СВЕТЯЩИЙСЯ КАРБОРУНДОВЫЙ ДЕТЕКТОР

И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ С КРИСТАЛЛАМИ [1] [24]

В детекторном контакте карборунд — металлическая проволочка при токе через контакт можно иногда наблюдать довольно сильное характерное свечение [6, 17, 37, 39].

В настоящей статье изложены дальнейшие наблюдения этого явления в связи со взглядом на свечение как на следствие происходящего в контакте детектора процесса, весьма напоминающего холодный электронный разряд.

Карборундовый контакт светится в большинстве случаев (за весьма немногими исключениями) интенсивнее, если на контактной проволочке отрицательный потенциал. При обратном направлении тока иногда совершенно не наблюдается свечения или оно слабее и становится заметным лишь при значительно большем токе и большей разности потенциалов на зажимах детектора (см. статические характеристики рис. 1,2 и 4).

Два рода свечения карборундового контакта. Изменение цвета свечения II. Из многих наблюдений выяснилось, что можно различать (более или менее искусственно) два вида свечения карборундового контакта.

Свечение I — зеленовато-голубоватое, яркая маленькая точка (иногда несколько точек), вокруг которой — расплывчатое свечение меньшей яркости. (Расплывчатость обусловлена отражением света от ближайших граней кристалла). Цвет сечения I заметно не меняется с изменением разности потенциалов на зажимах детектора.

При том направлении тока, при котором свечение I более интенсивно, детектор имеет меньшую проводимость; характеристики рис. 1: «плюс» карборунд — «минус» острие — кривая 1, «минус» карборунд — «плюс» острие — кривая 2. (На рис. 1,2 и 4 стрелкой показана точка, в которой свечение становится заметным). В соответствующую сторону происходит и выпрямление тока высокой частоты, если не накладывается смещающая постоянная разность потенциалов. В первоначальных наблюдениях, описанных в [6, 17], фигурировало только свечение I.

При свечении II проводимость контакта меньшая именно при обратном направлении тока, при котором свечение менее интенсивно (рис. 2; обозначения те же, что на рис. 1). Выпрямительное действие происходит в обратную сторону по сравнению с I (ср. рис. 1 и 2). Ярко флуоресцирует значительная поверхность кристалла, выходящая иногда далеко за пределы места касания с контактной проволочкой. Цвет свечения II изменяется [2] с изменением разности потенциалов на зажимах детектора от оранжевого до фиолетового примерно так, как указано ниже (несколько различно для разных точек даже одного и того же кристалла):

Следует отметить, что непосредственной причиной изменения цвета, по-видимому, является изменение температуры флуоресцирующей поверхности кристалла,[3] зависящей от выделения в контакте тепла Джоуля. Об этом говорят наблюдения изменения цвета свечения II при нагревании светящегося детектора извне.

Мы пользовались кристаллами карборунда четырех сортов. С кристаллами сортов 1 и 2 — куски, состоящие из зеленых, прозрачных, мелких или более крупных кристаллов, — можно было получать только свечение I. С кристаллами сортов 3 и 4 — куски крупных кристаллов, лиловато-зеленовато-сероватых или серых — можно было получать одинаково легко (для одного и того же кристалла) и свечение I, и свечение II. Кристаллы были вплавлены оловом в металлические чашечки. Употреблялись стальные, никелиновые, танталовые и серебряные контактные проволочки, заметной разницы в действии между ними не было.

Можно наблюдать и случаи налагающихся друг на друга свечении I и II, например, при «минус» на контактной проволочке — свечение II, а при «плюс» — свечение I (проводимость контакта всегда большая при свечении II).

В дальнейшем будут рассмотрены еще некоторые характерные признаки свечении I и II.

О холодном электронном разряде в контакте карборундового детектора.

1. Характер и интенсивность свечения чрезвычайно сильно зависят от направления тока, даже если ток одинаков в обоих направлениях при характеристике типа рис. 2 или напряжение одинаково при характеристике типа рис. 1.

2. Выпрямительное действие карборундового контакта находится в несомненной связи с его свечением.

3. В микроскоп можно хорошо видеть, что светящаяся поверхность совершенно не накалена (например, капелька бензина, нанесенная в месте свечения, долго не испаряется). Конечно, если пропускать через контакт слишком сильный ток (свыше 20 ма), часть кристалла, близкая к контактной проволочке, помимо холодного свечения, постепенно начинает накаляться докрасна.

4. Карборунд не дает термолюминесценции, т. е. нельзя считать причиной свечения выделение тепла Джоуля в контакте (при свечении II от температуры зависит только цвет флуоресцирующей поверхности).

5. Инерция возникновения и потухания свечения даже при наиболее сильных допустимых токах через контакт чрезвычайно мала.

Все эти обстоятельства склоняют ко взгляду на свечение в карборундовом контакте как на следствие происходящего там микроскопического холодного электронного разряда. Суждение о детекторном действии контактов с кристаллами как обусловленном микроскопическими разрядами или сходными с ними процессами высказывалось уже давно Брауном,[4] Гофманом [5] и Пирсом.[6]

Вопрос о том, происходит в светящемся карборундовом контакте электронный разряд в слое адсорбированного газа или, быть может, в самом поверхностном слое вещества кристалла,[7] остается открытым. Свечение II, по-видимому, отражает флуоресценцию вещества кристалла, происходящую под действием гипотетического электронного разряда. Для нас безразлично, флуоресцирует ли само вещество карборунда или какие-либо примеси.

Свечение I имеет характер, несколько отличный от обычной флуоресценции. На рис. 3 видны слои света у электродов контакта при свечении I (вверху — «минус» острие контактной проволочки, внизу — «плюс» кристалл, ×1000, ток через контакт 18 ма). Если принять поперечный размер свечения за диаметр, то поверхность контакта, вернее, площадь, находящаяся в непосредственной близости к контактной проволочке, будет равна 700 ммк2 [17]. Величина поверхности свечения I мала по сравнению с величиной флуоресцирующей поверхности свечения II.

Под микроскопом можно хорошо видеть, что свечения I и II возникают тогда, когда контактная проволочка касается острых ребер или изломов кристалла или когда кристалла касается острый край проволочки. Магнитное поле порядка 10000 гс не оказывает заметного влияния на детекторное свечение. Вероятно, это следует объяснить чрезвычайно малой длиной электронного разряда в контакте.

Предполагалось, что некоторые указания относительно процессов, происходящих в контакте, можно получить из наблюдений над изменением в свечении при помещении светящегося детектора в какую-либо иную среду, чем воздух. При погружении в бензин светящийся детектор почти всегда начинал светиться несколько слабее, чем в воздухе, в микроскоп можно было наблюдать, что поверхность свечения I в бензине заметно уменьшалась. После высыхания бензина свечение принимало первоначальные размеры и яркость. Во время наблюдений характерные точки поверхности кристалла тщательно зарисовывались, чтобы не ошибиться при регулировании микроскопа, который наводился каждый раз вновь после наливания и высыхания бензина. Пока не представляется возможным сделать какие-либо выводы из этих наблюдений.

Свечение II при погружении детектора в бензин изменялось в меньшей степени. Иногда менялся цвет в сторону удлинения световых волн, но это было следствием охлаждения.

Сравнение детекторного свечения со свечением карборунда в эвакуированной трубке под действием катодных лучей. Спектр детекторного свечения и катодолюминесценции. Казалось небезынтересным поместить несколько различных кристаллов в трубку и эвакуировать ее; в случае, если они будут светиться, сравнить катодолюминесценцию со свечением в контакте. В трубку были помещены кристаллы сортов 1 и 2 карборунда, двух сортов цинкита и двух сортов железного блеска. Сильно флуоресцировали только оба сорта карборунда, цинкит и железный блеск почти совершенно не светились.

Детекторное свечение II более сравнимо, чем I, с катодолюминесценцией карборунда в трубке. Выяснилось, что и в трубке можно получить такое же изменение цвета катодолюминесценции карборунда, как при детекторном свечении II. С размягчением трубки (при увеличении давления газа в ней) цвет катодолюминесценции постепенно переходит от оранжевого к фиолетовому.

Спектр контактного карборундового свечения сплошной, со слабовыраженной красной частью; при свечении II с увеличением разности потенциалов на зажимах детектора относительная яркость частей спектра увеличивается в области коротких световых волн.

Спектр при свечении карборунда в эвакуированной трубке чрезвычайно похож на спектр контактного свечения (особенно свечения II).

Светящийся детектор и детектирование контактов c кристаллами. Эффект увеличения проводимости флуоресцирующего слоя. Точки, найденные на кристалле карборунда по выпрямительному эффекту при высокой частоте (без наложения смещающей разности потенциалов), всегда светились неодинаково при пропускании постоянного тока в разных направлениях.

Для того чтобы объяснить противоположность [8] характеристик рис. 1 и 2, удобно предположить для свечения II увеличение проводимости флуоресцирующего слоя, весьма большая поверхность которого характерна именно для свечения II под действием электронного разряда в контакте. Это предположение было высказано и проф. Б. А. Остроумовым по аналогии с известным фактом увеличения проводимости катодолюминесцирующих тел в вакуумированной трубке.[9] Представляется возможным распространить влияние эффекта увеличения проводимости близкого к контакту слоя кристалла на действие некоторых других контактных детекторов (несветящихся) и складывать его с эффектом свойств самого гипотетического электронного разряда.

В дополнение к характеристикам рис. 1 и 2 на рис. 4 (обозначения те же, что на рис. 1) приведена кривая, у которой отрицательная и положительная ветви пересекаются (если они помещены в одном и том же квадранте). Наличие пересечения может быть объяснено именно наложением двух эффектов. При рассматривании контакта детектора в микроскоп во время снятия кривой рис. 4 можно было наблюдать наложение свечении I и II. Точка кристалла, дававшая кривую рис. 4, была также испытана на выпрямление высокой частоты (без наложения постоянной смещающей разности потенциалов): при слабом напряжении (высокой частоты) выпрямление происходило в одну сторону, а с увеличением напряжения меняло направление.

Все характеристики, приведенные в настоящей статье, сняты со схемой рис. 5 (V=V1-ir, V1 — показания вольтметра).

Выпрямительное действие карборундового, а также некоторых других кристаллических детекторов не может быть объяснено при помощи каких-либо термоэдс (см. таблицу).

Через найденную детектирующую точку пропускался ток высокой частоты такой силы (указана в таблице), чтобы не могло произойти разрушение контакта: замечалось значение «выпрямленной эдс» по вольтметру сопротивлением 1000 ом (постоянной слагающей эдс выпрямленного тока на зажимах вольтметра). Затем после выключения высокочастотного тока включался электрический нагреватель, который был помещен у самой контактной проволочки вдали от кристалла, чтобы не нагревать весь детектор.

Индикатором значения температуры был момент плавления маленькой капли олова (231.8°), прикрепленной к контактной проволочке почти на самом ее конце, вблизи контакта. Так как у детекторов с сернистыми соединениями (свинцовый блеск) контакт начинал разрушаться еще до температуры 231.8°, в таблице приведены максимальные значения термоэдс (сопротивление вольтметра тоже 1000 ом) из наблюдавшихся за все время постепенного повышения температуры контакта под действием нагревателя. Олово, в которое были вплавлены кристаллы (сернистые соединения вплавлялись сплавом Вуда), нагревалось чрезвычайно мало. Для большей теплопроводности бралась серебряная контактная проволочка.

Приведенные значения термоэдс следует считать наблюденными при несколько более высокой температуре, чем имевшая место в контакте во время прохождения через него тока высокой частоты, сила которого указана в таблице. В отношении детекторов с сернистыми соединениями это следует из того, что после воздействия нагревателя контакт разрушался (вследствие высокой температуры), чего не наблюдалось после пропускания через контакт указанного в таблице высокочастотного тока.

Из таблицы усматривается, что часто не только величина, но и направление термоэдс от данной детектирующей точки совершенно не соответствует направлению «выпрямленной эдс». Знаки эдс, указанные в таблице, относятся к контактной проволочке. В отношении различных детекторов это давно указывалось многими авторами,[10] тем не менее до сих пор и не в популярной литературе утвердилось объяснение действия кристаллических детекторов термоэлектродвижущими силами.

В [4, 6, 10, 17] изложены наблюдения, приведшие ко взгляду на действие цинкитного генерирующего детектора как на следствие происходящего в его контакте микроскопического электронного холодного разряда. Карборундовый детектор иногда тоже дает характеристики, имеющие на небольшом участке отрицательный наклон; он может генерировать и при этом светится. Свечение цинкитного детектора даже во время генерирования удается наблюдать весьма редко, оно чрезвычайно слабое, что, возможно, связано с наличием весьма слабой катодолюминеспенпии цинкита в эвакуированной трубке (по сравнению с карборундовой).

Светящийся детектор как световое реле. Свечение карборундового детектора становится заметным (см. характеристики рис. 1, 2 и 4) уже при токе через контакт порядка 10-4 а. При сильном токе (порядка 10-1 а) можно получить яркое свечение, оно еще сохраняется и при накаливающемся докрасна (теплом Джоуля) кристалле. Кусок карборунда был зажат между вертикальными металлическими стержнями (рис. 6, ×5); ток 0.2 а, напряжение между стержнями 29 в; у отрицательного электрода при этом довольно эффектно выделялось свечение II фиолетовым пятном на красном фоне накалившегося кристалла.

Если рассматривать карборундовое свечение (I и II) во вращающемся зеркале, пропуская через контакт переменный ток, можно совершенно отчетливо видеть при частоте до 78500 гц отдельные вспышки (ток через контакт пропускался порядка 0.23 а — среднеквадратичное значение). Частота 78500 гц являлась пределом разрешающей способности примененной установки вращающегося зеркала, а не инертности свечения. Длина темных промежутков между вспышками и при частоте 78500 гц несколько больше, чем длина самих вспышек. Это тоже показывает, что свечение появляется и потухает весьма быстро.[11]

Яркость свечения может быть сделана достаточной для того, чтобы успеть фотографически записать переменный ток частоты порядка 102 гц.[12]

В одном опыте [40] свечение II фотографировалось в натуральную величину в виде точки на ортохроматическую пластинку объективом (коллинеар Фогтлендера) с отверстием F:18 при токе через детектор 0.23 а, напряжении на зажимах детектора 28 в (6.44 вт) и выдержках от 20 до 1/300 сек. Оказалось, что и при выдержке в 1/300 сек. слабая, но заметная светлая точка на отпечатке получается. Для сравнения в тех же условиях было снято тлеющее свечение неоновой лампы фирмы Осрам на 125—139 в, которая в опыте питалась постоянным током 0.0151 а при напряжении 177 в (2.67 вт). Уже при выдержке в 1 сек. свечение было еле заметно только на негативе.

Возможно, что для любительских (трудность регулировки) целей светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный точечный источник света. Для этого более подходит свечение II, оно может дать большую силу света и яркость.

Следует отметить, что при сильном токе иногда начинают светиться не только контакты, но и места соединений отдельных мелких кристалликов в середине куска карборунда; так как интенсивность таких свечении тоже зависит от направления тока, по-видимому, это электронные разряды, возникшие параллельно омическим сопротивлениям соединений отдельных кристалликов.

Нижегородская радиолаборатория.

14июня 1927 г.