На пороге далёких миров

Радио, 1962, №3

Ещё сравнительно недавно казалось, что между радиоэлектроникой и астрономией нет и не может быть ничего общего. Однако в наши дни подобное мнение безнадёжно устарело. Теперь на астрономических конференциях, наряду с вопросами исследования планет и звёзд, докладывают о новых электронных приборах, обсуждают не только фотографии обратной стороны Луны, но и электронную аппаратуру, обеспечившую их передачу... Радиоинженеры ныне составляют значительную часть персонала обсерваторий. Это и понятно: в новых больших телескопах электроники не меньше, чем оптики.

Вот одни из многочисленных примеров. На рис. 1 приведён автоматический электронный поляриметр, разработанный в Абастуманской астрофизической обсерватории Академии наук Грузинской ССР. Этот прибор является электронным вычислительным устройством недискретного действия. Измеряя определённые параметры луча света, он решает несколько уравнений, куда входят эти параметры, и за 0,01 секунды вычисляет результат. Схема состоит из 38 электронных ламп и 35 диодов. Исследования Луны и планет, проводимые в обсерватории с помощью нового прибора, позволяют получить ценные данные о составе и строении их поверхности.

Электронные приборы и методы, используемые в астрономии, чрезвычайно интересны и своеобразны.

Известно, что глаз реагирует лишь на очень небольшой интервал длин волн в диапазоне электромагнитных колебаний - от 4200 до 7000 ангстрем, что соответствует частотам от 430 до 715 миллионов мегагерц. В этом диапазоне оптическую астрономию интересуют измерение световых потоков - фотометрия; распределение энергии излучения по диапазону - спектрометрия; определение плоскости, в которой лежит электрический вектор колебаний, и соответствующих количественных соотношений - поляриметрия, а также ряд других задач. Все они решаются методами электроники. Разумеется, любой электронный прибор должен начинаться с приёмника лучистой энергии, отвечающего на неё появлением тока, напряжения или изменением сопротивления. Эти приёмники характеризуются прежде всего диапазоном, в котором они должны работать, и чувствительностью.

Самым распространённым видом приёмника, применяемым в астрономии, является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Он представляет собой комбинацию обычного вакуумного фотоэлемента с электронным умножителем.

Такая система может быть чувствительнее самого острого зрения, но и у неё есть предел. Прежде всего, фотокатод имеет небольшую тепловую эмиссию. Усиленная в миллионы раз, она становится ощутимой, и поэтому ток на выходе ФЭУ имеется при отсутствии света.

Другое ограничение накладывается квантовой структурой света: поток 1000 квантов в секунду довольно легко может быть измерен, но неравномерное поступление квантов создаёт дополнительный дробовой эффект.

Рис. 1. Автоматический электронный поляриметр. Навесной блок закреплён на 40-сантиметровом рефракторе.

ФЭУ изготовляются с различными типами катодов, что позволяет применять их для всех частей диапазона, кроме далёких инфракрасных областей. ФЭУ - типично «одноканальные» устройства; они не могут передать распределение яркости по точкам фотокатода.

На рис. 2 изображена схема астрономического фотометра. Диск с отверстиями, вращаемый синхронным двигателем, модулирует световой поток. Синхронно с модуляцией работает фазовый детектор с большой постоянной времени, который позволяет выделить из шумов сигнал даже тогда, когда отношение сигнал/шум не превосходит 0,001. Специальное программное устройство производит контрольные измерения, сравнивает и затем печатает результат. Этот прибор также создан в Абастуманской обсерватории.

Большой интерес представляет идея фотоэлектронного устройства, позволяющего автоматически сопровождать звёзды телескопом (фотогид). Приёмником в нем служит ФЭУ. Фотогид (рис. 3) разработан в Ленинградском институте электромеханики.

Незаменимыми инструментами для астрономов являются термоэлемент и болометр. Они могут применяться в диапазоне от видимого света до субмиллиметровых радиоволн. Других приборов такой широкополосности не существует.

Термоэлемент - это миниатюрная термопара, обычно помещаемая в вакуум. Место спая двух разнородных проволочек зачернено таким образом, что все падающее на него излучение поглощается, слегка нагревая спай. Появляется термо э.д.с. которую можно измерить высокочувствительным низкоомным гальванометром. Усиление этой э.д.с. ламповыми схемами затруднительно, так как она очень невелика, а низкое сопротивление без преобразователя использовать не удаётся. Здесь представляет большой интерес использование транзисторных схем с низким входным сопротивлением, однако осложнение вносят шумы транзисторов.

Болометр представляет собой две маленькие металлические пластинки толщиной в доли микрона, которые также зачернены и помещены в вакуум. Лучистый поток, подлежащий измерению, направляют на одну из них. В схеме электрического моста, благодаря изменению сопротивления этой пластинки, вызванному её нагреванием, появляется разбаланс, пропорциональный количеству поглощённой лучистой энергии. Болометр тоже инерционен, а мостик обладает низким выходным сопротивлением.

Эти приборы, чаще всего применяемые как приёмники инфракрасных лучей, являются одноканальными. Правда, недавно был разработан экран из светочувствительной мозаики полупроводникового типа (фотосопротивления), являющийся многоканальным прибором. Порог чувствительности термоэлементов и болометров не превышает 10^-11 Вт при постоянной времени около 1 секунды.

Единственным в своём роде «многоканальным» устройством, где электронный поток несёт информацию обо всем изображении одновременно, является электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Полупрозрачный фотокатод, как и в ФЭУ, нанесён на внутреннюю поверхность торца колбы. Естественно, что и здесь катод определяет спектральное назначение: сурмяно-цезиевый катод хорошо работает в зелено-фиолетовой и ультрафиолетовой областях, висмуто-цезиевый охватывает весь видимый диапазон, а кислородно-серебряно-цезиевый позволяет проникнуть в близкие инфракрасные области. Имеются и другие типы фотокатодов.

Специальные электронные линзы, представляющие собой образованные особыми электродами электрические поля, направляют фотоэлектроны на анод, подобно устройствам фокусировки луча в кинескопах. Осуществляется это таким образом, что структура потока не искажается и перенос изображения сопровождается только его уменьшением. Анодом является флюоресцирующий экран, где можно рассматривать или фотографировать изображение. Назначение ЭОП'ов заключается в том, чтобы увеличивать яркость изображения и, если это необходимо, преобразовывать его из невидимого, например инфракрасного, в видимое.

Рис. 2. Фотометр, применяемый в астрономии (программное устройство не показано).

Совершенствование этих приборов привело к созданию многокаскадных ЭОП'ов, где яркость изображения последовательно усиливается. Реальным для трёхкаскадного ЭОП'а является усиление яркости в 60-120 раз, в то время как однокаскадный даёт усиление в 6-15 раз. В другом случае стало возможно более полное использование света экрана - анода, для чего толщину колбы в этом месте снижают до десятых долей миллиметра, а снаружи к ней прижимают фотоплёнку («контактный ЭОП» или «фотоконтактная трубка»). Были также разработаны конструкции, где фотопластинка помещалась изнутри на месте анода. Однако, чтобы достать её, требовалось разбить колбу. Даже при нескольких пластинках, сменяемых остроумным приспособлением, это обходится слишком дорого.

Совсем недавно стали применяться телевизионные астрономические системы. В Советском Союзе наиболее значительная работа в этом направлении проделана старшим научным сотрудником Пулковской обсерватории Н. Ф. Купревичем. В созданной им установке используется метод накопления, заключающийся в том, что слабое изображение длительно проектируется на фотокатод суперортикона при отсутствии развёртывающего луча. При этом на соответствующих электродах трубки «накапливается» потенциальный рельеф. Затем включается однократная развёртка, и на экране телевизора замкнутой телевизионной системы появляется изображение с сильно увеличенной яркостью (того же порядка, что и у многокаскадных ЭОП'ов). Однократная развёртка устраняет трудности, связанные с фотографированием.

Довольно сложная в наладке и эксплуатации, телевизионная система обладает большими возможностями. Так, мелкие детали изображений астрономических объектов на фотопластинках всегда выглядят размытыми.

Объясняется это непрерывным дрожанием изображений. Подобное явление известно каждому по мерцанию звёзд. Телевизионная же система за счёт увеличения яркости позволяет уменьшить длительность экспозиции, а следовательно, и «размыв» изображений. Телевизионная система является, по существу, одноканальной, но благодаря построчному разложению, она способна передавать изображения, что роднит её с ЭОП'ом. По пороговой чувствительности оба эти приёмника уступают хорошему ФЭУ.

Рис. 3. Устройство автоматического сопровождения звезды телескопом (фотогид). При вращении полудиска ток ФЭУ будет неизменным только в том случае, если луч света проходит точно по его оси; в противном случае ток оказывается модулированным, что вызывает включение корректирующих двигателей.

Из всего сказанного видно, что современная наука предоставила в распоряжение астрономов очень сильные технические средства. Казалось бы, теперь не остаётся основании для неудовлетворённости. Однако, это не так. Известно, например, что сейчас некоторые астрономические наблюдения уже выполняются без участия человека - со спутников. Весь мир видел фотографии обратной стороны Луны, сделанные «электронным астрономом» - советской АМС, запущенной 4 октября 1959 года. Очевидно, что в этом случае другой путь был невозможен. Также была необходима посылка АМС к Венере, поскольку орбита этой планеты находится внутри орбиты Земли и в моменты сближения с Землёй она обращена к нам тёмной, а потому невидимой стороной.

Множество важных задач ожидает своего разрешения путём выноса астрономических приборов за пределы земной атмосферы. Взять, к примеру, планету Марс - нашего ближайшего соседа. Загадка Марса (его «каналы» и другие детали) не дают покоя не только астрономам. Немало загадок и у других светил; даже у Луны их очень много. Казалось бы, стоит только посмотреть в телескоп с большим увеличением и многое станет ясным. Но в действительности это не так. Вместо чётких контуров планеты вы увидите дрожащий, как пламя свечи на ветру, шарик с непрерывно плывущими туманными пятнами. Это - влияние земной атмосферы, где потоки воздуха разной плотности создают непрерывно меняющееся преломление световых лучей. Даже при очень спокойной атмосфере не удаётся различить сколько-нибудь мелкие детали изображений. Однако дрожания и мерцания - лишь одна сторона дела. Вся беда в том, что подавляющая часть диапазона электромагнитных излучений до поверхности Земли не доходит. Между тем изучение именно этой части диапазона может дать науке не меньше, чем слепому прозрение.

Вот почему вынос обсерватории за пределы атмосферы - сначала на искусственный спутник, а затем на Луну - назревшая необходимость.

Не трудно также понять, что, пользуясь маленьким телескопом, какое бы увеличение он ни давал, невозможно различить мелкие детали на планетах. Это немыслимо ещё и потому, что сказывается так называемый дифракционный предел. Например, чтобы различить на поверхности Луны детали размером в 40 м, нужен телескоп с диаметром объектива не менее 65 см. Но большие телескопы оказываются настолько тяжёлыми, что гнутся под действием своего веса. Приходится увеличивать жёсткость конструкции, что, в свою очередь, увеличивает вес и т. д.

Есть ли выход из этого положения? Да, есть. Он состоит в том, что большой - телескоп, установленный на спутнике, ничего не будет весить. Его жёсткость может быть снижена до минимума, при этом масса конструкции окажется небольшой и вывод её на орбиту обойдётся не слишком дорого.

В дальнейшем телескопы, видимо, целесообразнее устанавливать на Луне, где они будут весить в 6 раз меньше, чем на Земле. Можно без преувеличения сказать, что такая «внешняя обсерватория», оснащённая современной электронной техникой и вычислительными машинами (они могут быть расположены на Земле), способна за короткое время решить не одну сотню сегодняшних проблем. Интересно отметить, что ночь на Луне в 29,5 раз длиннее земной, как, впрочем, и день. Следовательно, вести там наблюдения можно и днём и ночью. На Луне и в космосе станет возможным применять новые открытые электронные приборы; ведь вакуум там такой, какого ещё ни в одной лампе достичь не удалось.

Наконец, нельзя не упомянуть ещё об одной проблеме, которая ныне переходит со страниц фантастических романов в лаборатории учёных. Речь идёт о космическом радиоизлучении искусственного происхождения. Важно будет не только принять его, но и расшифровать. Несмотря на имеющиеся предсказания о конкретной длине волны, где следует искать эти сигналы, должен быть изучен весь диапазон.

Достижения советской науки и техники, исторические полёты советских пассажирских космических кораблей, величайшие успехи пашей Родины в покорении космического пространства наглядно свидетельствуют о том, насколько успешно осуществляются в Советском Союзе вековые мечты человечества, планы, недавно считавшиеся утопией. Мы уверены, что недалеко время, когда за наблюдениями и проверкой гипотез советские астрономы смогут отправляться на Луну.

Инж. Л. Ксанфомалити

Абастуманская астрофизическая обсерватория АН Грузинской ССР