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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
An der Schwelle zu fernen Welten. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Bis vor relativ kurzer Zeit schien es, als hätten Radioelektronik und Astronomie nichts gemeinsam und könnten es auch nicht sein. Allerdings ist diese Meinung heutzutage hoffnungslos veraltet. Jetzt berichten sie auf astronomischen Konferenzen neben Fragen der Erforschung von Planeten und Sternen über neue elektronische Geräte, diskutieren nicht nur Fotos von der Rückseite des Mondes, sondern auch die elektronische Ausrüstung, die ihre Übertragung gewährleistete ... Funkingenieure machen mittlerweile einen bedeutenden Teil des Personals von Observatorien aus. Das ist verständlich: In den neuen Großteleskopen steckt nicht weniger Elektronik als Optik. Hier sind einige der vielen Beispiele. Auf Abb. Abbildung 1 zeigt ein automatisches elektronisches Polarimeter, das am Astrophysikalischen Observatorium Abastumani der Akademie der Wissenschaften der Georgischen SSR entwickelt wurde. Bei diesem Gerät handelt es sich um ein elektronisches Rechengerät mit nichtdiskreter Wirkung. Durch die Messung bestimmter Parameter eines Lichtstrahls löst er mehrere Gleichungen, die diese Parameter beinhalten, und berechnet das Ergebnis in 0,01 Sekunden. Die Schaltung besteht aus 38 Vakuumröhren und 35 Dioden. Die am Observatorium mit Hilfe des neuen Instruments durchgeführten Untersuchungen des Mondes und der Planeten liefern wertvolle Daten über die Zusammensetzung und Struktur ihrer Oberflächen.
Elektronische Instrumente und Methoden der Astronomie sind äußerst interessant und einzigartig. Es ist bekannt, dass das Auge nur auf ein sehr kleines Wellenlängenintervall im Bereich elektromagnetischer Schwingungen reagiert – von 4200 bis 7000 Angström, was Frequenzen von 430 bis 715 Millionen Megahertz entspricht. In diesem Bereich interessiert sich die optische Astronomie für die Messung von Lichtflüssen – Photometrie; Strahlungsenergieverteilung über den Bereich – Spektrometrie; Bestimmung der Ebene, in der der elektrische Schwingungsvektor liegt, und der entsprechenden quantitativen Beziehungen - Polarimetrie, sowie eine Reihe anderer Aufgaben. Alle werden mit elektronischen Methoden gelöst. Natürlich muss jedes elektronische Gerät mit einem Empfänger von Strahlungsenergie beginnen, der darauf mit dem Auftreten von Strom, Spannung oder einer Widerstandsänderung reagiert. Diese Empfänger zeichnen sich vor allem durch die Reichweite, in der sie arbeiten müssen, und die Empfindlichkeit aus. Der in der Astronomie am häufigsten verwendete Empfängertyp ist die Photomultiplier-Röhre (PMT). Es handelt sich um eine Kombination einer herkömmlichen Vakuumfotozelle mit einem Elektronenvervielfacher. Ein solches System mag empfindlicher sein als das schärfste Sehen, hat aber auch seine Grenzen. Erstens hat die Fotokathode eine geringe thermische Emission. Millionenfach verstärkt wird es greifbar, und daher liegt am PMT-Ausgang in Abwesenheit von Licht ein Strom an. Eine weitere Einschränkung ergibt sich aus der Quantenstruktur des Lichts: Ein Fluss von 1000 Quanten pro Sekunde lässt sich recht einfach messen, das ungleichmäßige Eintreffen der Quanten erzeugt jedoch einen zusätzlichen Schusseffekt. PMTs werden mit verschiedenen Kathodentypen hergestellt, wodurch sie für alle Bereiche des Spektrums mit Ausnahme des Ferninfrarotbereichs verwendet werden können. PMTs sind typischerweise „Einkanal“-Geräte; Sie können die Helligkeitsverteilung über die Punkte der Fotokathode nicht wiedergeben. Auf Abb. In Abb. 2 zeigt ein Diagramm eines astronomischen Photometers. Eine Scheibe mit Löchern, die von einem Synchronmotor gedreht wird, moduliert den Lichtstrom. Ein Phasendetektor mit großer Zeitkonstante arbeitet synchron zur Modulation, was es ermöglicht, das Signal vom Rauschen zu trennen, selbst wenn das Signal-Rausch-Verhältnis 0,001 nicht überschreitet. Ein spezielles Softwaregerät führt Kontrollmessungen durch, vergleicht und druckt das Ergebnis anschließend aus. Dieses Instrument wurde ebenfalls am Abastumani-Observatorium hergestellt.
Von großem Interesse ist die Idee eines fotoelektronischen Geräts, das es ermöglicht, die Sterne automatisch mit einem Teleskop zu verfolgen (Fotoguide). Der PMT dient darin als Empfänger. Der Fotoführer (Abb. 3) wurde am Leningrader Institut für Elektromechanik entwickelt.
Unverzichtbare Werkzeuge für Astronomen sind das Thermoelement und das Bolometer. Sie können im Bereich vom sichtbaren Licht bis hin zu Submillimeter-Radiowellen eingesetzt werden. Es gibt keine anderen Geräte mit einem solchen Breitband. Ein Thermoelement ist ein Miniatur-Thermoelement, das normalerweise in einem Vakuum platziert wird. Die Verbindung zweier unterschiedlicher Drähte wird so geschwärzt, dass die gesamte auf sie einfallende Strahlung absorbiert wird und die Verbindung leicht erhitzt wird. Es tritt eine thermische EMK auf. die mit einem hochempfindlichen niederohmigen Galvanometer gemessen werden kann. Die Verstärkung dieser EMK. Lampenstromkreise sind schwierig, da sie sehr klein sind und ein niederohmiger Betrieb ohne Konverter nicht möglich ist. Der Einsatz von Transistorschaltungen mit niedrigem Eingangswiderstand ist hier von großem Interesse, allerdings führt das Transistorrauschen zu einer Komplikation. Das Bolometer besteht aus zwei kleinen Metallplatten mit einer Dicke von Bruchteilen eines Mikrometers, die ebenfalls geschwärzt und in ein Vakuum gelegt werden. Der zu messende Strahlungsfluss wird auf einen von ihnen gerichtet. In der elektrischen Brückenschaltung entsteht aufgrund der durch ihre Erwärmung verursachten Widerstandsänderung dieser Platte ein Ungleichgewicht, proportional zur Menge der absorbierten Strahlungsenergie. Das Bolometer ist ebenfalls träge und die Brücke hat eine niedrige Ausgangsimpedanz. Diese Geräte, die am häufigsten als Empfänger von Infrarotstrahlen verwendet werden, sind Einkanalgeräte. Zwar wurde kürzlich ein Bildschirm aus einem lichtempfindlichen Mosaik vom Halbleitertyp (Fotowiderstand) entwickelt, bei dem es sich um ein Mehrkanalgerät handelt. Die Empfindlichkeitsschwelle von Thermoelementen und Bolometern überschreitet 10-11 W bei einer Zeitkonstante von etwa 1 Sekunde nicht. Das einzige „Mehrkanal“-Gerät seiner Art, bei dem der elektronische Fluss gleichzeitig Informationen über das gesamte Bild überträgt, ist eine Bildverstärkerröhre (IOC). Die halbtransparente Photokathode ist wie beim PMT auf der Innenfläche der Stirnfläche des Kolbens angebracht. Natürlich bestimmt auch hier die Kathode den spektralen Zweck: Die Antimon-Cäsium-Kathode funktioniert gut im grün-violetten und ultravioletten Bereich, die Wismut-Cäsium-Kathode deckt den gesamten sichtbaren Bereich ab und die Sauerstoff-Silber-Cäsium-Kathode ermöglicht das Eindringen in den Nahinfrarotbereiche. Es gibt andere Arten von Fotokathoden. Spezielle elektronische Linsen, bei denen es sich um elektrische Felder handelt, die von speziellen Elektroden erzeugt werden, leiten Fotoelektronen zur Anode, ähnlich wie Strahlfokussierungsgeräte in Bildröhren. Dies geschieht so, dass die Strömungsstruktur nicht verzerrt wird und die Bildübertragung nur mit ihrer Verkleinerung einhergeht. Die Anode ist ein fluoreszierender Bildschirm, auf dem das Bild betrachtet oder fotografiert werden kann. Der Zweck von Bildverstärkerröhren besteht darin, die Helligkeit des Bildes zu erhöhen und es bei Bedarf vom Unsichtbaren, beispielsweise Infrarot, in das Sichtbare umzuwandeln. Die Verbesserung dieser Geräte hat zur Entwicklung mehrstufiger Bildverstärkerröhren geführt, bei denen die Bildhelligkeit kontinuierlich erhöht wird. Real ist für eine dreistufige Bildverstärkerröhre eine Helligkeitssteigerung um das 60- bis 120-fache, während ein einstufiger Bildverstärker eine 6- bis 15-fache Steigerung ergibt. In einem anderen Fall wurde es möglich, das Licht des Bildschirms – der Anode – besser zu nutzen, bei der die Dicke des Kolbens an dieser Stelle auf Zehntelmillimeter reduziert und von außen ein fotografischer Film dagegen gedrückt wird („Kontaktbildverstärkerröhre“ oder „Fotokontaktröhre“). Es wurden auch Designs entwickelt, bei denen die Fotoplatte anstelle der Anode von innen platziert wurde. Um es zu bekommen, war es jedoch notwendig, den Kolben zu zerbrechen. Selbst wenn ein paar Schallplatten durch eine geniale Vorrichtung ersetzt würden, wäre das zu teuer. In jüngerer Zeit wurden fernsehastronomische Systeme verwendet. In der Sowjetunion wurde die bedeutendste Arbeit in dieser Richtung von N. F. Kuprevich, einem leitenden Forscher am Pulkovo-Observatorium, durchgeführt. In der von ihm erstellten Installation wird die Akkumulationsmethode verwendet, die darin besteht, dass ein schwaches Bild über einen langen Zeitraum auf die Superorthicon-Fotokathode projiziert wird, ohne dass ein schwenkender Strahl vorhanden ist. In diesem Fall „akkumuliert“ sich die Potentialentlastung auf den entsprechenden Elektroden der Röhre. Dann wird ein einzelner Scan eingeschaltet, und auf dem Fernsehbildschirm eines Videoüberwachungssystems erscheint ein Bild mit stark erhöhter Helligkeit (in der gleichen Größenordnung wie bei mehrstufigen Bildverstärkerröhren). Mit einem einzigen Wischvorgang entfällt das lästige Fotografieren. Das Fernsehsystem ist ziemlich schwierig einzurichten und zu bedienen und bietet großes Potenzial. Daher sehen kleine Details von Bildern astronomischer Objekte auf Fotoplatten immer verschwommen aus. Dies ist auf das kontinuierliche Zittern der Bilder zurückzuführen. Ein ähnliches Phänomen ist jedem durch das Funkeln von Sternen bekannt. Durch die Erhöhung der Helligkeit ermöglicht das Fernsehsystem eine Reduzierung der Belichtungsdauer und damit der „Unschärfe“ der Bilder. Das Fernsehsystem ist im Wesentlichen einkanalig, kann aber dank der zeilenweisen Zerlegung Bilder übertragen, wodurch es einer Bildverstärkerröhre ähnelt. Hinsichtlich der Schwellenempfindlichkeit sind beide Empfänger einem guten PMT unterlegen. Photoguide zur automatischen Verfolgung eines Sterns durch ein Teleskop Aus allem Gesagten geht hervor, dass die moderne Wissenschaft den Astronomen sehr leistungsfähige technische Mittel zur Verfügung gestellt hat. Es scheint, dass es jetzt keinen Grund mehr zur Unzufriedenheit gibt. Dies ist jedoch nicht der Fall. Es ist beispielsweise bekannt, dass einige astronomische Beobachtungen bereits jetzt ohne menschliches Zutun durchgeführt werden – von Satelliten aus. Die ganze Welt sah Fotos von der anderen Seite des Mondes, aufgenommen vom „elektronischen Astronomen“ – dem sowjetischen AMS, das am 4. Oktober 1959 gestartet wurde. Offensichtlich war in diesem Fall kein anderer Weg möglich. Es war auch notwendig, ein AMS zur Venus zu schicken, da die Umlaufbahn dieses Planeten innerhalb der Erdumlaufbahn liegt und er uns in den Momenten der Annäherung an die Erde mit einer dunklen und daher unsichtbaren Seite gegenübersteht. Viele wichtige Probleme warten auf ihre Lösung durch die Entnahme astronomischer Instrumente aus der Erdatmosphäre. Nehmen wir zum Beispiel den Planeten Mars, unseren nächsten Nachbarn. Das Geheimnis des Mars (seine „Kanäle“ und andere Details) beschäftigt nicht nur Astronomen. Viele Rätsel und andere Koryphäen; Sogar der Mond hat viele davon. Es scheint, dass man nur durch ein Teleskop mit starker Vergrößerung schauen muss und schon wird vieles klar. Aber in Wirklichkeit ist das nicht so. Anstelle klarer Umrisse des Planeten sehen Sie eine Kugel, die wie eine Kerzenflamme im Wind zittert, mit ständig schwebenden Nebelflecken. Dies ist der Einfluss der Erdatmosphäre, wo Luftströme unterschiedlicher Dichte eine sich ständig ändernde Brechung der Lichtstrahlen erzeugen. Selbst bei sehr ruhiger Atmosphäre ist es nicht möglich, kleine Details der Bilder zu erkennen. Allerdings ist das Zittern und Flackern nur die eine Seite der Sache. Das ganze Problem besteht darin, dass der überwiegende Teil der Reichweite elektromagnetischer Strahlung nicht die Erdoberfläche erreicht. Mittlerweile kann die Untersuchung dieses besonderen Teils des Spektrums der Wissenschaft nicht weniger als Einblicke in die Blinden liefern. Deshalb ist die Verlegung des Observatoriums außerhalb der Atmosphäre – zunächst zu einem künstlichen Satelliten und dann zum Mond – dringend erforderlich. Es ist auch nicht schwer zu verstehen, dass es mit einem kleinen Teleskop, egal wie vergrößert es auch sein mag, unmöglich ist, feine Details auf den Planeten zu erkennen. Dies ist auch deshalb undenkbar, weil die sogenannte Beugungsgrenze einen Einfluss hat. Um beispielsweise 40 m große Details auf der Mondoberfläche erkennen zu können, benötigt man ein Teleskop mit einem Objektivdurchmesser von mindestens 65 cm. Große Teleskope sind jedoch so schwer, dass sie sich unter dem Einfluss ihres Gewichts verbiegen. Wir müssen die Steifigkeit der Struktur erhöhen, was wiederum das Gewicht usw. erhöht. Gibt es einen Ausweg aus dieser Situation? Ja, gibt es. Es besteht darin, dass ein großes Teleskop, das auf einem Satelliten installiert ist, nichts wiegt. Seine Steifigkeit kann auf ein Minimum reduziert werden, während die Masse der Struktur gering ist und es nicht zu viel kostet, sie in die Umlaufbahn zu bringen. In Zukunft wird es offenbar sinnvoller sein, Teleskope auf dem Mond zu installieren, wo sie sechsmal weniger wiegen als auf der Erde. Man kann ohne Übertreibung sagen, dass ein solches „externes Observatorium“, ausgestattet mit modernen elektronischen Geräten und Computern (sie können sich auf der Erde befinden), in der Lage ist, Hunderte der heutigen Probleme in kurzer Zeit zu lösen. Es ist interessant festzustellen, dass die Nacht auf dem Mond 6-mal länger ist als auf der Erde, ebenso wie der Tag. Daher ist es möglich, dort sowohl Tag als auch Nacht Beobachtungen durchzuführen. Auf dem Mond und im Weltraum wird es möglich sein, neue offene elektronische Geräte zu nutzen; Schließlich herrscht dort ein Vakuum, wie es noch nie in einer Lampe erreicht wurde. Schließlich ist es unmöglich, ein weiteres Problem nicht zu erwähnen, das nun von den Seiten der Science-Fiction-Romane in das Labor der Wissenschaftler übergeht. Wir sprechen von kosmischer Radioemission künstlichen Ursprungs. Es wird wichtig sein, es nicht nur zu akzeptieren, sondern auch zu entschlüsseln. Obwohl es Vorhersagen über die spezifische Wellenlänge gibt, bei der nach diesen Signalen gesucht werden sollte, muss der gesamte Bereich untersucht werden. Die Errungenschaften der sowjetischen Wissenschaft und Technologie, die historischen Flüge sowjetischer Passagierraumschiffe und die größten Erfolge unseres Vaterlandes bei der Eroberung des Weltraums zeugen deutlich davon, wie erfolgreich die jahrhundertealten Träume der Menschheit sind, die noch vor kurzem als Utopie galten in der Sowjetunion realisiert. Wir sind zuversichtlich, dass die Zeit nicht mehr fern ist, in der sowjetische Astronomen zum Mond fliegen können, um Hypothesen zu beobachten und zu testen. Autor: L. Xanformity
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