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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Sulla soglia di mondi lontani. Laboratorio di scienze per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Fino a tempi relativamente recenti, sembrava che la radioelettronica e l'astronomia non avessero e non potessero avere nulla in comune. Tuttavia, in questi giorni questa opinione è irrimediabilmente obsoleta. Ora, alle conferenze astronomiche, insieme a domande sullo studio di pianeti e stelle, riferiscono di nuovi dispositivi elettronici, discutono non solo di fotografie del lato nascosto della Luna, ma anche di apparecchiature elettroniche che ne hanno garantito la trasmissione ... Ingegneri radiofonici ora costituiscono una parte significativa del personale degli osservatori. Questo è comprensibile: nei nuovi grandi telescopi non c'è meno elettronica che ottica. Ecco alcuni dei tanti esempi. Sulla fig. La figura 1 mostra un polarimetro elettronico automatico sviluppato presso l'Osservatorio Astrofisico Abastumani dell'Accademia delle Scienze della SSR georgiana. Questo dispositivo è un dispositivo informatico elettronico ad azione non discreta. Misurando alcuni parametri di un raggio di luce, risolve diverse equazioni, che includono questi parametri, e calcola il risultato in 0,01 secondi. Il circuito è composto da 38 tubi a vuoto e 35 diodi. Gli studi della Luna e dei pianeti effettuati presso l'osservatorio con l'ausilio del nuovo strumento forniscono dati preziosi sulla composizione e struttura delle loro superfici.
Gli strumenti ei metodi elettronici utilizzati in astronomia sono estremamente interessanti e unici. È noto che l'occhio reagisce solo a un intervallo molto piccolo di lunghezze d'onda nell'intervallo delle oscillazioni elettromagnetiche - da 4200 a 7000 angstrom, che corrisponde a frequenze da 430 a 715 milioni di megahertz. In questa gamma, l'astronomia ottica è interessata alla misurazione dei flussi luminosi - fotometria; distribuzione dell'energia di radiazione nell'intervallo - spettrometria; determinazione del piano in cui giace il vettore elettrico delle oscillazioni e le corrispondenti relazioni quantitative - polarimetria, nonché una serie di altri compiti. Tutti sono risolti con metodi elettronici. Naturalmente, qualsiasi dispositivo elettronico deve iniziare con un ricevitore di energia radiante che risponda ad essa con la comparsa di corrente, tensione o un cambiamento di resistenza. Questi ricevitori sono caratterizzati principalmente dalla gamma in cui devono operare e dalla sensibilità. Il tipo più comune di ricevitore utilizzato in astronomia è il tubo fotomoltiplicatore (PMT). È una combinazione di una fotocellula a vuoto convenzionale con un moltiplicatore di elettroni. Un tale sistema può essere più sensibile della visione più nitida, ma ha anche un limite. Innanzitutto, il fotocatodo ha una piccola emissione termica. Migliorato milioni di volte, diventa tangibile, e quindi c'è una corrente all'uscita del PMT in assenza di luce. Un'altra limitazione è imposta dalla struttura quantistica della luce: un flusso di 1000 quanti al secondo può essere misurato abbastanza facilmente, ma l'arrivo irregolare dei quanti crea un ulteriore effetto colpo. I PMT sono prodotti con vari tipi di catodi, il che consente loro di essere utilizzati per tutte le parti della gamma, ad eccezione delle regioni del lontano infrarosso. I PMT sono tipicamente dispositivi "a canale singolo"; non possono trasmettere la distribuzione della luminosità sui punti del fotocatodo. Sulla fig. 2 mostra uno schema di un fotometro astronomico. Un disco forato, messo in rotazione da un motore sincrono, modula il flusso luminoso. Un rilevatore di fase con una grande costante di tempo opera in modo sincrono con la modulazione, il che rende possibile separare il segnale dal rumore anche quando il rapporto segnale/rumore non supera 0,001. Uno speciale dispositivo software esegue misure di controllo, confronta e stampa il risultato. Anche questo strumento è stato realizzato presso l'Osservatorio Abastumani.
Di grande interesse è l'idea di un dispositivo fotoelettronico che permetta di inseguire automaticamente le stelle con un telescopio (fotoguida). Il PMT funge da ricevitore in esso. La guida fotografica (Fig. 3) è stata sviluppata presso l'Istituto di elettromeccanica di Leningrado.
Strumenti indispensabili per gli astronomi sono la termocoppia e il bolometro. Possono essere utilizzati nella gamma dalla luce visibile alle onde radio submillimetriche. Non ci sono altri dispositivi di tale banda larga. Una termocoppia è una termocoppia in miniatura, solitamente posta nel vuoto. La giunzione di due fili dissimili viene annerita in modo tale che tutta la radiazione incidente su di essa venga assorbita, riscaldando leggermente la giunzione. Viene visualizzata la fem termica. che può essere misurato con un galvanometro a bassa resistenza altamente sensibile. L'amplificazione di questa fem. circuiti della lampada è difficile, poiché è molto piccolo e la bassa resistenza non può essere utilizzata senza un convertitore. L'uso di circuiti a transistor con bassa resistenza di ingresso è di grande interesse qui, tuttavia, il rumore del transistor introduce una complicazione. Il bolometro è costituito da due piccole lastre metalliche spesse una frazione di micron, anch'esse annerite e poste sotto vuoto. Il flusso radiante da misurare è diretto verso uno di essi. Nel circuito del ponte elettrico, a causa della variazione di resistenza di questa piastra, causata dal suo riscaldamento, si manifesta uno squilibrio proporzionale alla quantità di energia radiante assorbita. Anche il bolometro è inerziale e il ponte ha una bassa impedenza di uscita. Questi dispositivi, più spesso utilizzati come ricevitori di raggi infrarossi, sono monocanale. È vero, recentemente è stato sviluppato uno schermo costituito da un mosaico sensibile alla luce di tipo semiconduttore (fotoresistenza), che è un dispositivo multicanale. La soglia di sensibilità di termoelementi e bolometri non supera i 10-11 W ad una costante di tempo di circa 1 secondo. L'unico dispositivo "multicanale" del suo genere, in cui il flusso elettronico trasporta contemporaneamente informazioni sull'intera immagine, è un tubo intensificatore di immagine (IOC). Il fotocatodo semitrasparente, come nel PMT, è depositato sulla superficie interna della faccia terminale del pallone. Naturalmente, anche qui il catodo determina lo scopo spettrale: il catodo antimonio-cesio funziona bene nelle regioni verde-violetto e ultravioletto, il catodo bismuto-cesio copre l'intero campo visibile e il catodo ossigeno-argento-cesio consente la penetrazione nel regioni del vicino infrarosso. Esistono altri tipi di fotocatodi. Speciali lenti elettroniche, che sono campi elettrici formati da speciali elettrodi, dirigono i fotoelettroni verso l'anodo, simili ai dispositivi di messa a fuoco del raggio nei cinescopi. Questo viene fatto in modo tale che la struttura del flusso non sia distorta e il trasferimento dell'immagine sia accompagnato solo dalla sua riduzione. L'anodo è uno schermo fluorescente in cui l'immagine può essere visualizzata o fotografata. Lo scopo dei tubi intensificatori di immagine è aumentare la luminosità dell'immagine e, se necessario, convertirla dall'invisibile, come l'infrarosso, al visibile. Il miglioramento di questi dispositivi ha portato alla creazione di tubi intensificatori di immagine multistadio, in cui la luminosità dell'immagine viene costantemente aumentata. Reale per un tubo intensificatore di immagine a tre stadi è un aumento della luminosità di 60-120 volte, mentre un intensificatore di immagine a singolo stadio offre un guadagno di 6-15 volte. In un altro caso, è diventato possibile sfruttare appieno la luce dello schermo: l'anodo, per il quale lo spessore del bulbo in questo punto è ridotto a decimi di millimetro e una pellicola fotografica viene premuta contro di esso dall'esterno ("contatto tubo intensificatore d'immagine" o "tubo fotocontatto"). Sono stati inoltre sviluppati progetti in cui la lastra fotografica è stata posizionata dall'interno al posto dell'anodo. Tuttavia, per ottenerlo, è stato necessario rompere il pallone. Anche con pochi dischi sostituiti da un ingegnoso aggeggio, questo è troppo costoso. Più recentemente sono stati utilizzati sistemi astronomici televisivi. In Unione Sovietica, il lavoro più significativo in questa direzione è stato svolto da N. F. Kuprevich, ricercatore senior presso l'Osservatorio Pulkovo. Nell'installazione da lui creata viene utilizzato il metodo dell'accumulo, che consiste nel fatto che un'immagine debole viene proiettata a lungo sul fotocatodo superorthicon in assenza di un raggio ampio. In questo caso, il potenziale rilievo "si accumula" sui corrispondenti elettrodi del tubo. Quindi viene attivata una singola scansione e un'immagine con una luminosità notevolmente aumentata (dello stesso ordine di quella dei tubi intensificatori di immagine a più stadi) appare sullo schermo TV di un sistema televisivo a circuito chiuso. Una singola scansione elimina il fastidio di fotografare. Abbastanza difficile da configurare e gestire, il sistema televisivo ha un grande potenziale. Pertanto, i piccoli dettagli delle immagini di oggetti astronomici su lastre fotografiche appaiono sempre sfocati. Ciò è spiegato dal continuo jitter delle immagini. Un fenomeno simile è noto a tutti dal luccichio delle stelle. Il sistema televisivo, aumentando la luminosità, consente di ridurre la durata dell'esposizione e, di conseguenza, la "sfocatura" delle immagini. Il sistema televisivo è essenzialmente monocanale, ma grazie alla scomposizione riga per riga è in grado di trasmettere immagini, il che lo rende simile al tubo intensificatore di immagine. In termini di sensibilità alla soglia, entrambi questi ricevitori sono inferiori a un buon PMT. Fotoguida per l'inseguimento automatico di una stella da parte di un telescopio Da tutto ciò che è stato detto, è chiaro che la scienza moderna ha messo a disposizione degli astronomi mezzi tecnici molto potenti. Sembrerebbe che ora non ci siano basi per l'insoddisfazione. Tuttavia, non lo è. È noto, ad esempio, che ora alcune osservazioni astronomiche vengono già eseguite senza la partecipazione umana, dai satelliti. Il mondo intero ha visto le fotografie del lato nascosto della Luna scattate dall '"astronomo elettronico", l'AMS sovietico, lanciato il 4 ottobre 1959. Ovviamente, in questo caso, nessun altro modo era possibile. Era anche necessario inviare un AMS a Venere, poiché l'orbita di questo pianeta è all'interno dell'orbita terrestre e nei momenti di avvicinamento alla Terra ci pone di fronte a un lato oscuro, e quindi invisibile. Molti problemi importanti attendono di essere risolti portando gli strumenti astronomici fuori dall'atmosfera terrestre. Prendi, ad esempio, il pianeta Marte, il nostro vicino più prossimo. Il mistero di Marte (i suoi "canali" e altri dettagli) perseguita non solo gli astronomi. Molti enigmi e altri luminari; anche la luna ne ha molti. Sembrerebbe che basta guardare attraverso un telescopio ad alto ingrandimento e molto diventerà chiaro. Ma in realtà non è così. Invece di chiari contorni del pianeta, vedrai una palla che trema come una fiamma di candela nel vento, con punti nebbiosi che fluttuano continuamente. Questa è l'influenza dell'atmosfera terrestre, dove i flussi d'aria di diversa densità creano una rifrazione dei raggi luminosi in continua evoluzione. Anche con un'atmosfera molto calma, non è possibile distinguere i piccoli dettagli delle immagini. Tuttavia, il tremore e lo sfarfallio sono solo un aspetto della questione. L'intero problema è che la stragrande maggioranza della gamma di radiazioni elettromagnetiche non raggiunge la superficie terrestre. Nel frattempo, lo studio di questa particolare parte della gamma può fornire alla scienza non meno che una visione dei ciechi. Ecco perché il trasferimento dell'osservatorio oltre l'atmosfera - prima su un satellite artificiale e poi sulla Luna - è un'urgente necessità. Inoltre non è difficile capire che, usando un piccolo telescopio, per quanto ingrandito possa essere, è impossibile distinguere i dettagli fini sui pianeti. Anche questo è impensabile perché il cosiddetto limite di diffrazione ha un effetto. Ad esempio, per distinguere dettagli di 40 m sulla superficie della Luna, è necessario un telescopio con un diametro obiettivo di almeno 65 cm, ma i grandi telescopi sono così pesanti che si piegano sotto l'influenza del loro peso. Dobbiamo aumentare la rigidità della struttura, che a sua volta aumenta il peso, ecc. C'è una via d'uscita da questa situazione? Sì. Consiste nel fatto che uno grande: un telescopio installato su un satellite non peserà nulla. La sua rigidità può essere ridotta al minimo, mentre la massa della struttura sarà piccola e metterla in orbita non costerà troppo. In futuro, i telescopi saranno apparentemente più convenienti da installare sulla Luna, dove peseranno 6 volte meno che sulla Terra. Si può affermare senza esagerare che un tale "osservatorio esterno", dotato di moderne apparecchiature elettroniche e computer (possono essere posizionati sulla Terra), è in grado di risolvere centinaia di problemi odierni in breve tempo. È interessante notare che la notte sulla Luna è 29,5 volte più lunga della Terra, così come il giorno. Pertanto, è possibile condurre osservazioni lì sia di giorno che di notte. Sulla Luna e nello spazio sarà possibile utilizzare nuovi dispositivi elettronici aperti; dopo tutto, il vuoto che c'è è tale che non è mai stato raggiunto in nessuna lampada. Infine, è impossibile non menzionare un altro problema che ora si sta spostando dalle pagine dei romanzi di fantascienza al laboratorio degli scienziati. Stiamo parlando di emissione radio cosmica di origine artificiale. Sarà importante non solo accettarlo, ma anche decifrarlo. Sebbene ci siano previsioni sulla lunghezza d'onda specifica in cui questi segnali dovrebbero essere cercati, l'intera gamma deve essere studiata. I risultati della scienza e della tecnologia sovietiche, i voli storici dei veicoli spaziali passeggeri sovietici, i più grandi successi della nostra Patria nella conquista dello spazio esterno testimoniano chiaramente quanto siano stati realizzati con successo i sogni secolari dell'umanità, piani che recentemente erano considerati utopia realizzato in Unione Sovietica. Siamo fiduciosi che non sia lontano il tempo in cui gli astronomi sovietici potranno recarsi sulla Luna per osservare e verificare ipotesi. Autore: L. Xanformalità
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