О чем рассказывает свет

Суворов Сергей Георгиевич

В производстве и эксплуатации масел важно быстро определять их сортность. Как это можно делать? Химический анализ с помощью обычных химических реакций занял бы слишком много времени.

На помощь опять приходит наука о свете. Но при анализе масел описанные выше приемы не пригодны. Масла представляют собой органические соединения; их нельзя сильно нагревать, при высокой температуре они либо распадаются на составные части, либо воспламеняются. Поэтому при спектральном анализе масел не нагревают, а используют их свойство светиться под действием падающего ультрафиолетового света, т. е. применяют люминесцентный анализ.

Люминесцентный анализ весьма чувствителен. Достаточно присутствия в одном кубическом сантиметре одной стомиллиардной доли грамма

примеси другого масла, как это скажется на спектре люминесценции. В силу этого обнаруживаются малейшие различия в сортности исследуемых масел.

Точно так же сортируется оптическое стекло. Существует несколько десятков сортов оптического стекла. Каждый из них пригоден для одних оптических приборов и не годится для других. Но по внешнему виду они не отличаются друг от друга. Зато в ультрафиолетовых лучах они дают различное видимое свечение. Сортность стекол проверяется в ходе производства с помощью люминесцентного анализа.

Люминесцентный анализ широко применяется в советской промышленности. Методом люминесцентного анализа контролируют сортность и качество изделий в строительной, пищевой, резиновой промышленности и в ряде других. Это очень быстрый и надежный, простой и дешевый способ контроля.

Задача преобразования длинноволновых излучений в видимый свет

В естественных преобразователях света — люминесцентных веществах — преобразуется свет с длиной волны более короткой, чем у видимого, в свет видимый. Однако практические потребности выдвигают задачу преобразований иного рода, а именно, длинноволновых излучений — в видимый свет. Такая потребность возникает в тех случаях, в которых излучение используется как передатчик какой-либо информации, которую он несет издалека, проходя при этом сквозь толщу атмосферы, и которую надо в пункте приема превратить в зрительный образ. Ультрафиолетовое излучение в качестве передатчика информации в этом случае не годится, оно относительно быстро поглощается атмосферой. Напротив, инфракрасное (или же радио-) излучение атмосферой мало или вовсе не поглощается. Отсюда и возникает задача найти способ преобразования длинноволнового (малочастотного) света в свет видимый, с меньшей длиной волны.

Задача эта существенно отличается от рассмотренной ранее. Ранее задача была проще. В самом деле, частота любых ультрафиолетовых (и тем более рентгеновских) излучений больше частоты видимого света. В силу этого и энергия фотона ультрафиолетового света больше энергии фотона видимого света. Энергии фотона ультрафиолетового света хватает с избытком для такого возбуждения молекулы люминесцентного вещества, которое в последующем приводит к испусканию фотонов видимого света (с меньшей энергией). Не то в случае задачи преобразования инфракрасного излучения в видимый свет. Частота, а стало быть, и энергия фотона инфракрасного излучения меньше частоты и энергии фотона видимого света. Энергии фотона инфракрасного излучения недостаточно для такого возбуждения молекулы вещества, которое привело бы в последующем к испусканию ею фотона видимого света. Значит, если мы хотим, чтобы инфракрасные излучения преобразовывались в видимый свет, необходимо создать источник добавочной энергии.

Электронно-оптические преобразователи света

Опишем кратко один из способов преобразования инфракрасного света в видимый, с помощью так называемых электронно-оптических преобразователей.

На рис. 43 дана простейшая схема такого преобразователя. Он представляет собой стеклянный стакан с двойными стенками и дном. На внутреннюю стенку наружного дна нанесен полупрозрачный серебряноцезиевый слой АА — это фотокатод. Напротив фотокатода на внутреннем донышке нанесен флуоресцирующий (светящийся под ударами электронов) экран ББ.

Рис. 43.

Схема простейшего электронно-оптического преобразователя: АА — полупрозрачный серебряноцезиевый слой; ББ — флуоресцирующий экран

Когда на фотокатод АА упадет слева инфракрасное изображение предмета, из каждого его участка будут вырываться электроны. Иначе говоря, каждый участок фотокатода станет источником электронного луча. Интенсивность этого луча будет тем больше, чем интенсивнее («ярче») инфракрасный свет, падающий на этот участок, т. е. чем больше на него падает фотонов инфракрасного света. Вся же совокупность электронных лучей, испускаемых всей плоскостью фотокатода АА, будет в точности повторять световые контрасты инфракрасного изображения. Мы можем сказать, что с помощью фотокатода инфракрасное изображение преобразовалось в электронное изображение.

Чтобы получить из электронного изображения вновь оптическое, но уже видимое изображение, нужно все излученные фотокатодом электроны снабдить добавочной энергией и направить их на флуоресцирующий экран ББ, притом так, чтобы электронное изображение не искажалось при перелете электронов от АА к ББ, т. е. чтобы электроны летели не как попало, а параллельно, перенося изображение на экран ББ. Это достигается тем, что между фотокатодом АА и экраном ББ создается высокое напряжение, ускоряющее электроны в сторону экрана. Это и есть тот добавочный источник энергии, о необходимости которого говорилось выше.

Упав на экран ББ, каждый электронный луч создает на нем светящееся видимым светом пятно. Интенсивность каждого светящегося пятна будет соответствовать интенсивности падающего электронного луча, тем самым к интенсивности инфракрасного света того участка фотокатода, из которого вышел данный электронный луч. На флуоресцирующем экране в целом будет воспроизводиться оптическое изображение, но оно будет уже в видимом свете.

Так с помощью электронно-оптических преобразователей невидимые инфракрасные изображения предметов преобразуются в видимые.

Преобразование света и новейшая радиотехника

Создание электронно-оптических преобразователей показало возможность преобразовывать излучения не только в сторону меньшей частоты (меньшей энергии фотонов), но и в сторону большей частоты (большей энергии фотонов). Электронно-оптические преобразователи играют важную роль в использовании инфракрасных излучений для видения в ночное время (в военном деле), для наблюдений в инфракрасном свете астрономических объектов и органических систем (например, клеток), многие детали которых в видимом свете не могут быть наблюдаемы. Не менее важно и то, что они показали пути технического решения задачи передачи изображений с помощью радиоизлучений, т. е. телевидения.

В телевидении применяются так называемые электронно-лучевые трубки — кинескопы, в которых, как и в электронно-оптических преобразователях, используется в качестве звена преобразований электронный луч. Но только в кинескопах, на флуоресцирующий экран падает не множество параллельных электронных лучей, как в электронно-оптическом преобразователе, а только один луч, но зато подвижный. Интенсивность этого луча непрерывно изменяется; она управляется по радио с телевизионной станции и в каждый момент точно соответствует световой интенсивности того участка картины, который воспринимается телеаппаратурой. Электронный луч на экране кинескопа быстро рисует «строку за строкой», оставляя в каждом участке экрана световые пятна различной интенсивности. Эти световые пятна сохраняются в глазу все то время, пока электронный луч заполняет ими весь экран. В результате зритель воспринимает на экране телевизора целостную картину, соответствующую той картине, которую снимает съемочная аппаратура телепередатчика.