке электромагнита прекращается, якорек перестает притягиваться, пружинка отрывает его от сердечника электромагнита и прижимает к контактам источника сильного тока: происходит включение исполнительной цепи.

В союзе с усилительной радиолампой и реле фотоэлемент перестал быть только физическим прибором. Он начал нести службу в промышленности.

Сначала фотоэлемент приспособили для автоматического подсчета изделий на конвейерах и транспортерах.

С одной стороны ленты транспортера поставили маленький фонарик, бросавший поперек ленты узкий пучок параллельных лучей. С другой стороны транспортера, напротив фонарика, поместили фотоэлемент. Световой пучок падал на фотоэлемент, и через фотоэлемент шел ток.

Изделия, двигаясь по транспортеру, проходили мимо фотоэлемента и заслоняли собой свет фонарика. Ток в цепи фотоэлемента прекращался. Электромагнит реле отпускал якорек. Падая, якорек приводил в движение механизм счетчика. Каждый раз, когда изделие преграждало луч света, счетчик прибавлял единицу. Так, изделия, проходя мимо фотоэлемента, считали «сами себя».

Фотоэлемент, соединенный с радиолампой, реле и счетчиком, учитывал готовую продукцию спокойно, аккуратно – дни, недели, месяцы, не утомляясь, не ошибаясь и не требуя особого ухода.

После первых удачных опытов, фотоэлементы начали устанавливать на многих рабочих местах, а провода провели к счетчикам в диспетчерскую комнату. Диспетчер, глядя на выстроившиеся перед ним счетчики, видел, как идет работа на любом участке, сколько заготовлено деталей и сколько выпущено готовой продукции.

Фотоэлемент заставили охранять банк. В стенах коридора, ведущего в хранилище, установили несколько потайных фонариков. Они бросали тонкие пучки невидимых инфракрасных лучей. Лучи пересекали коридор, образуя незримую решетку.

На противоположной стене напротив каждого фонарика укрепили фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Провода от каждого фотоэлемента шли к реле сигналов тревоги.

Достаточно было пересечь хотя бы один луч, – по всему зданию заливались звонки, с грохотом захлопывались стальные створки дверей‑ловушек, которые преграждали выход злоумышленнику. Фотоэлемент оказался прекрасным «сторожем».

У входных дверей гостиниц тоже стали устанавливать фотоэлементы. Каждый посетитель, входя в подъезд, неминуемо пересекал световой луч: фотоэлемент «замечал» появление человека и через реле включал несколько механизмов. Небольшие электромоторы распахивали двери, в вестибюле вспыхивал полный свет, а чучело медведя раскрывало пасть и произносило человеческим голосом: «Милости просим!», «Добро пожаловать!» или «Извините, сегодня в гостинице свободных номеров нет!..» Фотоэлемент стал «швейцаром».

В Советском Союзе «электрический глаз» занял почетное место в технике безопасности. Световыми лучами ограждают опасные пространства под паровыми молотами, под штампами прессов, высоковольтные установки. Достаточно рабочему нечаянно попасть рукой или даже пальцем в опасную зону – фотоэлемент мгновенно включит тормозное устройство, и машина остановится.

Достоинства фотоэлемента – мгновенность действия, постоянная бдительность и, в соединении с реле, способность приводить в движение любой исполнительный механизм – были по заслугам оценены конструкторами и изобретателями.

На одной международной выставке фотоэлемент приладили к телескопу.

Телескоп направили на определенную точку неба, а реле фотоэлемента соединили со всеми механизмами выставки.

Настал вечер. Гости, съехавшиеся на выставку, толпились у ворот. Тысячи любопытных облепили ограду, всматриваясь в безлюдную территорию выставки.

В поле зрения телескопа появился Арктур – звезда первой величины из созвездия Волопаса. Луч света Арктура скользнул в телескоп и упал на фотоэлемент. Реле замкнуло контакт, и в тот же миг на всей территории выставки вспыхнули огни, осветились павильоны и дорожки. Распахнулись сами собой ворота, ударили фонтаны. Заиграла музыка, заработали все действующие модели машин и станков. Побежали вагончики электрической железной дороги. На мачте, освещенной прожекторами, взвился флаг, а в воздух взлетели сотни разноцветных ракет. Все это «проделал» слабенький луч звезды, пойманный фотоэлементом. Это он привел в движение множество различных механизмов – выключателей, моторов, фонтанных кранов, радиол, ракетниц и прожекторов.

Но и это было лишь началом применения фотоэлемента, его первыми шагами в практической жизни.

 

Служба вторичных электронов

 

Советские ученые выработали для катодов фотоэлементов составы, чувствительные и к ультрафиолетовым лучам, и к видимому свету, и к невидимым инфракрасным лучам.

У современных фотоэлементов катоды изготовляют в основном двух типов – кислородно‑цезиевые и сурьмяно‑цезиевые. И те и другие чувствительны к видимому свету, однако, наибольшую чувствительность они проявляют, когда их освещают лучами определенного цвета. Кислородно‑цезиевые даю г ток наибольшей силы при освещении инфракрасными лучами. Сурьмяно‑цезиевые чувствительны к ультрафиолетовым и видимым лучам.

Баллоны фотоэлементов, после откачки воздуха, иногда наполняют разреженным газом – неоном или аргоном. Присутствие этих газов в фотоэлементе повышает его чувствительность.

Электроны, вылетевшие из катода, сталкиваясь с атомами газа, могут ионизировать их. В результате таких столкновений возрастает число электронов, попадающих на анод, и сила тока увеличивается.

Это большое преимущество. Но ему, к сожалению, сопутствует недостаток, свойственный газовым приборам. В создании тока в газонаполненном фотоэлементе участвуют не только легкие, подвижные электроны, но и сравнительно тяжелые, неповоротливые ионы. (Ион аргона почти в 70 тысяч раз массивнее электрона.) Пока эти ионы раскачиваются да пока доберутся до катода, – проходит время. Поэтому газонаполненный фотоэлемент начинает действовать не мгновенно, ему требуется некоторое время на «раскачку». За быстрыми изменениями силы светового луча ток не поспевает: с прекращением действия света, разогнавшиеся ионы в течение нескольких миллионных долей секунды еще продолжают по инерции налетать на катод. Ток прекращается не сразу.

У фотоэлементов, наполненных разреженным газом, ослаблено их важное достоинство – мгновенность действия – безинерционность. Впрочем это зло на практике часто неощутимо.

Присутствие разреженного газа в баллоне фотоэлемента увеличивает его чувствительность в 6 – 12 раз. Это уж не столь большое достижение. Техника настоятельно требовала создания значительно более чувствительных фотоэлементов.

Остроумное решение этой задачи нашел ленинградский инженер Л. А. Кубецкий. Он увеличил силу тока фотоэлемента ни мало ни много, а в несколько миллионов раз!

В своем фотоэлементе изобретатель, кроме катода и анода, поместил еще несколько электродов. Эти дополнительные электроды получили название эмиттеров, что означает – испускатели.

Л. А. Кубецкий покрыл эмиттеры кислородно‑цезиевым составом, который легко отдает свои электроны. Работает фотоэлемент Кубецкого так: свет вырывает из катода электроны. Они летят к первому эмиттеру и ударяются об его поверхность. Каждый электрон выбивает 3–4 электрона, а иногда даже и больше.

Электроны, вылетевшие из первого эмиттера, направляются ко второму эмиттеру и выбивают еще по 3–4 электрона, которые устремляются к третьему эмиттеру. Там повторяется то же самое. Третий эмиттер в свою очередь умножает количество электронов и отсылает их к четвертому (рис. 100).

Рис. 100. Схема фотоумножения. Показано, как между эмиттерами возникает лавина электрона.

 

Поток электронов растет, как снежный ком.

Конечно, чтобы электрон был способен выбивать из эмиттеров новые электроны, он должен обладать достаточной энергией. Поэтому на каждый последующий эмиттер подается напряжение примерно на 100 вольт более высокое, чем на предыдущий. Кроме того, чтобы электроны попадали с одного эмиттера на другой, не сбивались с дороги, применяются различные системы управления при помощи электрических или магнитных полей.

На фотографии трубки Кубецкого видно, что трубка имеет 16 электродов. 2 из них – катод и анод, а 14 – эмиттеры (рис. 101).

Рис. 101. Фотоумножитель Кубецкого.

 

Какое же усиление могут дать эти 14 эмиттеров? Допустим, что каждый электрон, ударяясь о поверхность эмиттера, выбивает всего лишь по 3 вторичных электрона. Значит, каждый электрон, вылетевший из катода, выбьет из первого эмиттера 3 электрона.

От второго эмиттера их полетит уже 3 х 3 = 9, от третьего–27, от четвертого – 81, от пятого – 243. От девятого эмиттера в путь отправится 19 683 электрона, от двенадцатого – 531 441. После четырнадцатого эмиттера на анод попадает 4 782 969 электронов! Свыше четырех с половиной миллионов!

Одна трубка Л. А. Кубецкого может заменить множество усилительных ламп, которые обслуживают фотоэлементы других типов, усиливая их сигналы. Прибор Л. А. Кубецкого получил название фотоумножителя. Его автор был удостоен Сталинской премии.

Фотоумножители были значительно усовершенствованы профессорами П. В. Тимофеевым и С. А. Векшинским (рис. 102).

Рис. 102. Фотоумножитель Векшинского.

 

Зоркие помощники

 

Изобретения и усовершенствования, сделанные советскими учеными, намного улучшили фотоэлементы, и круг их обязанностей необычайно расширился.

Когда, например, полагается включать уличное освещение? Обычно это делается в заранее установленные часы. И в пасмурную погоду и безоблачным ясным вечером фонари вспыхивают на улицах в одно и то же время. Утром же они гаснут, когда захочется диспетчеру. Иной раз приходится видеть, как фонари горят до полудня. Это – напрасная трата энергии.

Теперь во многих городах Советского Союза за силой дневного света следят фотоэлементы. Как только становится действительно темно, они включают свет – в пасмурные дни и в узких улицах раньше, в ясные вечера и на площадях и набережных – позже. Утром фотоэлементы так же аккуратно гасят свет.

Фотоэлементы, помещенные внутри фабрично‑заводских труб, контролируют и регулируют работу котельных топок. Густой дым затемняет, ослабляет свет фонарика, обслуживающего фотоэлемент. Фотоэлемент приводит в действие механизмы, управляющие топкой: прочищаются колосники, подается больше воздуха, устанавливается нормальный режим горения топлива.

На боевых кораблях фотоэлемент помогает соблюдать маскировку. Черные столбы дыма, вырывающиеся из труб, делают корабли заметными задолго до появления эскадры на горизонте. Фотоэлемент зорко следит, чтобы топливо сгорало без дыма.

С каждым годом расширяется применение контрольных и сигнальных фотоэлементов. Они становятся такими же привычными, как пишущая машина, электрическая лампочка, термометр, телефон, водопровод.