Author: Ливенцев Н.М.
Tags: физика атомная и ядерная физика основы медицинской электроник
Year: 1978
Text
Н. м. ЛИВЕНЦЕВ
Курс
физики
АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА,
ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
И ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ
Издание 6-е,
переработанное
и дополненное
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебника
для студентов медицинских
специальностей вузов
Сканирование, оцифровка:
А. А. Шишкин
Рязань
23 апреля 2006
<00560
V
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1978
ББК 22.3
Л 55
УДК 53 (075.8)
Рецензент — зав. кафедрой физики Киевского
медицинского института доц. Е. А. Безденежных
Ливенцев Н. М.
Л55 Курс физики (Атомная и ядерная физика,
основы медицинской электроники и основы
медицинской кибернетики): Учеб, для вузов,—
6-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш, школа,
1978. — 336 с., ил.
В пер.: 90 к.
Данная книга является вторым томом курса * физики для
медицинских институтов. Она иаписана в соответствии с но-
вой учебной программой и содержит: атомную и ядерную фи-
зику, основы медицинской электроники, вопросы применения
электронных вычислительных машин в медицине и основы ме-
дицинской кибернетики
Учебник может быть также использован студента ми-био-
логами.
„ 20401—459 ББК 22.3
Л 001(01)—78 37-78 63
© Издательство «Высшая школа», 1974
© Издательство «Высшая школа», 1978, с изменениями
Часть IV
АТОМНАЯ ФИЗИКА
Глава 17
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ТЕОРИЯ ПЛАНКА
§ 101. Законы теплового излучения. Формула Планка
Тепловое {или температурное) излучение, обусловленное воз-
буждением атомов и молекул тела при соударениях в процессе теп-
лового движения, является универсальным явлением и происходит
при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. При этом
каждое тело одновременно и испускает, и поглощает падающее на него
излучение как от окружающих тел, так и от атомов, находящихся
в глубине самого тела. Если тело (или система тел) в результате пог-
лощения излучения (или любых других процессов) получает в единицу
времени столько же энергии, сколько оно отдает путем излучения, то
излучение называется равновесным. Равновесное излучение имеет
место, например, в изолированной системе тел, когда в процессе теп-
лообмена в ней устанавливается некоторая постоянная (равновесная)
температура.
Процессы испускания и поглощения электромагнитного излучения
количественно характеризуются следующими величинами.
Излучательной способностью {энергетической светимостью) Е тела
называется энергия электромагнитного излучения, испускаемого
(по всевозможным направлениям) в единицу времени о единицы пло-
щади поверхности тела; выражается в ваттах на квадратный метр
(Вт/м2, или Дж/(с • м2)].
Поглощательной способностью (коэффициентом поглощения) тела
называется отношение энергии электромагнитного излучения, погло-
щаемой телом, к энергии, падающей на него (величина безразмерная).
Опыт показывает, что излучательная и поглощательная способность
тела зависит от его природы и состояния поверхности, в значительной
степени от его термодинамической температуры, а также от длины
волн излучения. В связи с этим вводят понятия р спектраль-
ной излучательной Е^Т и спектральной поглощательной
Ак.т способностях. Это величины, отнесенные к определенной тем-
пературе Т тела и длине волны X излучения (практически к достаточно
узкому интервалу длин волн между X и X + ДХ).
Тело, которое при любой температуре полностью поглощает падаю-
щее на него излучение любой длины волны, называется абсолютно
черным телом. Его поглощающая способность при любых длинах
волн и температурах равна единице!
“ К, г) черн 1 •
3
Моделью абсолютно черного тела является замкнутая полость произ-
вольной формы со стенками из материала, хорошо поглощающего
свет, с небольшим отверстием (рис. 1, а). Излучение, проникающее
через отверстие, многократно отражается от стенок ’и практически
не выходит из половти на-
ружу. При каждом отра-
жении значительная часть
его поглощается и в конце
концов оно поглощается
полностью. При нагрева-
нии стенок черного тела
до определенной; темпера-
туры, они излучают элек-
тромагнитные волны и в
полости устанавливается
равновесное излучение, ко-
торое выходит из отверстия
наружу и представляет из-
лучение абсолютно черного
тела.
Анализируя условия
Рис. 1
равновесного излучения
для различных тел Кирх-
гоф. установил:
отношение излучательной способности тела к его поглощательной
способности не зависит от природы тела и для всех тел является
одной и той же (универсальной) функцией от длины волны и тем-
пературы:
Ек,т
Ак.т
Ек.т
Ак,т
=... — f (Х,Т).
a
(1)
Эту функцию называют функцией Кирхгофа, она определяет излу-
чательную способность-абсолютно черного тела:
= (2)
\ Г / черн
так как (А,т)черв = 1.
Из закона Кирхгофа (1) следует, что нагретые тела при определенной
температуре излучают преимущественно те длины волн, которые они
при этой температуре сильнее поглощают, и наоборот.
Распределение общей энергии сложного электромагнитного излу-
чения данного тела между-волнами различной длины (распределение
энергии излучения «по- спектру») представляет одну из важнейших
характеристик излучения.
В результате экспериментального изучения распределения энер-
гии в спектре абсолютно черного тела при равновесном излучении и при
различных температурах установлены два основных закона теплово-
го излучения.
4
Закон Стефан а—Б ольцмана:
полная (по всему спектру) излучательная способность абсолютно
’Черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной
темпеРатУРы:
ж
(ЕТ) черн=J (Ек.т)че{я, dk—aT*.
е
Коэффициент пропорциональности о называют постоянной
Стефана — Больцмана-, о = 5,7 • 10~8 Вт/(м2 • К4) = 1,38 X
X 10-12 кал/(см2 • с • К4).
Графики распределения энергии излучения по длинам волн при
различных температурах для тела, близкого по свойствам к абсолютно
к
I
'&
47:
г» wv
•- *. “ *
ЕЖ'? черному телу, показаны на рис. 1, б. Площадь, ограниченная графи-
Йг ком функции и осью абсцисс, пропорциональна полной (по всему спект-
ру) излучательной способности тела.
Из графиков видно, что при температурах порядка нескольких
тысяч градусов спектр излучения начинается в относительно длинно-
волновой части ультрафиолетового диапазона; с .увеличением длины
волны, включая и видимый диапазон, энергия излучения круто нарас-
тает, а затем она постепенно снижается — спектр простирается далеко
в инфракрасную область. При более низких температурах кривые
располагаются значительно ниже, спектр начинается только в области
видимого, излучения и максимум энергии излучения находится в ин-
фракрасной области. При еще более низких температурах (сотни гра-
дусов) спектр лежит в области относительно длинноволнового инфра-
красного излучения.
Длина волны, которой соответствует максимальная энергия излу-
чения, зависит от температуры тела (см. рис. 1). Эту зависимость уста-
навливает закон Вина (за кон-смещения):
V’%
Д5
длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения
Ет абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсо-
лютной температуре Ti
. Z,£m == ЫТ,
Й' где постоянная b = 2898 мкм/К, или
с повышением температуры, максимум энергии излучения черного
5' тела смещается в сторону более коротких волн.
: Для реальных (нечерных) тел спектральная излучательная спо-
Особность Е^т может быть определена, если известны для той же длины
волны и температуры спектральная излучательная способность абсо-
’ лютно черного тела (Еь,т)черн и спектральная поглощательная спо-
собность Ак,т Данного тела. Тогда согласно закону Кирхгофа запишем
Ек.т г)чсрн
Формула дает хороший результат для так называемых серых тел,
у которых, подобно абсолютно черному телу, поглощательная способ*
ность не зависит от длины волны и температуры, хотя по величине
она меньше единицы.
Закон Вина для нечерных тел выполняется только качественно.
Ученые Рэлей и Джинс, Вин и другие пытались, исходя из положений
классической термодинамики, вывести теоретически закон распреде-
ления энергии по спектру абсолютно черного тела, т. е. найти общее
выражение для функции Кирхгофа при различных температурах Т,
Однако их расчеты не совпадали о опытными данными.
Задача была решена в 1900 г. Планком. Отказавшись от класси-
ческих представлений о непрерывности световых волн, он высказал
принципиально новую гипотезу о том, что свет излучается и распрост-
раняется прерывно (дискретно) порциями, каждая из которых имеет
определенное количество энергии (или квант) е, пропорциональное
частоте излучения:
е = hv — hc/k,
где коэффициент h не зависит от частоты излучения; h ==
= 6,62 • 10~84 Дж • с. Этот коэффициент называют универсальной
постоянной излучения или постоянной Планка*.
Используя законы статистической физики, Планк вывел функцию
распределения энергии равновесного излучения абсолютно черного
тела в единичном интервале длин волн в виде
. 2лЛса 1
(ЛМ/черн ehc/KkT_i *
где с — скорость света в вакууме, k — постоянная Больцмана.
Формула Планка согласуется с опытными данными и, кроме того,
из нее путем соответствующих преобразований можно получить фор-
мулы законов Стефана—Больцмана и Вина.
Идея Планка о прерывистости света была первым этапом создания
новой физической теории — квантовой механики (см. § 119).
§ 102. Световые измерения. Яркость. Световой эталон
При измерениях в области оптического излучения применяется
система величин, основной из которых является поток энергии излу-
чения {поток излучения), т.,е. количество энергии, проходящей через
данную поверхность, перпендикулярную направлению лучей, за еди-
ницу времени. Единица потока — ватт (вт).
Для видимого излучения применяется система величин, связанных
с действием его на глаз, т. е. со зрительным ощущением. В то же время
эта система объективизирована тем, что в основу ее положен эталонный
источник (световой эталон), воспроизводящий основную единицу
этой системы —, канделу (прежнее название — свеча).
* В атомной физике постоянной Планка называют также величину
= h!2n. Тогда е = йш, где ы = 2jiv — круговая частота.
6
В системе световых измерений вводится понятие светового потока.
Световым потоком Ф называется поток энергии излучения Фе, оце-
ниваемый по зрительному ощущению, которое он вызывает в среднем
по светочувствительности человеческом глазу.
Для монохроматического излучения световой поток Ф численно
равен произведению потока энергии излучения Фе на коэффициент
видности Ух, учитывающий светочувствительность глаза (см. § 7.7):
Ф = УхФе.
Коэффициент видности зависит от длины волны излучения и уровня
адаптации глаза. Влияние адаптации глаза в системе световых изме-
рений не учитывается и коэффициент видности соответствует уровню
адаптации глаза при среднем дневном освещении. При этом условии
найдено, что для желто-зеленого цвета (X = 555 нм), к которому глаз
наиболее чувствителен, Ух = 683 лм/Вт.
' Сила света характеризует световой поток, распространяющийся
от источника света в определенном направлении. Для точечного ис-
точника, равномерно излучающего по всем направлениям, сила света
7 измеряется отношением светового потока АФ, распространяющегося
внутри достаточно малого телесного угла Ай, ориентированного в за-
данном направлении, к данному углу (рис. 2, а);
7 = АФ/Ай.
В пределе при Ай ->0 сила света 7 = г/Ф/АЙ.
Единицей силы света является кандела, которая воспроизводится
с помощью светового эталона (см. ниже), единицей светового потока —
люмен. Люмен равен световому потоку в пределах телесного угла
в один стерадиан от равномерно по всем направлениям излучающего
точечного источника с силой света в одну канделу (1 лм = 1 кд • ср).
Сила света характеризует световой поток, распространяющийся
только в определенном направлении. Это важно практически потому,
что из полного светового потока, излучаемого источником по всем
направлениям, попадает в глаз и вызывает зрительное ощущение толь-
7
ко та часть потока, которая распространяется в направлении глаза или
наблюдаемых предметов. (В последнем случае в глаз попадает световой
поток, отраженный от предмета.)
При наблюдении точечного источника света в глаз попадает только
часть Дф излучаемого им светового потока, распространяющаяся
в пределах телесного угла 0 при вершине конуса, основанием которого
является площадь зрачка о, а вершиной — источник света (рис. 2, 6)1
Лф = /0,
где / — сила света источника в направлении глаза, 0 — апертурный
угол глаза.
Как указано в § 77, уровень зрительного ощущения обусловлен
световым потоком, падающим на каждый фоторецептор сетчатки.
При наблюдении точечного источника можно считать, что его изобра-
жение приходится на один фоторецептор, на который падает световой
поток Дф, он и обусловливает уровень зрительного ощущения. Угол 0
(при данной площади зрачка) обратно пропорционален квадрату рас-
стояния г от источника света до зрачка глаза. Следовательно,
Дф « //г3,
световой поток, попадающий в глаз, а следовательно, и уровень
зрительного ощущения при наблюдении точечного источника про-
порционален силе света его и обратно пропорционален квадрату
расстояния от источника до зрачка глаза.
Точечный источник света является идеализацией. Все реальные
светящиеся тела (подразумеваются как самосветящиевя тела или ис-
точники света, так и несамосветящиеся тела, рассеивающие или
диффузно отражающие падающий на ниг свет от постороннего источ-
ника) являются протяженными.
Протяженные источники характеризуются величиной, называемой
яркостью светящейся поверхности в определенном направлении (под-
разумевается в направлении к глазу). Эта величина, как показано
дальше, обусловливает уровень зрительного ощущения в данном
случае.
Если направление, под которым наблюдается светящаяся поверх-
ность, ей перпендикулярно (этим случаем ограничиваем наше рассмот-
рение), то яркость В определяется отношением силы света /д$, излу- -
чаемого о достаточно малого элемента AS этой поверхности в данном
направлении, к площади элемента:
В = Ibs/bS,
яркость численно равна силе света, равномерно излучаёмого с еди-
ницы светящейся поверхности в перпендикулярном ей направлении.
Единицей яркости в СИ является кандела на квадратный метр
(кд/м2)*, т. е. яркость равномерно светящейся плоской поверхности
площадью 1 м2 в направлении нормали к поверхности при силе света
в одну канделу.
* В учебной литературе эту единицу иногда называют нит (нт); 1 нт =
= 1 кд/ма. В системеСГС единицей яркости является стилрб(сб); 1 сб = 1 кд/сма.
8
Обычно силу света выражают через световой поток Ф, тогда яркость
В = WAS « dOAs/(dQAS),
где </Фда — поток, излучаемый о площади AS внутри телесного угла
dQ, ориентированного по нормали к поверхности. Отсюда
с/Фдх = BASdQ,
Согласно этой формуле, световой поток, попадающий в глаз при
наблюдении элемента AS светящейся поверхности (рис. 3), равен
Аф = BAS0 (0 — апертурный угол глаза). Этот световой поток,
распределяясь на площади Ао изображения элемента AS, обуслов-
ливает освещенность Ес сетчатки!
Ео = А<р/Аа =» B(AS/Ao) . 0 = kB,
где k = (AS/Ao) • 0 = const.
Если площадь, занимаемую фоторецептором, считать за единицу,
то освещенность сетчатки на площади изображения численно равна
световому потоку, приходящемуся на каждый фоторецептор. Следова-
тельно уровень зрительного ощущения при наблюдении протяженно-
го источника, обуславливаемый освещенностью сетчатки, пропорцио-
нален яркости наблюдаемой поверхности.
Таким образом, яркость, е одной стороны, является объектив-
ной характеристикой светящейся поверхности, а с другой — субъ-
ективной характеристикой уровня зрительного ощущения при
наблюдении этой поверхности (см. § 80). В первом значении она ха-
рактеризует силу светового раздражения сетчатки и ее называют фото-
метрической яркостью; во втором — уровень ощущения и ее называют
• визуальной яркостью. Соотношение между этими-характеристиками
вависит от адаптации глаза и подчиняется закону Вебера—Фехнера.
В системе световых измерений, как указывалось, адаптация не учи-
тывается.
Визуальная яркость при наблюдении данной поверхности не за-
' висит ни от расстояния между поверхностью и глазом, ни от угла, под
которым поверхность наблюдается. Например, два листа меловой бу-
. маги, одинаково освещенные и находящиеся на различных расстоя-
ниях от глаза, оцениваются глазом как одинаково яркие.
Заметим, что во всех случаях непосредственного наблюдения гла-
вой светящихся тел (источников света, отражающих свет поверхностей
9
тел, экранов щполей зрения оптических приборов, равно как и изо-
бражений предметов, образованных оптическими системами и т. п.)
можно судить только об их яркости (а не об освещенности), так как
только яркость может оцениваться по зрительному .ощущению.
Яркость В диффузно отражающей свет поверхности, ее освещен-
ность Е и коэффициент р диффузного отражения связаны соотношением
В = (р/л) Е.
Порог зрительного ощущения составляет яркость порядка
10-10 кд/м2. Яркость, превышающая 10б кд/м2, особенно при значи-
тельной светящейся поверхности и длительном наблюдении, вызывает
в глазу неприятное ощущение. Наблюдение источников света более
высокой яркости вызывает в глазу ощущение боли, сопровождающееся
временным снижением светочувствительности.
Световой вталон представляет собой полный излучатель (абсолютно- черное
тело), выполненный в виде трубки Т (риа. 4, а) из плавленой окиси тория, на
одну треть высоты заполненной порошком этой окиси. Трубка помещена в со-
суд С, заполненный платиной П, которая подогревается током высокой частоты;
сосуд С окружен тепловой изоляцией Ий помещен в кварцевый корпус К. Этало-
ном является излучение внутренней поверхности трубки Т при температуре зас-
тывания платины (2042 К), испускаемое из отверстия О.
В ГОСТе «Единицы физических величин» дано такое определение; «Канде-
ла — сила света, испускаемого с площади 1/600 000 м2сечения полного излуча-
теля в перпендикулярном этому сечению направлении при температуре излу-
чателя, равной температуре затвердевания пластины при давлении 101 325 Па
(это соответствует Т = 2042,1 К)».
Рабочими световыми эталонами являются электрические лампы накалива-
ния особого устройства: сила света их устанавливается путем фотометрического
сравнения со световым эталоном (рис. 4, б). Обозначения на рисунке: Э —
световой эталон, П — призма Об — объектив, центрирующий лучи, Ф — фото-
метр, Д — диафрагмы, Л — лампа.
10
к
F
§ 103. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения
Основным источником теплового излучения в природе является
Солнце. Облучение солнечным излучением применяется для лечеб-
ных целей (гелиотерапия, или солнцелечение), а также для укрепле-
ния (закаливания) организма. Спектральный состав излучения Солн-
ца соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре
порядка 6000 К (см. рис. 1, б).
Полная (по всему спектру) плотность потока солнечного излучения
на верхней границе земной атмосферы составляет 8,1 • 104 Дж/(м2 • мин)
f-
[или 1,93 кал/(см2 • мин)]. Эта
величина называется солнечной
постоянной.
При прохождении через ат-
мосферу мощность излучения не-
сколько уменьшается; солнеч-
ная постоянная в зависимости
ог состояния атмосферы (облач-
ность) и высоты Солнца над го-
ризонтом также уменьшается и
в наиболее благоприятных усло-
виях составляет 1,5—1,6 кал/
/(см2 • мин). Изменяется и спек-
тральный состав излучения.
Ультрафиолетовое излучение с
длиной волны короче 0,290 мкм
поглощается озоном верхних
слоев атмосферы, а часть длинноволнового инфракрасного излуче-
ния — водяным паром. График распределения энергии в спектре
солнечного излучения приведен на рис. 5 (кривая А — на границе
земной атмосферы, Б — на поверхности Земли). Максимум энергии
в спектре излучения на границе атмосферы соответствует длине вол-
ны 0,470 мкм, на поверхности Земли — около 0,555 мкм.
Из искусственных источников света по спектру ближе всего к Солн-
цу подходит электрическая дуга, излучение которой ранее использова-
.лось для лечебных целей. В настоящее время в медицине применяются
бодее удобные в эксплуатации источники инфракрасного и ультра-
фиолетового излучения, по возможности воспроизводящие соответст-
вующие участки солнечного спектра.
К инфракрасному (ПК) излучению относится область длин волн
от 400 до 0,76 мкм (граница видимого света). Для лечебных целей ис-
пользуется более коротковолновая часть ИК с длиной волны от не-
скольких микрометров до границы видимого света.
ИК-излучение невидимо для глаза (хотя длительное действие его
на глаз может вызвать вредные последствия). Простое стекло пропус-
. кает его только в пределах длин волн от видимого света до 3 мкм (при-
мерно). Вода и водяной пар поглощают излучение, начиная с длины
волны 1—1,5 мкм и больше. Излучение проходит через каменную
соль и сильвин, а также специальное стекло с большим содержанием
11
марганца. Основное действие излучения — тепловое, однако оно мо-
жет вызывать и химические процессы, в частности действует на спе-
циальную фотоэмульсию. При фотографировании в ИК-лучах можно
наблюдать детали предметов, не заметные при обычной фотографии.
Первичное действие ИК-излучения на ткани организма связано
с прогреванием поверхностно лежащих тканей. Более коротковолно-
вая часть ИК-излучения проникает в глубину тканей на 15—20 мм.
Для облучения с лечебной целью применяются лампы накаливания
и специальные ИК-излучатели мощностью 500—600 Вт. ИК-излуча-
тель состоит из металлической спирали, навитой на керамическом ос-
новании. Спираль нагревается электрическим током до температуры
порядка 400—500° С, при которой и становится источником относитель-
но коротковолнового инфракрасного излучения. Лампы накаливания
кроме ИК-излучения дают также и видимое.
Тело человека излучает ИК-излучение с длиной волны порядка
нескольких микрометров с максимумом при длине волны 9 мкм. Ин-
тенсивность* его в различных точках поверхности тела зависит от мест-
ной температуры тканей и может-служить ее весьма тонким индика-
тором. Патологические процессы (воспалительные очаги, опухоли,
даже находящиеся на некоторой глубине, и т. п.) повышают местную
температуру. Поэтому изменение интенсивности ИК-излучения может
служить диагностическим признаком их наличия. Обнаруживается
слабое ИК-излучение с помощью фотоэлементов, чувствительных
к соответствующей спектральной области. Картина распределения
- интенсивности ИК-излучения исследуемой области тела может наб-
людаться на экране телевизора. Подобное устройство называется
тепловизором.
Ультрафиолетовое- (УФ) излучение охватывает область длин волн
от 380 (граница видимого света) до 10 нм (граница рентгеновского из-
лучения). Оно делится на ближнее, или флуоресцент-
н о е, от 380 до 200 нм, и дальнее, или вакуумное, от 200
до 10 нм. Ультрафиолетовое излучение поглощается простым стеклом,
но при длине волны не короче 200 нм проходит через кварц, каменную
соль и специальные стекла. При длине волны меньше 200 им излучение
поглощается тонким слоем любого вещества, включая и воздух.
УФ-излучение невидимо для глаза, однако, действуя на наружную
оболочку глазного’ яблока, вызывает ее болезненное воспаление (конъ-
юнктивит). Поэтому, работая с источниками ультрафиолетового излу-
чения, необходимо защищать глаза специальными очками.
УФ-излучение оказывает сильное биологическое действие на живые
организмы, которое может быть и полезным, и вредным. Поэтому оно
имеет большое значение для жизни растений, животных и людей.
Первичное действие его связано с фотохимическими реакциями, воз-
никающими в тканях при поглощении излучения.
' В ткани организма УФ-излучение проникает очень неглубоко—
на 0,1—1 мм, однако вызывает при этом сложную биологическую ре-
* Интенсивностью называется поток излучения, приходящийся на единицу'
поверхности (см. § 24).
12
акцию, проявляющуюся на месте 'действия излучения эритемой.
Эритемой называется интенсивное покраснение кожи, которое появ-
ляется через 6—12 ч после действия излучения, удерживается в те-
чение нескольких дней, затем проходит, но оставляет на длительное
время светло-коричневую пигментацию кожи, называемую загаром;
В соответствии с особенностями биологического действия выделяют
следующие зоны УФ-излучения:
зона А (X = 400 — 315 нм) — антирахитная — отличается ук-
репляющим и закаливающим организм действием, которое свойствен-
но достигающей земли части УФ-излучения Солнца. Используется
•в гигиенических и профилактических целях;
зона В (1 = 315 — 280 нм) — эритемная — характеризуется
эритемным действием, наиболее выраженным при длине волны 296,7 нм.
Используется в лечебных целях;
зона С (% = 280 — 200 нм) — бактерицидная — отличается бак-
терицидным (т. е. убивающим бактерии) действием, наиболее выра-
женным при длине волны 253,7 нм. Используется в качестве сред-
ства дезинфекции.
Источниками УФ-излучения являются ртутные лампы (см. § 112).
Излучение любого вида применяется с лечебной целью в строго
дозированных дозах. Действие излучения на вещество, в том числе
и на живые организмы, зависит как от общей энергии излучения,
поглощенной в объекте за все время воздействия, так и от энергии,
поглощаемой в единицу времени (потока излучения). При этом прене-
брегают отражением от поверхности объекта и основывают дозиметрию
на мощности падающего на объект излучения.
Энергию излучения, падающего на. единицу облучаемой поверх-
ности за время облучения, называют дозой облучения. Для инфрак-
расного и солнечного излучения она выражается в калориях на квад-
ратный сантиметр (кал/см2), для ультрафиолетового — в микроджоу-
лях на квадратный сантиметр (мкДж/см2).
Для измерения интенсивности теплового излучения применяются
приборы, называемые актинометрами (для солнечного излучения —
пиргелиометрами). Основу приборов составляет термобатарея — сис-
тема из нескольких термопар, соединенных последовательно и распо-
ложенных так, что исследуемое излучение действует на их рабочие
спаи.
Интенсивность УФ-излучения измеряется с помощью селеновых
фотоэлементов (см. § 105).
«
Глава 18
ФОТОЭФФЕКТ
§ 104. Фотоэффект в металлах
Свет, падая на поверхность металла и поглощаясь в нем, вызывает
эмиссию электронов, которые называют фотоэлектронами, а явление —
внешним фотоэлектрическим эффектом. Основные закономерности
фотоэффекта были получены при исследовании его в вакуумной ка-
13
мере Т (рис. 6, а) с двумя электродами — анодом А и светочувстви-
тельным катодом К, на который падает поток Ф монохроматического
излучения. С помощью потенциометра Р регулируется напряжение U,
приложенное между электродами. График зависимости фототока /ф,
образуемого потоком фотоэлектронов, от напряжения U (вольт-ам-
перная характеристика) приведен на рис. 6, б. Из графика видно, что
при напряжении U — 0 в
цепи имеется небольшой
v ток /ф0, который при уве-
V ___________личении напряжения по-
степенно нарастает до не-
/ которого максимального
/ fa значения. '
/ Для того чтобы снизить
У фототок до нуля, надо при-
ложить к электродам не-
большое напряжение L/3
Рис. 6 обратного знака (задержи-
вающий потенциал). Это
показывает, что фотоэлектроны имеют начальную скорость и соот-
ветственно кинетическую энергию, вследствие чего они преодолевают
действие сил электрического поля.
При изучении фотоэффекта было установлено три основных закона:
1. Сила фототока насыщения /ф.в (т. е. количество электронов, ис-
пускаемых катодом в единицу времени) пропорциональна потоку
энергии излучения Фе, падающему на металл (закон Столе-
това):
^ф.н. = ^Фв» .
где k — коэффициент пропорциональности, называемый чувствитель-
ностью металла к фотоэффекту.
2, Начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно воз-
растает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит
от его интенсивности.
3. Независимо от интенсивности излучения фотоэффект вызывает-
ся только при длине волны, меньшей некоторого критического
значения, характерного для каждого металла и называемого крас-
ной границей фотоэффекта.
•Изучая этот вопрос, Эйнштейн показал (1905 г.), что закономер-
ности фотоэффекта объясняются, если предположить, что свет, взаимо-
действуя' с веществом, поглощается такими же элементарными порция-
ми, какими он, по теории Планка, испускается. Эти элементарные пор-
ции Эйнштейн назвал фотонами. Фотоэффект происходит в резуль-
тате поглощения фотонов свободными электронами металла, при этом
каждый фотон взаимодействует с одним из электронов, которому и пе-
редает свою энергию е. Если эта энергия меньше работы выхода Лв
электрона из металла (е < Ав), то фотоэффекта не происходит; в про-
14
цессе теплового движения электрон передает эту энергию окружаю-
щим частицам. Фотоэффект наблюдается, если е Ав. Разность меж- ,
ду ними обусловливает начальную кинетическую энергию mvj/2
фотоэлектрона. Энергия фотона, по Планку, е — hv, следовательно,
hv = Дв + mv'e/2.
Это соотношение называют уравнением Эйнштейна
для фотоэффекта.
Из уравнения следует, что mvj!2 = hv — Ав, т. е. энергия фото-
электронов зависит от частоты падающего излучения и с повышением
ее линейно возрастает (второй закон
фотоэффекта).
В предельном случае, когда
mvj/2 = 0, получим hvK = Ав. От-
сюда vK — AB/h (или Хк = hc/A^ есть
наименьшая частота (или наибольшая
длина волны) излучения, при кото-
рой вызывается фотоэффект (третий
закон фотоэффекта).
Фотоэффект вызывают не все фо-
Рис. 7
тоны, падающие на металл, а только
их небольшая доля (порядка нескольких процентов). Эта доля тем
больше, чем выше энергия фотонов. В связи с этим чувствительность
металла к фотоэффекту (коэффициент k в первом законе) зависит
не только от природы металла и состояния его поверхности, но и от
частоты (длины волны) падающего на металл излучения. Чувстви-
тельность металла к фотоэффекту возрастает с увеличением энергии
(частоты) фотонов. В связи с этим различают спектральную
чувствительность металла k\ фотокатода к монохроматическому излу-
чению определенной длины волны и интегральную чувст-
вительность /ги, усредненную по всему спектру сложного
излучения. Зависимость k\ = f (^) называют спектральной характе-
ристикой фотокатода. У многих веществ спектральная характерис-
тика имеет в определенном интервале длин волн резко выраженный
максимум.
Внешний фотоэффект используется во многих приборах, простей-
шим из которых является вакуумный фотоэлемент (рис. 7). Он
состоит из стеклянной вакуумной колбы, внутренняя поверхность
которой, з,а исключением окошка О, через которое проходит свет,
покрыта фоточувствительным слоем. Слой соединен с выводом в цоколе
Ц и служит катодом А лампы. В центре колбы на ножке помещается
второй электрод—анод А в виде кольца или сетки. Фотоэлемент вклю-
чают последовательно в цепь источника постоянного напряжения,
вначение которого должно быть достаточным, чтобы обеспечить в фо-
тоэлементе ток насыщения.
Чувствительность вакуумных фотоэлементов измеряется током на-
сыщения в микроамперах, приходящихся на 1 лм светового потока, и
в области видимого излучения имеет порядок 10—15 мкА/лм.
15
Для усиления слабых фототоков применяют фотоэлектронные
умножители (ФЭУ) — приборы, в которых кроме фотоэффекта нс-,
пользуется явление вторичной эмиссии электронов (см. т. I с. 152).
Прибор (рис. 8, б) представляет вакуумный фотоэлемент с несколь-
кими промежуточными электродами — динодами, которые покрыты
веществом, легко испускающим электроны при ударе. Свет, падая
на катод К (рис. 8, а), вызывает фотоэлектронную эмиссию. Электроны,
ускоряясь электрическим полем, создаваемым напряжением Ult
падают на первый динод Эх и выбивают из него
вторичные электроны уже в большем количест-
ве. Эти электроны, ускоряясь полем, создавае-
мым напряжением [/а, падают на второй ди-
нод Э8, при этом их число снова увеличивается
и т. д. Постепенно усиливающийся поток элек-
тронов падает на последний электрод — анод А.
Напряжение с резистора R, включенного в цепь анода, передается на
усилитель, а затем на измерительный или регистрирующий прибор.
Если коэффициент усиления на одном диноде п, а число их т, то
общее усиление, которое дает умножитель-, К = пт и соответственно
ток в анодной цепи
где /ф — ток между катодом и первым динодом (ток фотокатода).
Усиление может достигать сотен тысяч.
Фотоэффект используется также при устройстве электронно-опти-
ческих преобразователей (электронных преобразователях оптического
изображения — ЭОП) — приборов, предназначенных для усиления
яркости изображения, а также для преобразования изображения,
полученного с помощью невидимого излучения, например инфракрас-
ного, а в медицине — рентгеновского (см. § 116), в видимое достаточ-
но яркое .изображение.
ЭОП (рис. 9) представляет стеклянную ваккуумную колбу С,
в которой расположены фотокатод ФК специального устройства,
анод А и фокусирующий электрод М, назначение которых аналогично
электродам в электроннолучевой трубке. К электродам подводится
достаточно высокое напряжение (15—20 кВ), Фотокатод ФК состоит
16
из флуоресцирующего (см. § 111) экрана Э1Г на который через про-
зрачную изолирующую прокладку наложен светочувствительный
слой Ф. Излучение И от объекта падает нй экран Эг и образует на нем
изображение объекта (стрелка /), которое передается на слой Ф. Ин-
тенсивность эмиссии электронов с различных точек поверхности этого
слоя зависит от их освещенности, поэтому плотность потока электронов
в различных точках соответствует
изображению.
Электроны ускоряются электри-
ческим полем между электродами
и, фокусируясь электродом М, па-
дают на флуоресцирующий экран
Э2, на котором образуют вторичное
изображение (стрелка 2), умень-
шенное по величине, но значитель-
но более яркое, чем изображение на
фотокатоде. С помощью оптической
Рис. 9
системы, состоящей из объектива
Об и окуляра Ок, получаем увеличенное изображение (пунктирная
стрелка) и наблюдаем его глазом (3 — промежуточное изображение,
4 — изображение на сетчатке глаза Гл, соответствующее увеличенно-
му мнимому изображению 5). Если вместо окуляра использовать про-
екционную линзу, то изображение можно сфотографировать или зас-
нять на кинопленку.
§ 105. Фотоэффект в полупроводниках.
Полупроводниковые фотоэлементы
Внутренним фотоэффектом называется отрыв электронов от ато-
мов или молекул, происходящий в результате поглощения фотонов
электромагнитного излучения при условии, что электроны остаются
внутри массы вещества.
К внутреннему фотоэффекту относится также первичная ионизация газа,
происходящая при поглощении оптического излучения, а также ионизация лю-
бого вещества под действием рентгеновского или радиоактивного излучения
(см. § 115, 133).-
В полупроводниках внутренний фотоэффект с точки зрения зонной
теории можно объяснить как переход электронов из валентной зоны
в зону проводимости с образованием на,их месте дырок.
Фотоэффект в полупроводниках используется при устройстве
фоторезисторов, сопротивление которых уменьшается пропорцио-
нально интенсивности падающего на них светового потока. Фоторе-
зисторы являются, например, весьма чувствительными детекторами
инфракрасного излучения.
Фотоэффект,. а также действие запирающего слоя используются
в вентильных фотоэлементах, не требующих источника энергии.
В таком фотоэлементе заряды обоих знаков (электроны и дырки),
освободившиеся в полупроводнике под действием света, вследствие
17
наличия запирающего слоя разделяются и образуют фотоэлектродви-
жущую силу (порядка 0,1—0,15 В).
В качестве примера опишем селеновый фотоэлемент. Фотоэлемент
(рис. 10, а, б) представляет стальную пластинку П, которая служит
одним из электродов и покрыта тонким слоем С селена с дырочной
проводимостью. Поверх селена нанесен тончайший слой серебра, ко-
торый служит вторым электродом. Атомы серебра проникают в приле-
mtmmm
Рис. 10
300 500 700 мкм
Рис. 11
жащий к нему слой селена, и последний приобретает электронную
проводимость. Между верхним и нижним слоями селена образуется
запирающий слой, в котором возникает контактная разность потен-
циалов (КРП), направленная от п- к p-слою (рис. 10, в), фотоэлемент
заключен в пластмассовую открытую
сверху коробку К, на которой укреплены
клеммы, соединенные с электродами.
При действии света в селене (преиму-
щественно в верхнем слое) происходит
фотоэффект, в результате которого обра-
зуются пары электрон—дырка. Электро-
ны — основные носители заряда в этом
слое — через запирающий слой не про-
ходят, дырки же — неосновные носите-
ли — под действием КРП в запирающем
слое проходят через него в нижнюю часть
селена (рис. 10, в). Аналогично, из ниж-
него слоя селена в верхний проходят
только электроны. Таким образом, положительные и отрицательные за-
ряды, освободившиеся под действием света, разделяются по обе сто-
роны от запирающего слоя (рис. 10, г) и образуют разность потенциа-
лов, или электродвижущую силу фотоэлемента. Количество электро-
нов и дырок, освобождающихся в единицу времени, а соответственно
и разность потенциалов между электродами пропорциональны потоку
энергии излучения, падающего на фотоэлемент.
Спектральная чувствительность селенового фотоэлемента близка
к спектральной чувствительности глаза человека: на рис. 11 график
1В
спектральной кривой 1 фотоэлемента сопоставлен с кривой видности 2
для глаза. С помощью светофильтра можно получить полное совпа-
дение. В связи с этим селеновый фотоэлемент широко применяют
в различных приборах для световых измерений, заменяя визуальный
фотометрический отсчет показаниями прибора, подключенного к фо-
тоэлементу. Примером является прибор для измерения освещенности,
или. люксметр (рис. 12), кото-
рый состоит из фотоэлемента А
со съемным светофильтром Ф и
измерительного прибора В,
шкала которого градуируется в
люксах.
7 / №
Рис. 12
Рис. 13
Имеются и другие фотоэлементы, основанные на том же принципе. Напри-
мер, кремниевые. Они имеют высокий коэффициент полезного действия (до 10%)
и применяются для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.
Батареи из таких фотоэлементов используются для питания аппаратуры на ра-
кетах, искусственных спутниках Земли, космических кораблях и т. п.
Фотоэлементы применяются при колориметрических измерениях.
Соответствующие приборы называют фотоэлектроколориметрами —
ФЭК. Свет от источника И (рис. 13, а) через линзу Л, светофильтр
СФ и кювету К с исследуемым раствором падает на фотоэлемент Ф,
подключенный к измерительному прибору Г. Отклонение стрелки
прибора пропорционально прошедшему через кювету световому пото-
ку. Разность показаний прибора при прохождении света через кю-
вету, содержащую чистый растворитель или исследуемый раствор,
определяет световой поток, поглощенный растворенным веществом,
по которому можно найти его концентрацию (см. § 69).
Более точные результаты дает компенсационный ФЭК (рис. 13, б).
В нем имеются две цепи с двумя фотоэлементами Фх и Ф2, которые вместе
с гальванометром Г и резисторами и Р, включены по схеме моста.
При равенстве световых потоков, падающих на оба фотоэлемента,
стрелка гальванометра устанавливается на нуль. В одну из цепей
19
помещают кювету Ki с растворителем, в другую — кювету Лг —
с растворителем и раствором поочередно. В обоих случаях с помощью
компенсационных элементов — светопоглощающих клиньев П в цепи
с кюветой Ki и щелевой диафрагмы Д в цепи с кюветой 7<3 — уравни-
вают световые потоки, падающие на фотоэлементы (при окрашенных
растворах применяют сменные светофильтры СФ). Поглощенная часть
светового потока определяется по шкале компенсационного устройства.
Шкала градуируется в единицах оптической плотности, которая при
Рис. 14
стандартной толщине слоя раство-
ра пропорциональна его концен-
трации.
Общий вид прибора показан на
рис. 14 (обозначения: / — помеще-
ние’для кювет, 2 — ручка управле-
ния диафрагмой Д, 3 — ручки ре-
гулировки светопоглощающих
клиньев, 4 —г измерительный при-
бор, 5 — ручка установки свето-
фильтров). В фотоэлектроколори-
метрах применяют также и ва-
куумные фотоэлементы, в этом слу-
чае прибор содержит источник на-
пряжения для их питания.
ФЭК применяется также в различных фотометрических устрой-
ствах для исследования оптических свойств вещества (излучательной
способности, коэффициентов поглощения или отражения и т. п.)
в зависимости от длины волны излучения. Метод называется спектро-
фотометрией.
Глава 19
СТРОЕНИЕ АТОМА ПО ТЕОРИИ БОРА
§ 106. Теория Бора. Спектр атома водорода
В 1913 г. Н. Бор предложил теорию механизма излучения света
атомами, учитывающую квантовую природу света. Теория основы-
вается на двух постулатах:
1. Внутренняя энергия атома дискретна', она может принимать
только определенные дозволенные значения (или уровни), характерные
для данного атома. Состояния атома, соответствующие этим уровням
энергии, являются стационарными: в таком состоянии атом не излу-
чает электромагнитных волн, несмотря на происходящее в нем дви-
жение электронов.
2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое
испускается (или поглощается) монохроматическое электромагнитное
излучение, частота которого обусловлена энергией, равной раз-
ности. энергетических уровней Ег и Elt соответствующих этим со-
ди
20
стояниям:
v = 6 __ =з
h h h '
где h — постоянная Планка.
Используя ядерную модель атома, Бор предложит считать, что
стационарным состояниям, или дозволенным энергетическим уровням,
атома соответствует движение электронов по орбитам определенного
радиуса. Эти орбиты должны удовлетворять условию, при котором
момент импульса Le электрона кратен постоянной Планка Й = й/2л*,
т. е.
Le = mvnrn = nh, (1)
где т — масса электрона, ип — скорость его на орбите, гп — радиус
орбиты, п — целое число, называемое квантовым числом атома.
Оно соответствует порядковому номеру орбиты и может принимать
значения натурального ряда чисел: п — 1, 2, 3, ...
Исходя из условия квантования, Бор рассчитал энергетические
уровни для атома водорода. В атоме электрон удерживается на ор-
бите силой кулоновского притяжения к ядру f к — е2/г2, обусловливаю-
щей центростремительное ускорение, следовательно, можем записать.
тиУгп = ёЧг2п, <2)
где в — заряд электрона.
Сопоставляя (2) и (1), легко найти радиусы дозволенных орбит;
радиусы стационарных орбит атома водорода пропорциональны
квадрату квантового числа п.
Для первой, основной, орбиты п — 1 и радиус — №1те\ Под?
ставив числовые значения т, е и й, получим гх == 0,53 • 10~8 см, что
согласуется с расчетами на основании кинетической теории газов.
Скорость движения электрона по стационарной орбите vn = etlnh.
Для основной орбиты атома водорода (п ==Д) ох = ёЧй. Подставляя
значения е и Й, получим ох = 2,3 • 108 см/с. Таков порядок скорости
движения электронов по орбите.
Полная энергия электрона Ее = Ек 4- Еа, где Ек = тиУ‘2 —
кинетическая энергия, Ев — —ёЧгп — потенциальная (знак минус
означает энергию взаимного притяжения). Следовательно,
Учитывая, что согласно (2) ёЧгп = то2, получим Ее — —ти212
(отрицательная энергия электрона, связанного в атоме с ядром,
соответствует условию, что энергия свободного электрона принима-
* Правила квантования орбит называют гретьим'иостулатом Бора.
ется равной нулю). Подставляя в это выражение скорость электрона,
находим
т / е2 у _ mei 1
— 2Д2 77'
(3)
Вычисленные по этой формуле энергетические уровни обратно
пропорциональны квадрату квантового числа и Численно равны (см.
рис. 17):
п ~ 1 Е, = —13,55 (основной) п = 4
п = 2 Ег — —3,38 п = 5
п = 3 Е3 — —1,5 п = 6
Et = —0,84 эВ
Е6 = —0,54 эВ
Ев = —0,38 эВ
Поскольку о увеличением радиуса орбиты отрицательные значения
энергии электрона убывают по абсолютйой величине, можно считать,
что энергетические уровни при этом повышаются. Таким образом,
по мере удаления от ядра энергети-
а)
1)
Рис. 15
ческие уровни атома возрастают'.
Et < Е2С E.jC ...
С возрастанием числа п разность
между каждыми двумя соседними
уровнями по абсолютной величине
уменьшается:
ДЕ' > ДЕ" > ДЁ'" > ....
где ДЕ' = Е2— Е,; ДЕ" — Е3 — Еа;1
ДЕ'" = Е4 — Е8. Стационарный уро-
вень с наименьшей энергией назы-
вается основным, он соответствует со-
стоянию атома, не подвергающегося
никаким внешним воздействиям.
Остальные стационарные уровни на-
зываются возбужденными. Возбужде-
ние атома, т. е. переход электрона
на орбиту большего радиуса, требует
сообщения дополнительной энергии
и, следовательно, происходит в ре-
зультате каких-либо внешних воздей-
ствий: при соударении частиц в про-
цессе интенсивного теплового движе-
ния, электрическом разряде в газах,
поглощении электромагнитного излу-
чения, в результате рекомбинации
ионов в газе или электронов н дырок
в полупроводнике, при действии на
атом радиоактивного излучения и
т. п.
22
Возбужденное состояние атома неустойчиво, примерно через 10~8 с
электрон возвращается на основную орбиту, при этом излучается один
фотон с энергией hv, равной энергии, полученной при возбуждении
(рис. 15, а), и атом переходит в основное состояние. Электрон может
возвращаться на основную орбиту не только единым переходом, но и
через промежуточные уровни. В этом случае при переходе будут излу-
чаться несколько фотонов с энергиями hv' и hv", равными разности
энергий этих уровней (рис. 15, б).
Дискретность энергетических уровней атома была подтверждена опытами
Франка и Герца по возбуждению атомов паров ртути путем соударения с элект-
ронами. Вакуумная камера (рис. 16, а), заполненная ртутными парами под не-
высоким давлением, содержит накаленный катод К (источник электронов), две
сетки Q и С2 и ‘анод А.
На сетку С« подается на-
пряжение t/y, ускоряющее
элеюроны, которое регули-
руется потенциометром П и
измеряется вольтметром В.
Вторая сетка С2 соединена
С первой и между ней и
анодом в узком промежутке
приложено небольшое на-
пряжение UT, тормозящее
электроны. В опыте наблю-
далось изменение тока /а в
анодной цепи (измеряется
гальванометром Г) при по-
степенном повышении на-
а)
Рис. 16
пряжения Uy
Результаты опыта представлены на графике рис. 16, б. Кривая нарастания
тока имеет периодические снижения при значениях Uy, кратных напряжению
4,9 В, Это объясняется так: электроны, ускоренные электрическим полем между
катодом и первой сеткой (этот промежуток они проходят почти без столкновений
с атомами ртути), попадают в пространство между сетками, где поле практи-
чески отсутствует и где происходят основные соударения их с атомами ртути.
Вначале при невысокой энергии электронов соударения упругие. Электро-
ны не теряют кинетической энергии и за счет нее, преодолевая тормозящее
поле, достигают анода и создают в цепи ток 1а, который плавно нарастает при
увеличении ускоряющего напряжения Uy.
При напряжении Uy == 4,9 В энергия электронов становится достаточной,
чтобы вызвать неупругий удар, при котором электроны, передавая ато-
мам ртутн практически всю свою энергию, уже ие могут преодолеть тормозящего
поля, в результате чего ток снижается. При большей энергии электронов соуда-
рения вновь делаются упругими и ток возрастает до тех пор, пока энергия элект-
ронов не станет кратной энергии иеупругого удара.
_ За счет энергии, полученной от электронов, атомы ртути возбуждаются,
т. е. переходят на более высокие энергетические уровни. Как видно из графика,
это происходит периодически, когда энергия электрона ве достигает значений,
кратных 4,9 эВ. Они соответствуют дозволенным уровням эиергйи атома ртути,
т. е. его стационарным состояниям
Величина UB — 4,9 В называется потенциалом возбуждения атомов ртути.
В аналогичных условиях были определены потенциалы возбуждения и дру-
гих атомов. При некоторой модификации метод позволяет найти также и потен-
циалы ионизации (см. § 37).
Теория Бора объяснила не только происхсбкденне линейчатых
спектров, но и структуру спектра излучения атомов водорода, В за-
висимости от энергии, полученной при возбуждении атома, электрон
23
переходит на различные возбужденные уровни. При возвращении его
на основной уровень (особенно если этот, переход совершается ступен-
чато) излучаются кванты различной энергии. Поэтому в спектре излу-
чения атома водорода должно быть значительное число линий, распо-
ложение которых соответствует энергетическим уровням атома и воз-
можным переходам электрона.
Еще до создания теории Бора было установлено, что в спектре
водорода имеются группы, или серии, линий, частоты которых нахо-
дятся между собой в определенных соотношениях, цапример, серия
Лаймана, Бальмера и др. Экспериментальные формулы для определе-
Рис. 17
ния частот линий, составляющих ту или иную серию, были объединены
в одну общую, называемую формулой Бальмер а—Р и д-
б е р г ai
D( 1 1 \
V—К---------I.
> к «о п® /
где 7? = 3,29 • 101в с”1, п0—постоянное число, характерное для Дан-
ной серии, ап — число, определяющее каждую из линий: п » п04-
+ 1, й0 4- 2, п0 + 3 и т. д. Например, для серии Лаймана (в ультра-
фиолетовой части спектра) п0 = 1; п = 2, 3, 4, для серии Бальмера
(в видимой части спектра) п0 — 2; п — 3, 4, б, для серин Пашена
(в инфракрасной области) п0 = 3; п = 4, 5, 6, и т. д.
Теория Бора объяснила происхождение этих серий (рие. 17).
Энергия излучаемых фотонов равна разности энергетических уровней
Еп и Еп0 перехода электрона: hv — Еп — Еп0, откуда v =я (Ёп —
— En0)/h. Подставляя значение энергии уровня из соотношения (3),
получаем - *
р где п — квантовое число уровня, о которого переходит электрон,
п0 — квантовое число уровня, на который он переходит. Полученная
| формула аналогична предыдущей при условии, что постоянная R —
I =* пге4/(4лй3). Ее расчетное значение совпадает с экспериментальными
| данными.
\ Таким образом, по теории Бора, к серии Лаймана, например, от-
| носятся все переходы электронов с возбужденных- уровней (п = 2, 3,
| 4, ...) на основной (п0 = 1), к серии Бальмера — переходы с более
г высоких (п =я 3, 4, б, ...) на первый возбужденный уровень (п0 — 2)
I и т. д. Схема переходов электрона (а), энергетические уровни (б),
| расположение линий (в) в спектре излучения водорода изображены
Г на рив. 17.
S Теория Бора получила подтверждение в спектральных закономер-
| ностях атома водорода. Однако попытка применить ее к спектрам
более сложных атомов встретила значительные затруднения.
Г Теория Бора имела большое значение для развития физики и была
к . одним из важнейших этапов создания квантовой механики.,Она яви-
I лась основой учения о строении электронных оболочек атомов и была
| использована для объяснения закономерностей периодической системы
I элементов. Теория Бора имела и ряд недостатков, основным нз кото-
| рых является ее непоследовательность, так как, вводя ряд квантовых
Г условий, она основывалась на классических представлениях о дви-
| жении электрона в атоме.
I i § 107. Квантовые числа. Строение электронной оболочки атомов
р При дальнейшем развитии теории Бора оказалось, что для полной
I характеристики стационарных состояний атома должны учитываться
I еще и другие условия, которые значительно увеличивают общее число
|г дозволенных энергетических уровней, например энергетические уров-
t ни, соответствующие эллиптическим орбитам электрона, которые,
« как предположил Зоммерфельд, имеют место наравне о круговыми.
К Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя
К квантовыми числами: главным, орбитальным, магнитным и спиновым.
№ I. Главное квантовое число п определяет стационарные энергети-
к ческие уровни атома, на которых находится определенное число
В. электронов.
К В ядерной- модели ему соответствует основной размер (радиус
Е круговой или большая полуось эллиптической) орбиты для электро-
t нов этой группы.
В Главное квантовое число может принимать значения чисел нату-
| рального ряда: п — 1, 2, 3, ...
К Стационарные уровни подразделяются на несколько близких
Ц? между собой подуровней в зависимости от значения остальных кван-
Г. товых чисел.
Й 2. Орбитальное квантовое число I определяет энергетические поду-
В рОВни атома, соответствующие дозволенным значениям орбитального
Ь. момента импульса электрона Le, кратным постоянной Планка:
t - Le - (/ + 1) а.
В ядерной модели орбитальное, квантовое число обусловливает
форму орбит электрона, а именно дозволенные соотношения малой b
и большой а полуосей эллиптических орбит!
b/а = (/ + 1)/п,
где п — главное квантовое число. Орбитальное квантовое число I
может принимать последовательные значения целых чисел в пределах
от 0 до п — 1, т. е. I = 0, 1, 2, ..., п — 1.
3. Магнитное квантовое число mt характеризует изменение поло-
жения плоскости орбиты электрона под действием внешнего магнит-
ного поля (см. § 40). При изменении положения плоскости орбиты
изменяется потенциальная энергия
В
электрона н у него появляются до-
полнительные энергетические уровни.
Это было обнаружено в связи с от-
крытым Зееманом явлением расщеп-
ления спектральных линий на не-
сколько компонентов при действии
на атомы вещества сильного магнит-
ного* поля.
Дозволенными являются положе-
ния (угол наклона плоскости орби-
ты), при которых числовое значение
проекции Ц вектора момента им-
пульса Le электрона на направление магнитного поля (или вообще
на заданное направление) кратно постоянной Планка h : Ц = тД
Магнитное квантовое число mt может принимать последовательные
значения целых положительных и отрицательных чисел и в пределах
от 0 до орбитального квантового числа I, т. е. mz=0, ±1, ±2, ..., ±1.
(Знаки «±» соответствуют двум положениям орбиты при повороте ее
плоскости на 180°.)
Для примера на рис. 18 показано положение орбит электронов
с некоторыми заданными главным и орбитальным квантовыми числами
п и I и различными магнитными квантовыми числами mL в соответствии
с направлением вектора магнитной индукции В.
4. Спиновое квантовое число тв характеризует ориентировку (знак)
спина электрона.
Исследование тонкой структуры спектральных линий показывает,
что, например, у атомов (или ионов) с одним внешним электроном линии
являются сдвоенными (дублетами). Это связывают с различной ориен-
тировкой вектора спина электрона относительно вектора орбитального
момента импульса, которая оказывает влияние на энергию электрона
и, следовательно, обусловливает дополнительные энергетические по-
дуровни атома. Дозволенными являются две ориентировки: проекция
S вектора спина S' на направление вектора орбитального момента
Le параллельна ему или антипараллельна (рис. 19).
* Расщепление спектральных линий происходит также под действием
сильного электрического поля и называется явлением Штарка,
26
Проекция S спина определяется как произведение спинового кван-
тового числа ms на постоянную Планка h;
S = msh.
Спиновое квантовое число может принимать только два значения:
та = ±1/2 (знак «+» при параллельной и знак «—» при антипарал-
лельной ориентировке).
Поскольку под спином подразумевают именно его проекцию на орбитальный
момент, то считают, что спин электрона численно равен половине постоянной
Планка.
В соответствии со значениями четырех квантовых чисел в боровскои
модели атома происходит группировка электронов по оболочкам и
подоболочкам, под которыми под-
разумеваются определенные энер-
гетические уровни.
Электроны с одинаковым глав-
ным квантовым числом п образуют
влектронные оболочки, которые обо-
значаются следующими буквами;
«= 1 2 3 4 5 6 7.
KLMNOPQ
Рис. 19
Электроны, принадлежащие к определенной оболочке, образуют
несколько подоболочек в соответствии с их орбитальным квантовым
числом I. Значения этого* числа и соответствующих им подоболочек
обозначают буквами, заимствованными из названий спектральных
линий:
/ = 0 1 2345.
s pdf gh
Поскольку орбитальное квантовое число принимает значения от О
до п — 1, число подоболочек равно порядковому номеру п оболочки.
Оболочка К состоит из одной подоболочки s, оболочка L состоит из
из двух подоболочек s и р\ оболочка М — нз трех подоболочек s,
Pt d и т. д.
Число электронов в подоболочке обусловлено магнитным и спи-
новым квантовыми числами и указывается как показатель. степени
у буквы, которая ее обозначает.
При заполнении оболочек должен выполняться принцип
Паули: в атоме не может быть двух электронов, находящихся
в тождественных состояниях движения, другими словами, не может
быть двух электронов с одинаковыми четырьмя квантовыми числами.
На рис. 20 схематически показаны первые три оболочки с их
подоболочками и относящимися к ним электронами, различающимися
магнитными и спиновыми квантовыми числами.
Электронная оболочка К, атома1 водорода, содержащая только один
влектрон, обозначается 1s й представляет одну круговую орбиту.
21
У гелия натакой же оболочке находится два электрона, отличающиеся
спиновыми числами: 1s® (рис. 20). У элементов второго периода табли-
цы Менделеева появляется вторая оболочка L. Она может состоять
из двух’ подоболочек s и р. Сначала заполняется подоболочка 2s:
у лития — одним электроном ls22s, у бериллия — двумя ls22s2. Затем
подоболочка 2р заполняется электронами с разными значениями маг-
нитного квантового числа: у бора и углерода с mt = 0, у азота и Кис-
лорода с m.i = +1, у фтора и
по два электрона с разными з
подоболочка р заполнена ше
рис. 20
подоболочке. Количество
в т1 — —1 и у каждого из них
спина. Таким образом, у неона
) электронами: ls22s22pe (рие. 20).
У натрия появляется третья обо-
лочка М с одним электроном:
ls22s22pe3s и т. д.
Такая последовательность за-
полнения электронных оболочек
сохраняется только у первых 18
элементов. Затем этот порядок
усложняется: в одних случаях но-
вые подоболочки начинают запол-
няться раньше, чем окончится за-
полнение предыдущих, в других
случаях, наоборот, происходит за-
полнение оставшихся мест в пре-
дыдущей подоболочке при неизмен-
ном числе электронов в наружной
электронов в наружной подоболочке во
всех случаях изменяется только от 1 до 8.
Наибольшее возможное число N электронов в оболочке соответ-
ствует условию N — 2п2, где п — главное квантовое число: для обо-
лочки К—2, для L—8, для М— 18 (рис. 20) и т. д. Это условие вы-
полняется только для первых четырех оболочек (/С — М), для осталь-
ных — полное число электронов не достигает максимально возмож-
ного.
Сопоставление электронных оболочек атомов отдельных элементов
с расположением их в периодической системе Менделеева показывает,
что периодичность повторения свойств элементов связана со сходством
строения их электронных оболочек. Число их соответствует номеру
периода таблицы, к которому данный элемент принадлежит. В каж-
дом периоде физико-химические свойства элементов связаны с числом
электронов во внешней подоболочке, поэтому при образовании каждой
новой оболочки онн повторяются. Таким образом, установленная Мен-
делеевым периодичность свойств элементов .получила новое обоснова-
ние в строении электронных оболочек атомов.
§ 108. Молекулярные спектры
Если энергия, сообщенная атому, незначительна, то на возбужден-
ные уровни в основном переходят валентные электроны. Частота из-
лучения при этом соответствует оптической части спектр'й (видимое
28
и близкие к нему части инфракрасного и ультрафиолетового излуче-
ний). У атомов с высоким порядковым номером более значительная
энергия возбуждения обусловливает переходы электронов между
уровнями, соответствующими внутренним слоям. Излучение при пе-
реходах электронов между этими уровнями имеет значительно более
высокую частоту и относится к дальнему ультрафиолетовому и рентге-
новскому (см. § 114).
Молекулы имеют более сложные спектры излучения (или погло-
щения), чем атомы того же вещества. При соединении атомов в молеку-
лу изменяется конфигурация оболочки с .валентными электронами,
в твердых телах образуются энергетические зоны (см. § 34), в связи
с чем число возможных переходов электронов и соответствующих им
спектральных линий значительно возрастает.
Кроме уровней (£е), связанных с переходами электронов, у молекул
появляются энергетические уровни (Ем), обусловленные, во-первых,
колебательным движением ядер атомов, образующих молекулу около
положения равновесия (Екоп), и, во-вторых, вращательным движе-
нием самой молекулы (Ёвр). Энергия этих видов движения, равная
= Ее + £кол + Евр,
также квантуется, т. е. имеет свои дозволенные (квантованные) энерге-
тические уровни. Таким образом, молекулярные спектры состоят из
трех компонентов — электронного, колебательного и вращательного.
Внешние воздействия усиливают интенсивность этих видов моле-
кулярного движения, т. е. возбуждают молекулу, которая затем воз-
вращается в основное состояние, излучая фотон о энергией, равной
разности энергетических уровней перехода:
— Е2м — Е1М.
Все эти компоненты дают в спектре множество близко располо-
женных линий, которые в совокупности образуют полосатые (преиму-
щественно у паров и газов) или сплошные (у твердых и жидких тел)
спектры.
Как показывают теория и опыт, Евр ЕКоп Ев, поэтому мо-
лекулярные спектры занимают широкие диапазоны электромагнит-
ного излучения, причем вращательная и колебательная составляющие
jj относятся преимущественно к инфракрасному излучению, а элект-
‘ ронная — к видимому и ультрафиолетовому.
Анализ молекулярных спектров, особенно в инфракрасной области
широко используется при изучении строения молекул.
Вращательная составляющая молекулярных спектров может за-
нимать также область коротких радиоволн. Исследование спектров
излучения и поглощения в этом диапазоне называют радиоспектро-
скопией. Эти данные дополняют сведения о строении молекул, полу-
ченные с помощью оптической спектроскопии.
Наиболее распространенным методом радиоспектроскопии явля-
> ется метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Явление
29
ЭПР заключается в резонансном поглощении энергии электромагнит-
ного поля в радиочастотном диапазоне частицами парамагнитного
вещества при действии на него постоянного магнитного поля. В ре-
зультате взаимодействия магнитных моментов атомов (ионов или мо-
лекул) с магнитным полем основной энергетический уровень частиц
расщепляется на несколько подуровней, между которыми возможны
переходы электронов под действием квантов электромагнитного поля.
Эти переходы имеют резонансный характер и сопровождаются значи-
тельным поглощением энергии, что вызывает появление в спектре
вещества соответствующих линий поглощения. Для обеспечения
резонанса частота v электромагнитного поля должна удовлетворять
следующему условию: /ivpe8 = gysB, где g — коэффициент, завися-
щий от природы вещества, рв — единица
магнитного момента (магнетон Бора) и
В — магнитная индукция.
Установка для исследования ЭПР .
(рис. 21) включает: сильный электромаг-
нит М, питающийся от источника постоян-
ного тока через потенциометр Р, между
полюсами которого в специальной ячейке
' П, представляющей резонатор для магнит-
ной составляющей излучения, помещается
исследуемое вещество, на котором концен-
трируется излучение от генератора Г ко-
лебаний сверхвысокой частоты. С помощью
измерительного устройства И регистрируется кривая поглощения
энергии веществом, которая наблюдается на экране осциллографа О.
Чаще используется частота СВЧ-поля v — 10 ГГц (длина волны 3 см).
Индукция поля электромагнита плавно регулируется потенциометром
Р др величины, вызывающей появление на кривой поглощения
резонансного пика.
В медико-биологических исследованиях ЭПР используется для
обнаружения свободных радикалов, которые отличаются интенсивным
ЭПР, например при образовании их в белковых субстратах организма
при лучевом поражении (см. § 133).
В случае непарамагнитных тел для аналогичных целей использу-
ется явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), основанного на ре-
зонансном поглощении энергии СВЧ-поля при • переходах в систе-
ме уровней, обусловленных взаимодействием магнитных моментов
атомных ядер с внешним постоянным магнитным полем. Интен-
сивность1 ЯМР значительно ниже, чем ЭПР, что усложняет иссле-
дование.
В заключение укажем’, что возбужденное состояние атома или мо-
лекулы может разрешаться не только путем излучения фотона. Оно
может вызвать фотохимическую реакцию, перестройку структуры
сложной молекулы, а полученная при возбуждении энергия может
быть передана другим частицам в процессе теплового движения.
Эти явления носят название безызлучательных энергетических пере-
ходов.
30
§ 109. Комптон-эффект
Существенное значение для развития представлений о присущих
фотонам корпускулярных свойствах имело открытие в 1923 г. А. Комп-
тоном явления, названного по его имени комптон-эффектом.
Комптон-эффектом илн комптоновским рассеянием называют рас-
сеяние электромагнитного излучения, сопровождающееся изменением
длины волны. Это явление наблюдалось в опыте по рассеянию рентге-
новского излучения (рис. 22, а) веществом, имеющим слабо связанные
с ядром электроны (графит, парафин и т. п.). Выделенный G помощью
фильтра Ф и диафрагмы Д узкий монохроматический пучок излучения
от трубки Т падает на тело Р.
Длина волны излучения, рассеян-
ного под определенным углом 0,
находится с помощью спектраль-
ного прибора СП (см. § 68).
В результате опыта Комптон
установил, что в рассеянном пучке
кроме излучения с основной длиной
волны X имеется также излучение е
большей длиной волны X'. Длина
волны X' зависит от угла 0 между
направлениями рассеянного и пер-
вичного пучков и не зависит от
природы рассеивающего тела. Раз-
ность между этими длинами волн
ДХ = X' — X = 2XKsin2 (0/2),
Рис. 22
где постоянная Хк называется комптоновской длиной волны и равна
Х„ = 2,43 • 10-12 м.
Комптоновское рассеяние, подобно фотоэффекту, не укладывается
в рамки классической теории, согласно которой длина волны излу-
чения при рассеянии остается без изменения. Если же фотон рассмат-
ривать е точки зрения квантовой теории как частицу с импульсом
р = e/с = hx/c—h/'K н взаимодействие с электронами по закону упру-
:того соударения, то явление получает удовлетворительное объясне-
ние. Фотон с энергией е = hv = ftc/X, взаимодействуя с электроном,,
передает ему часть своей энергии. Энергия фотона уменьшается до
;Вф = /tv' = hcIH, а длина волны увеличивается до X', также изменя-
ется и направление его движения.
Закономерности упругого соударения позволяют рассчитать за-
свисимость длины волны от угла 0, под которым происходит рассеяние
„(рис. 22, б). Результаты расчета совпадают с опытными данными.
Исходя из закона сохранения энергии, явление Комптона может
быть описано уравнением, аналогичным уравнению Эйнштейна для
фотоэффекта, hv = hv' + Ав + mt>|/2 -(см. § 104), или, пренебрегая
работой Ав по отрыву электрона (комптон-эффект может происходить
И на свободных электронах),
hv = hv' + mv2el2.
31
Видимый свет не претерпевает комптоновского рассеяния, так как
энергия фотона меньше энергии, необходимой для освобождения
даже валентных, слабо связанных с ядром электронов. Однако общие
закономерности, вытекающие из явления Комптона, сохраняют силу
для любых видов электромагнитного излучения. Согласно этим зако-
номерностям фотону кроме энергии е = hv приписываются также
импульс р н соответственно масса тф, которые определяются
по соотношению Эйнштейна е = тфс2, откуда
/Пф == е/с2 = hv/c2 и р = тфс = hv/o — h/7..
Масса фотона отличается от обычной массы (массы покоя) частив
(электронов, протонов и др.) тем, что она существует только при
движении фотона.
Таким образом/после открытия Комптона фотону были полностью
приписаны корпускулярные свойства: дискретная энергия, импульс
и масса. Волновые свойства фотонов проявляются в основном в про-
цессе распространения света (дифракция, интерференция и т. п.) и
более характерны для излучения с низкой частотой колебаний, корпус-
кулярные — при взаимодействии света с веществом (фотоэффект,
комптон-эффект и т. д.) и более характерны при излучении с высокой
частотой колебаний (например, рентгеновское и гамма-излучение).
Глава 20
' ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
§ 110. Природа и виды люминесценции
"Излучение света происходит не только в результате нагревания
тел, но и при других явлениях, например электрическом разряде
в газах, некоторых химических ^процессах (гниение органических ве-
ществ, окисление фосфора) и т. д. Наблюдается свечение светлячков
и морских микроорганизмов. Можно вызвать вторичное видимое
свечение многих веществ при облучении их невидимым ультрафиоле-
товым излучением и т. п. Все виды самосвечения, кроме стечения тел
при нагревании, называют холодным свечением или люминесценцией.
Люминесценция происходит одновременно с тепловым излучением
н независимо от него. Люминесценцию определяют как
излучение, представляющее собой избыток над тепловым излуче-
нием тела при данной температуре.
В отличие от теплового люминесцентное излучение не может иметь
равновесный характер, оно прекращается как только будет израсхо-
дована энергия того процесса, которым люминесценция вызвана.
Люминесценцию классифицируют по природе процессов, вызываю-
щих'излучение,, по длительности свечения и по характеристикам про-
исходящих при люминесценции внутриатомных процессов.
Свечение газов при электрическом разряде называют электролю-
минесценцией; свечение, возбуждаемое ударами, электронов (напри-
32
мер, на экранах электроннолучевых трубок), — катодолюминесцен-
цией; свечение, наблюдаемое у живых организмов (бактерии, грибы,
насекомые), — биолюминесценцией; свечение, возникающее под дей-
ствием оптического излучения, — фотолюминесценцией, а под дей-
ствием рентгеновского излучения — рентгенолюминесценцией и т. д.
Люминесценция — квантовый процесс, механизм которого объяс-
няется о позиций квантовой механики. Однако приближенно он может
быть рассмотрен также и с помощью боррвской теории: если электрону
прн любом из указанных выше процессов (исключая соударение при
епловом движении) сообщить дополнительную энергию, то атом, воз-
безызлучатепьный. переход
Рис. 23
буждаясь, переходит на более высокий энергетический уровень. При
обратном переходе его на оснсузной уровень излучается фотон о энер-
гией, равной энергии перехода.
В зависимости от длительности свечения различают флуоресценцию,
когда люминесцентное излучение гаснет практически одновременно t
с прекращением возбуждения, и фосфоресценцию, когда после прекра-
щения возбуждения излучение продолжается еще некоторое время
(у определенных тел — минуты и даже часы). Последнее явление
иногда называют послесвечением.
По внутриатомным процессам различают люминесценцию резо-
нансную, спонтанную, вынужденную и рекомбинационную.
При спонтанной люминесценции излучение происходит самопро-
.. извольно непосредственно за возбуждением, этим она отличается от
вынужденной (см. § 113). Атом с возбужденного уровня может пере-
ходить на основной непосредственно — единым актом (рис. 23, а), .
в этом случае люминесценцию называют резонансной и излучаемые
фотоны имеют энергию, равную энергии возбуждения. В более общем
Случае при спонтанной люминесценции атом с возбужденного уровня
переходит на основной ступенями через промежуточные уровни
(рис. 23, б). Переходы, сопровождающиеся излучением, могут чере-
доваться с безызлучательными переходами (рис. 23, в), при которых
некоторая часть энергии возбужденного атома передается соседним
н. М, Ливеицеа ЗЭ
атомам или молекулам кристаллической решетки и переходит в энер-
гию их теплового колебательного движения.
Рекомбинационной называется люминесценция, происходящая
в результате возбуждения атомов при рекомбинации, например, элект-
ронов и ионов в газе, электронов и дырок в полупроводниках н т. п.
§111. Фотолюминесценция
Фотолюминесценцией, как указывалось, называется свечение,
возбуждаемое действием на вещество излучения в оптическом диапа-
зоне. Чаще всего это видимое свечение, возбуждаемое ультрафиоле-
товым излучением. Поглощая
Рис. 24
+- Л
падающее излучение, атомы вещества
возбуждаются и дают более длинно-
волновое вторичное (люминесцент-
ное) излучение (рис. 15, в).
Спектры излучения при фотолюми-
несценции — молекулярные (полоса-
тые или сплошные), характерные для
каждого вещества. Спектр излучения
в целом и его максимум сдвинуты по
отношению к спектру поглощенного
излучения (вызывающему люминесцен-
цию) и его максимуму в сторону бо-
лее длинных волн (рис. 24). Это пра-
Стокса. Оно объясняется
вило называется правилом
тем, что при люминесценции каждый
фотон излучается за счет энергии одного поглощенного фотона, если
эта энергия достаточна, чтобы вызвать возбуждение атома или моле-
кулы (в этом данный процесс сходен в фотоэффектом). Энергия погло-
щенного фотона может быть передана вторичному фотону полностью
(резонансная люминесценция).
Однако чаще, особенно при наличии безызлучательных перехо-
дов, энергия вторичного фотона бывает меньше, а следовательно, и
длина волны Х2 больше, чем длина волны Xj поглощенного фотона:
Х2>11.
Если фотон поглощается уже возбужденным атомом или молеку-
лой, то высвечиваемый фотон получает энергию, равную сумме энер-
гий-поглощенного фотона и уже возбужденного атома. Тогда длина
волны Х2 излученного фотона будет меньше, чем поглощенного
Такое излучение называют антистоксовым.
Не все поглощенные фотоны вызывают вторичное свечение, часть
их расходует энергию на другие внутримолекулярные процессы,
например тепловой эффект и т. п. Отношение числа W фотонов, высве-
чиваемых в единицу времени, к числу Na поглощенных называют
квантовым, выходом люминесценции'.
Т]«в =. (N/ND) 100%,
а отношение мощности вторичного излучения W к мощности 1ГП
34
путем можно обнаруживать на-
Рис. 25
поглощенного—энергетическим выходом люминофора*-.
Чэн = Wn = Nhv2/Nahvt = t1kbV2/vi = ЧюЛЛг-
Выход люминесценции зависит от природы вещества, наличия
в нем примесей, температуры тела и т. п. и различается в весьма
широких пределах (от нескольких процентов до 40—50%).
Фотолюминесценция наблюдается у многих жидких н твердых тел
как неорганической, так и органической природы. Определение при-
роды и состава вещества по цвету или, точнее, по спектру его люми-
несцентного излучения называется люминесцентным анализом. При
соответствующих условиях этим
личие ничтожных количеств веще-
ства (до Ю-8 г).
Люминесцентный анализ имеет
большое значение для промыш-
ленности, гигиены и медицины.
Большая часть органических соеди-
нений (кислоты, эфиры, жиры, ал-
калоиды, красители и т. д.) в на-
< туральном виде или после обра-
ботки соответствующими реакти-
вами под действием ультрафиолето-
вого излучения дает характерное
по цвету люминесцентное свечение.
На его наблюдении основаны, на-
пример, проверка качества и сортировка пищевых продуктов, фарма-
кологических средств, растительного волокна (тканей), кожи и т. п.,
обнаружение в них суррогатов или фальсификаций и т. д. Используе-
мый при этомлцшбор называется флуорометром.. Он состоит из ртутной
_лампы (см. § 152) со светофильтром,s пропускающим только ультра-
фиолетовое излучение, которыми облучается исследуемое вещество.
В приборах для количественного анализа интенсивность флуоресцен-.
ции определяется с помощью фотоэлементов. -
Под действием ультрафиолетового излучения флуоресцируют мно-
гие ткани организма, ногти, зубы, непигментированные волосы,
роговая оболочка, хрусталик глаза и др. В определенных случаях
по характеру свечения можно отличить патологически измененные тка-
ни от нормальных, злокачественные опухоли От Доброкачественных.
Так, например, во время операций обнаруженная опухоль облучается
ртутно-кварцевой лампой и по цвету люминесцентного свечения опре-
деляется ее характер.
Характерное свечение дают бактериальные и грибковые колонии,
этсГявление часто используется при диагностике кожных болезней.
При люминесцентном микроанализе исследуются гистологические
препараты, имеющие собственную флуоресценцию или окрашенные
флуоресцирующими красками. Установка для люминесцентной мик-
роскопии (рис. 25) состоит из специального осветителя О, содержа-
* Люминофоры — это искусственные вещества, дающие интенсивную лю-
минесценцию и применяемые в различных областях народного хозяйства.
2* 35
щего ртутную лампу со светофильтром Ф, пропускающим только ульт-
рафиолетовое излучение с длинами волн 320—400 нм, теплового фильт-
ра Т, кварцевой призмы П и конденсора К с кварцевыми линзами.
Чрепарат раеполагается на специальном предметном стекле, пропус-
кающем УФ-излучение. Оптика микроскопа может быть обычной,
так как через нее проходит уже видимый свет, возникший на препа-
рате в результате флуоресценции.
§ 112. Люминесцентные источники
оптического излучения
Лампы, в которых используется свечение газа при электрическом
разряде, называют газосветными. Излучение их имеет линейчатый
спектр преимущественно в видимой области. Цвет его зависит от при-
роды газа, которым заполнены лампы. Газосветные лампы применя-
ются преимущественно для декоративного освещения.
Наибольшее значение для медицины имеют лампы, в которых элек-
рический разряд происходит в атмосфере ртутных паров. При этом
возбужденные атомы ртути дают интенсивное излучение в ультра-
фиолетовой области спектра. Ртутные лампы.разделяются на лампы
низкого (0,01—1,0 мм рт. ст.), высокого (150—400 мм рт. ст.)- и сверх-
высокого (выше атмосферного) давлений. Из них в медицине исполь-
зуют лампы низкого и высокого давления.
Медицинская ртутная лампа высокого давления, или ртутно-
кварцевая лампа (рис, 26), представляет прямую трубку К из квар-
цевого стекла/наполненную аргоном под небольшим давлением и со-
держащую несколько капель ртути. Впаянные по концам металли-
ческие электроды Э для улучшения эмиссии электронов покрыты"
окислами щелочных металлов.
При включении питающего напряжения вследствие наличия в ар-
гоне единичных ионов и электронов в трубке возникает тлеющий раз-
ряд. При этом электроды вследствие бомбардировки их ионами газа
и электронами нагреваются и с их поверхности происходит электрон-
ная эмиссия. Лампа нагревается, и имеющаяся в ней ртуть испаряется.
Возникает дуговой разряд в ртутных парах, давление которых повы-
шается до необходимого предела: устанавливается рабочий режим
лампы, при котором излучение лампы имеет линейчатый спектр в ульт-
рафиолетовой области (максиМуй излучения при длине волны 365 нм),
а также в сине-фиолетовой части видимого спектра (рис. 27). Пос-
леднее и наблюдается глазом при работе лампы.
36
Лампу включают в сеть переменного тока (рис. 28, а). Параллель-
но лампе Г через кнопку К включен конденсатор С, разряд которого
облегчает зажигание лампы, а последовательно с ней катушка индук-
тивности L, стабилизирующая ток в цепи лампы. При разряде в газе
незначительное изменение напряжения между электродами может
вызвать непропорционально большое изменение тока (см. рис. 119
Рис. 27
т. 1), которое нарушает работу лампы. Э. д. с. самоиндукции, возни-
кающая при этом в катушке, противодействует этому изменению, и
сила тока в цепи поддерживается неизменной.
Лампа помещается в рефлекторе, укрепленном на штативе того
или иного устройства в зависимости от назначения лампы. На рис. 28, б
показана настольная лампа для
местных облучений (на рисунке
обозначено: Г — лампа, Р — реф-
лектор, П — питающее устройство),
на рис. 29 — процедура облуче-
ния грудной клетки.
Рис. 28
В настоящее время облучение ультрафиолетовым излучением
применяют не только как средство лечения, но и как средство укреп-
ления, закаливания организма, что особенно важно для людей, кото-
рые в силу климатических условий (например, на Крайнем Севере)
или условий работы под землей лишены солнечного света. Профилак-
тическое облучение одновременно целой группы людей производится
при помощи специального облучателя О (рис. 30). Облучаемые рас-
полагаются на некотором расстоянии вокруг лампы и в течение опре-
37
деленного промежутка времени медленно поворачиваются так, чтобы
обеспечить равномерное облучение всего тела.
Ртутная лампа низкого давления, называемая в медицине бакте-
рицидной (рис. 31, а), представляет собой трубку из униолевого
стекла (стекло с небольшой примесью кварца), на концах которой
имеются два электрода Э в форме
спиралей накала. Трубка заполне-
на аргоном под невысоким давле-
нием и в ней имеется капля ртути.
Лампа Л включается в сеть после-
довательно с катушкой индуктив-
ности L. Параллельно электродам
лампы включен стартер С
(рис. 31, б) — неоновая лампочка
с биметаллическим электродом, ко-
торый замыкает цепь тока для на-
кала спиралей основных электро-
дов. Как только электроды лампы
нагреваются и возникнет электрон-
ная эмиссия, ток через стартер
уменьшится и биметаллическая
пластинка разомкнет цепь. При
этом между электродами в лампе возникает тлеющий разряд в атмо-
сфере аргона. Постепенно ртуть испаряется и ее пары запол-
няют трубку. Лампа переходит на рабочий режим, при котором тлею-
Рис. 30
щий разряд происходит уже в атмосфере ртутных паров и между
холодными электродами. Давление ртутных паров в лампе составляет
около 6 • 10-3 мм рт. ст. Излучение лампы имеет линейчатый спектр
преимущественно в ультрафиолетовой области, максимум которого
(до 70% всего излучения) падает на длину волны 253,7 нм.
38
Бактерицидные лампы, помещенные в специальный корпус с реф-
лектором, применяются для дезинфекции воздуха в операционных,
перевязочных, инфекционных отделениях больниц, а также в местах
большого скопления людей (школы, театры и т. п.), особенно во время
эпидемии гриппа.
В настоящее время для освещения применяются лампы, которые
называют собственно люминесцентными. Они устроены подобно
ртутной лампе низкого давления, но сделаны из простого стекла,
внутренняя сторона которого покрыта соответствующим люминофором.
Ультрафиолетовое излучение возбужденных атомов ртути падает на
люминофор и вызывает его
видимое свечение, имею-
щее определенный спект-
ральный состав. В зависи-
мости от природы люмино-
фора лампы дают белый
свет различных оттенков.
Их называют лампами днев-
ного света. Они экономич-
ны и являются гигиенич-
ными источниками искус-
ственного света. Способ
зажигания и схема вклю-
чения люминесцентных
ламп в сеть такие же, как
н у бактерицидной лампы
(ом. рис. 31)
Применяется также люминесцентная лампа, которая дает длинно-
волновое ультрафиолетовое излучение (максимум при 310—320 нм),
содержащееся в солнечном излучении, достигающем земной поверх-
ности. Лампа называется эритемной и в общем светильнике с группой
ламп дневного света применяется для освещения в школах, яслях,
больницах и т. п., в условиях недостатка солнечного света, например
в зимние месяцы в северных районах страны.
§ 113. Индуцированное излучение. Лазер
У некоторых веществ имеются энергетические уровни, спонтанный
переход с которых на основной уровень путем излучения фотонов
имеет малую вероятность, т. е. происходит относительно редко, поэ-
тому возбужденные атомы задерживаются на них достаточно долго
(до 10-3 с). Такие уровни называются метастабильными и в процессе
возбуждения на них может накапливаться значительное количество
возбужденных атомов. Это явление характерно для люминесценции*
и называется «инверсной заселенностью уровней».
* При равновесном тепловом излучении распределение возбужденных ато-
мов по уровням энергии соответствует распределению Больцмана (см. § 99); наи-
большее число возбужденных атомов приходится иа наиболее низкие уровни,
на более высоких уровнях оно постепенно убывает по экспоненциальной зави-
симости.
3»
, Излучение атома, находящегося на метастабильнрм уровне, мо-
жет быть вызвано путем воздействия на него посторонним фотоном
с энергией, равной энергии фотонов, спонтанно излучаемых с этого
уровня. Такое излучение называется индуцированным или вынуж-
денным, а само явление — вынужденной люминесценцией.
Индуцированное излучение возбужденного атома можно вы-
звать не только посторонним фотоном, но и фотоном, спонтан-
но излученным одним из атомов
этого же вещества, и таким об-
разом появляются два фотона
вместо одного (рис. 32, а). На
возможность использования
этого явления для усиления
света впервые указал В. А. Фаб-
рикант (1940 г.). Эта идея по-
лучила практическое осущест-
вление в приборах, называемых
оптическим квантовым генера-
тором (сокращенное название
на английском языке — лазер).
Лазеры были изобретены Н. Г.
Басовым и А. М. Прохоровым в
СССР (1954 г.) и независимо от
них Ч. Таунсом в США.
Основой лазера является
рабочее тело, имеющее метаста-
бильные энергетические уров-
ни, на которых в процессе воз-
буждения создается инверсная
населенность. Вызванное тем
или иным способом индуциро-
ванное излучение с этих уров-
ней обладает характерными
свойствами: имеет строгую мо-
нохроматичность и когерент-
ность, полностью поляризовано
и представляет параллельный
пучок с очень малым углом рас-
хождения.
В качестве наиболее характерного примера рассмотрим лазер,
работающий на искусственном кристалле рубина (окись алюминия
А12О8), который содержит примесь легко возбуждающихся ионов
трехвалентного хрома Сг2О8 ->Сг3+. Кристалл Л (рис. 33, а) имеет
удлиненную цилиндрическую форму со строго параллельными отшли-
фованными и посеребренными торцами. Таким образом, он пред-
ставляет зеркальный резонатор', передний торец его полупрозрачен.
Если с помощью вспышки мощной импульсной ксеноновой лампы
Л облучить кристалл светом с длиной волны 560 нм, то ионы хрома
с основного энергетического уровня Ео переходят на возбужденный
уровень £ (рис. 33, 6). С этого уровня они спонтанно безызлучательно
*= переходят на метастабильный уровень R, на котором и происходит их
накопление. Единичные фотоны, спонтанно излучаемые ионами хрома,
находящимися на этом уровне, вызывают вынужденное излучение
рис. 33
*L
Не
632,8нм
уНМ
S Т"
соседних ионов (процесс этот показан схематически на рис. 32, б,
поз. /). Фотоны, испускаемые при этом вдоль оси кристалла, много-
кратно отражаются от его зеркальных торцов и на своем пути вызывают
вынужденное излучение все большего числа возбужденных ионов хро-
ма (рис. 32, б, поз. 2, 3). Таким
образом, поток фотонов лавино-
образно нарастает и, когда до-
стигнет достаточной' интенсив-
ности, через полупрозрачный
торец кристалла (рис. 32, б,
поз. 3) излучается кратковре-
менный (тысячные доли секун-
ды) импульс И красного моно-
хроматического света с длиной
волны 694;3 нм, по яркости во
много раз превышающий яр-
кость прямого солнечного света.
В настоящее время имеются
лазеры на основе стекол спе-
циального еостава. У лазеров на
кристаллах высокая мощность,
но работают они в импульсном
режиме.
Газовые лазеры имеют незна-
чительную мощность и рабо-
тают в непрерывном режиме.
Из них наиболее распространен
(рис. 34, а) состоит из кварцевой
газов: гелия (под давлением 1 мм рт. ст.) и неона (0,1 мм рт. ст.).
По концам трубки расположены плоскопараллельные зеркала 3
(переднее — полупрозрачное). С помощью электродов Э, помещен-
ных снаружи трубки, и генератора высокой частоты (ВЧ) или лю-
бым другим способом в газе вызывается тлеющий разряд. При
этом атомы гелия возбуждаются и переходят с £0 на. уровень £
I
1
!
I
1
Ео !
Рис. 34
гелий-неоновый лазер. Прибор
трубки Т, наполненной смесью
41
(рис. 34, б). В процессе неупругого соударения атомы гелия передают
энергию атомам неона и последние, возбуждаясь, накапливаются
на двух близко расположенных метастабильных уровнях и /?2.
При вынужденном переходе с этих уровней на промежуточный уро-
вень S происходит излучение фотонов с длиной волны 632,8 нм в об-
Рис. 35
ласти красного и 1153 нм в области инфракрасного диапазона. Неболь-
шой гелий-неоновый лазер Л показан на рис. 35 (слева — блок пита-
ния /7).
Разработаны также полупроводниковые лазеры, в которых исполь-
зуется индуцированное излучение, возникающее при рекомбинации
электронов и дырок в контактном слое n-'и р-полупроводников с ин-
версной заселенностью энергетических уровней, вызванной действием
постоянного тока значительной силы.
Лазер (рис. 36) представляет два тес-
/й но соприкасающихся брусочка из р-
₽\ и «-полупроводников, расположен-
ных на стальной пластинке О. Их
торцовые поверхности образуют зер-
кальный резонатор. Через полупро-
Л -----------\ водники пропускается ток плотностью
q' Излучение лазера до 10—20 А/мм2 при охлаждении их
жидким азотом. В р-п-переходе лазера
Рис. 36 образуется излучение в инфракрас-
ном и видимом диапазонах.
Благодаря своим свойствам лазерное излучение получает широкое
распространение -в различных областях физических исследований,
техники, биологии и медицины.
Кроме указанных выше общих свойств индуцированного излучения
(предельно высокие монохроматичность, когерентность и поляризация)
луч кристаллического лазера отличается большой плотностью мощ-
ности, а также селективностью поглощения. Будучи сфокусирован
42
на ничтожно малом участке ткани, лазерный луч может избирательно
разрушить микроскопические элементы структуры ткани («лазерная
игла») с исследовательской или лечебной целью.
Лазерный луч применяется в хирургии для бескровного разреза
сильно кровоточащих тканей (ткань печени^ легкого). Разрезая ткань,
луч сваривает края ткани и этим предупреждает капиллярное крово-
течение. В онкологической хирургии «лазерный нож» предупреждает
возможность распространения в окружающую ткань клеток удаляе-
мой опухоли.
В офтальмологии лазерный луч используется для приваривания
участков отслоившейся клетчатки, а также при глаукоме для образо-
вания микроскопического отверстия в склере для оттока внутриглаз-
ной жидкости.
В дерматологии излучение газового лазера применяется с тера-
певтической целью.
Глава 21
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
§ 114. Природа излучения.
Устройство рентгеновской трубки
Рентгеновским излучением называют электромагнитное излучение
с длиной волны порядка от 80 до 0,0001 нм.
Со стороны длинных волн оно граничит с ультрафиолетовым,
со стороны коротких волн — в значительной степени перекрывается
гамма-излучением. В медицине используется рентгеновское излучение
с длиной волны порядка от 1,0 до 0,006 нм.
Рентгеновское излучение невидимо для глаза, поэтому все наблю-
дения с ним производятся с помощью флуоресцирующих экранов или
фотопленок. Характерным его свойством является то, что оно проходит
сквозь многие вещества, непроницаемые для оптического излучения.
Рентгеновское излучение — это электромагнитные волны. Однако
вследствие малой длины волны волновые свойства его трудно обна-
ружить. Впервые это было сделано в опыте по дифракции рентге-
новского излучения, осуществленном Лауэ в 1912 г. (см. § 66).
По способу возбуждения рентгеновское излучение подразделяется
на характеристическое и тормозное.
Характеристическое излучение возникает при переходах между
энергетическими уровнями электронов внутренних оболочек (оболочки
Л, L, М) атомов с высоким порядковым номером. Если при достаточно
сильном внешнем воздействии, например при бомбардировке атомов
вещества электронами с высокой энергией или альфа-частицами или
при поглощении гамма-излучения, электрон одной из внутренних
оболочек будет удален за пределы атома, то на освободившийся уровень
Ei может перейти электрон, находящийся на любом другом более вы-
соком уровне Ег. При этом излучается фотон а энергией, равной раз-
43
кости уровней энергии перехода: hv ~'Е2 — Elt и соответствующей
частотой v = (£а — EJ/h.
Свободное место может образоваться на любом уровне внутренних
оболочек, а переход на это место электрона может происходить с лю-
бого более высокого уровня. В результате образуется излучение
с линейчатым спектром, характерным для энергетических
уровней атомов вещества, в котором оно возбуждается. Линии в спект-
ре характеристического из-
лучения объединяются в
серии соответственно пере-
ходам электронов с любых
более высоких уровней на
уровни К, L,M и др.: се-
рия К, серия L и т. д.
(рив. 37, а). Частоты спек-
тральных линий в этих се-
риях зависят от атомного
номера Z вещества, в кото-
ром возбуждается излуче-
ние.
Другим механизмом
возбуждения рентгеновско-
го излучения является тор-
можение быстро движу-
Рис. 37
щихся электронов электрическим полем атомов вещества, через ко-
торое они пролетают (рис. 37, б). Движущийся электрон можно рас-
сматривать как некоторый ток, образующий свое магнитное поле,
тогда замедление движения электрона равносильно снижению силы
тока и соответственно изменению напряженности магнитного поля
что, как показано в § 59, вызы- -
ваетобразование электромагнит-
ной волны. Частота излучения
зависит от начальной кинетиче-
ской энергии электрона и ин-
тенсивности его торможения.
Если на вещество падает поток
электронов, то для различных
электронов эти условия отли-
чаются. Даже если начальная
/ р/?
Рис. 38
кинетическая энергия их одинакова, то условия торможения в ве-
ществе различны, поэтому и излучаемые фотоны имеют самую различ-
ную энергию, а следовательно, и частоту (или длину волны). Излуче-
ние называется тормозным и имеет сплошной спектр.
Наиболее распространенным источником рентгеновского излуче-
ния является рентгеновская трубка. Трубка (рис. 38) представляет
стеклянную вакуумную колбу Б (давление порядка 10-в—10-7 мм
рт. ст.) с двумя электродами, (анод А и катод К), к которым при-
ложено высокое напряжение. Катод в виде спирали накала является
источником электронов. Анод — металлический стержень, на ско-
44
шенном торце которого имеется пластинка 3 из металла с высоким
атомным номером, называемая зеркальцем. Электроны Э, ускоренные
электрическим полем между анодом и катодом, попадают на зеркальце
анода, проникают несколько в глубь него и, взаимодействуя с атомами
вещества, тормозятся полем его атомов. При этом возникает тормозное
рентгеновское излучение; одновременно с тормозным образуется не-
большое количество характеристического излучения, которое в данном
случае практического значения не имеет. Благодаря ^косому срезу
торца анода пучок R излучения имеет
направление, перпендикулярное .оси
трубки.
Из общего числа электронов, падаю-
щих на анод (и составляющих ток в
трубке), только небольшая часть (2—
3%) при торможении вызывает излуче-
ние. Остальные электроны, взаимодей-
ствуя с ионами металла анода, пере-
дают им свою энергию, и анод трубки
сильно' нагревается.
Спектр(распределение энергии излу-
чения по длинам волн) тормозного из-
лучения при различных напряжениях
U на трубке показан на рис. 39. Спектр
содержит волны от относительно длин-
ных до некоторой Хк, ограничивающей
спектр со стороны коротких волн. Длина
волны Хв соответствует фотонам с макси-
мальной энергией em = hvK = Лс/Хк.
Эту энергию фотоны могут приобрести
только при полном торможении элек-
тронов, также имеющих максимальную
заряд электрона). При полной передаче этой энергии фотону ет =
= еет, или hcrkv~ eU, откуда
Хк = hc/eU.
Если U выразить в киловольтах, а Хн — в ангстремах* и учесть соот-
ношение между остальными величинами, то формула принимает^ вид
Хк = 12,4/t/.
Наиболее характерной для излучения является длина волны
ХЕт, на которую приходится максимум энергии излучения Ет. Как
видно из графиков, она составляет примерно 3/2 от граничной длины
волны:
КЕт = (3/2) = 18,б/t/.
Длина волны зависит от энергии фотонов, а последняя обуслов-
ливает проникающую способность излучения при взаимодействии
* Ангстрем (А) — внесистемная единица длины, принятая в атомной физике;
1 А — 10-8 см = 10-w м = 0,1 нм.
Рис. 39
энергию еет = eU (где е —
45
с веществом (см. § 115). Поэтому можно и проникающую способность
излучения характеризовать его длиной волны. Более коротковолновое
излучение с высокой проникающей способностью называют жестким,
а более длинноволновое с невысокой проникающей способностью —
мягким.
Как видно из приведенных выше формул, граничная длина волны
в спектре и длина волны, на которую приходится максимум энергии
излучения, обратно пропорциональны напряжению между инодом и
катодом трубки. Поэтому, изменяя это напряжение, можно регулиро-
вать жесткость (или мягкость) излучения. Например, при увеличении
напряжения максимум энергии в спектре сдвигается в сторону более
коротких волн. При изменении напряжения на трубке изменяется
и общая мощность излучения, которая пропорциональна второй сте-
пени этого напряжения, т. е. £/2.
При изменении накала трубки изменяется количество электронов,
испускаемых катодом в единицу времени, или соответственно сила тока
в анодной цепи трубки. Мощность излучения при этом изменяется
примерно пропорционально силе тока. На распределение энергии
в спектре излучения изменение накала влияния не оказывает.
Мощность излучения зависит также от интенсивности торможения
электронов в веществе анода, что зависит от его природы. Как пока-
зывает опыт, при изменении вещества анода мощность тормозного
излучения возрастает пропорционально атомному номеру элемента.
Таким образом, в целом поток энергии Ф тормозного излучения
пропорционален квадрату напряжения I/2, приложенного между
анодом и катодом, силе тока I в цепи трубки и атомному номеру Z.
вещества анода:
Ф = kU4Z,
где коэффициент k зависит от единиц величин, входящих в формулу
Несколько типов рентгеновских трубок показан на рис. 40. В свя-
зи с тем, что при работе трубки анод сильно нагревается, он делается
из массивного медного стержня, на скошенном торце которого прива-
рена пластинка из вольфрама. На другом конце стержня, снаружи
трубки, имеются ребра Р (рис. 40, а) для воздушного охлаждения.
Участок вольфрамового зеркальца 3, на который падает основная
часть электронов (для концентрации электронов катод имеет направ-
ляющий колпачок), называется фокусом трубки, от его площади
зависит ширина пучка излучения. В средней части трубка имеет две
защитные свинцовые оболочки: внутреннюю Э и внешнюю С, которые
поглощают побочное излучение, распространяющееся от анода по всем
направлениям. Рабочий пучок излучения проходит через окно О,
На рис. 40, а, б показаны диагностические трубки с рабочим напря-
жением порядка 100—120 кВ. Трубка, показанная на рис. 40, в,
имеет вращающийся анод. Торец анода А имеет форму широкой плас-
тинки, которая с помощью небольшого электромотора (обмотка его
расположена снаружи трубки, а ротором служит стержень, на кото-
ром укреплена пластинка) приводится в быстрое вращение. Вследствие
46
Этого электроны все время падают на различные места поверхности
анода, что снижает его нагревание и дает возможность повысить мощ-
ность излучения трубки.
Рис. 40
Трубка для терапии (рис. 40, г) имеет более высокое рабочее на-
пряжение (порядка 160—200 кВ) и работает при малых силах тока.
Поэтому анод трубки нагревается меньше и может не иметь приспособ-
лений для охлаждения.
§ 115. Взаимодействие рентгеновского излучения
с веществом и использование его в медицине
При падении на тело рентгеновского излучения оно в незначитель-
ной части отражается от его поверхности, но в основном проходит
в глубь массы тела, где, взаимодействуя с электронами атомов вещест-
ва, поглощается и рассеивается, хотя частично может проходить тело
насквозь без взаимодействия с ним. (Достаточно жесткое излучение
может взаимодействовать также и с ядрами атомов, см. § 133.) При
этом могут происходить следующие процессы: когерентное рассеяние,
фотоэффект и комптон-эффект.
У фотонов вследствие взаимодействия с электронами внутренних
оболочек, крепко связанными с ядром, изменяется только направление
47
ществ приводит к последующему
Рис. 41
движения (рис. 41, а), но энергия, а следовательно длина волны
остается неизменной. Явление называется когерентным рассеянием.
Если энергия фотона е = hv достаточна для совершения работы
Лв по отрыву электрона: hy > Ав, то при взаимодействии фотон пог-
лощается, а электрон отрывается от атома (рис. 41, б); происходит
ионизация вещества. Оторвавшийся электрон приобретает кинетиче-
скую энергию mVe = hv — Лв и, если последняя значительна, иони-
зирует соседние атомы путем соударения (вторичная ионизация).
Явление называется фотоэффектом.
Если энергия фотона недостаточна для отрыва электрона, то про-
исходит возбуждение атома или молекулы, которое у некоторых ве-
излучению в области видимого диа-
пазона (рентгенолюминесценция),
а в тканях организма, например, —
к активации молекул и фотохими-
ческим реакция м..
Фотоэффект характерен для
фотонов с относительно невысокой
энергией (до 0,1—1 МэВ) и проис-
ходит преимущественно на элек-
тронах внутренних оболочек ато-
мов. Он обусловливает истинное
поглощение излучения, а также
интенсивную ионизацию и возбуж-
дение атомов и молекул вещества;
Если энергия фотона значитель-
но превышает работу по отрыву
электрона: в Ав, то происходит комптон-эффект, или некогерент-
ное рассеяние. Электрон отрывается от атома (такие электроны назы-
ваются электронами отдачи), энергия фотона уменьшается, а длина
волны соответственно увеличивается; изменяется также и направле-
ние движения фотона (рис. 41, в). Образующееся при этом излучение
с большей длиной волны называется вторичным, оно рассеивается
по всевозможным направлениям. Если электроны отдачи имеют до-
статочную кинетическую энергию, они ионизируют соседние атомы
путем соударения.
Комптон-эффект вызывают фотоны с энергией, различающейся
в достаточно широких • пределах, преимущественно при взаимодей-
ствии с электронами внешних оболочек, более слабо связанными с яд-
ром атома. Комптон-эффект происходит в веществе параллельно
(и независимо) с фотоэффектом. Соотношение интенсивностей этих
процессов зависит от природы вещества и энергии фотонов излучения
(см. § 133).
В медицине используется излучение с энергией фотонов в среднем
от 60 до 200 кэВ. Оно взаимодействует с веществом, состоящим из эле-
ментов с атомным номером от Z = 1—8 (мягкие ткани Н, С, N, О)
до Z = 15—20 (минеральное вещество кости: Рн, Са). При энергии
фотонов ниже примерно 80 кэВ основное значение имеет фотоэффект,
а при энергии свыше 80 кэВ — комптон-эффект.
48
Указанные первичные процессы могут вызывать ряд вторичных
процессов. Например, если при фотоэффекте происходит отрыв от
атома электронов на внутренних оболочках, то на их место могут
переходить электроны с более высоких уровней, что сопровождается
вторичным характеристическим излучением данного вещества
(рис. 41, г). Фотоны рассеянного излучения при комптон-эффекте,
Рис. 41
взаимодействуя с электронами соседних атомов, могут вызывать в них
вторичные явления: фотоэффект или комптон-эффект и т. д. (см. диа-
грамму на рис. 42). В результате всех этих процессов происходит в
основном ионизация, а также возбуждение атомов и молекул вещества
и возникает вторичное рентгеновское излучение с большей длиной вол-
ны.
Необходимо учитывать также, что более жесткая часть излучения
может проходить через длинное тело без взаимодействия в веществом.
Это излучение, как и вторичное — рассеянное, может падать на ок-
ружающие тела и от него необходимо соответствующим образом за-
щищаться
4 С 0 5 0
4»
В результате взаимодействия с веществом первичный пучок рентге-
новского излучения ослабляется. Этот процесс подчиняется зако-
ну Бугера (см. § 69), согласно которому
интенсивность /<г параллельного пучка монохроматического рент-
геновского излучения, достигающего слоя на глубине d от поверх-
ности однородного вещества, связана с интенсивностью 1о излуче-
ния, падающего на поверхность, зависимостью
ld =
где р называют линейным* коэффициентом ослабления. Он зависит
от природы вещества (главным образом, от плотности р и атомного
номера Z) н от длины волны К (энергии фотонов) излучения, так как эти
величины, в значительной мере обусловливают процессы взаимодей-
ствия излучения с веществом.
Поскольку действие на вещество, в частности на ткани организма,
связано с поглощенной частью излучения, линейный коэффициент
ослабления удобно представить в виде суммы двух коэффициентов,
обусловленных истинным поглощением (рц) и рассеянием первичного
излучения (рр): р = pD + рр, тогда
Коэффициент истинного поглощения р„ обусловлен интенсивностью
процессов фотоэффекта и комптон-эффекта (при котором происходит
поглощение определенной части энергии фотона), поэтому он зависит
от природы вещества и длины волны излучения. Рассмотрим эту за-
висимость несколько подробнее применительно к условиям использо-
вания излучения в медицине (см. с. 48).
Как показывает опыт, излучение с одной и той же длиной волны
поглощается тем сильнее, чем больше плотность р и особенно чем выше'
атомный номер Z вещества. (Например, кость поглощает излучение
значительно сильнее, чем мягкие ткани тела человека.) Принимают,
что при X = const коэффициент поглощения рп пропорционален плот-
ности и четвертой степени атомного номера вещества: рп ~ pZ4.
В однородном веществе излучение поглощается тем сильнее, чем
больше его длина волны X, т. е. чем оно мягче. Принимают, что при
р = const и Z = const коэффициент поглощения р,п пропорционален
третьей степени длины волны: цп —- А3.
Таким образом, для однородного вещества и монохроматического
излучения зависимость коэффициента поглощения рп от природы
вещества и длины волны излучения можно выразить формулой
рц = feA8Z4,
где k — коэффициент пропорциональности.
Если вещество состоит из различных элементов, то вычисляется
эффективный атомный номер Евф вещества, исходя из атомных номеров
простых элементов и долей их содержания в сложном веществе. Напри-
* Пользуются также массовым коэффициентом ослабления рт равным отно«
шению линейного коэффициента р к плотности р вещества! р.т — р/р.
50
мер, для воздуха 7эф — 7,64, для воды 7,4, для мягких тканей тела
6,0 и для кости 13,8.
Для тормозного излучения, которое дает рентгеновская трубка (см.
§ 114), обычно учитывают длину волны КЕт, на которую приходится
максимум энергии Ет излучения.
В необходимых случаях спектр излучения можно «улучшить»
путем его фильтрации. В качестве фильтра используют пластинку из
легкого металла (алюминий, медь), которая ставится на пути лучей
вблизи источника и поглощает мягкую (длинноволновую) часть
Если на пути пучка рентгеновского излучения поместить неодно-
родное тело и перед ним — флуоресцирующий экран, то вследствие
неравномерного поглощения излучения на экране образуется тень,
по форме и интенсивности которой можно приблизительно судить
о внутреннем строении тела. Таков принцип исследования строения
тел путем просвечивания их с помощью рентгеновского излучения.
Тело человека состоит из тканей н органов, различно поглощающих
рентгеновское излучение. Поэтому при просвечивании его на экране
(рис. 43, а) получается неоднородное теневое изображение, которое
дает картину формы и расположения тканей и внутренних органов.
Во многих случаях прн этом можно судить также об их нормальном
или патологическом состоянии. Распознавание заболеваний при по-
мощи просвечивания тела рентгеновским излучением называется
рентгенодиагностикой.
Рентгенодиагностика использует два основных метода: рент-
геноскопию (просвечивание) и рентгенографию
(снимок). При просвечивании больного помещают в специальный
штатив Ш (рис. 43, о), за которым расположена рентгеновская трубка
Т и перед ней развижная свинцовая диафрагма Д, ограничивающая
ширину пучка излучения. Перед больным располагается флуоресци-
рующий экран Э, на котором наблюдается теневое (позитивное) изо-
51
бражение. Трубка вместе с экраном может перемещаться вдоль шта-
тива (также и в перпендикулярном направлении), что позволяет врачу
обследовать любые области организма.
Для получения контрастного изображения, на котором выяв-
ляется структура исследуемых тканей, необходимо в каждом отдель-
ном случае подбирать соответствующую жесткость излучения так,
чтобы оно проходило сквозь менее плотные ткани, но достаточно по-
глощалось более плотными тканями. В противном случае образуется
только однородная тень — темная при слишком мягком и серая при
слишком жестком излучении.
Рис. 44
Картина, наблюдаемая на экране при рентгеноскопии грудной
клетки, приведена на рис. 43, б. Так как изображение на экране те-
невое, то наиболее плотные, поглощающие излучение ткани (сердце,
крупные сосуды и ребра) видны затемненными, слабо поглощающие
ткани (например, легочные поля) — светлыми.
При рентгенографии (рис. 44, а) объект исследования (в данном
случае коленный сустав) помещается на кассете К, в которую вложена
пленка со специальной, чувствительной к рентгеновскому излучению
фотоэмульсией. Часто поверх пленки накладывается флуоресцирую-
щий экран, свечение которого усиливает действие излучения иа фото-
эмульсию. Трубка Т располагается над объектом. Рентгенограмма
нижней трети бедра и коленного сустава показана на рис. 44, б. Сни-
мок дает негативное изображение, т. е. обратное по контрасту с карти-
ной, наблюдаемой на экране при просвечивании того же объекта. Преи-
муществом рентгенографии является значительно большая четкость
изображения, позволяющая наблюдать детали, которые трудно рас-
смотреть при просвечивании.
Рентгенодиагностическое исследование может производиться и для
органов, которые сами по себе не дают контрастного теневого изобра-
жения (например, желудок, кишечник и др.). Эти органы предвари-
тельно наполняют веществом, хорошо поглощакяцим рентгеновское
излучение.
52
Рентгеновское излучение используется также для лечебных целей,
метод называется рентгенотерапией. Действие излучения нарушает
жизнедеятельность клеток, особенно мало дифференцированных и
быстро размножающихся. Поэтому рентгенотерапия применяется
для борьбы со злокачественными опухолями.
§116. Устройство рентгеновских аппаратов
Питание рентгеновской трубки обеспечивается двумя источниками:
источником высокого напряжения для анодной цепи и источником
низкого напряжения (6—8 В) для цепи накала; каждый из них дол-
жен иметь, возможность независимой регулировки. Путем изменения
анодного напряжения регулируют;
накала — силу тока в анодной це-
пи и соответственно мощность из-
лучения.
Питание анодной цепи рентге-
новской трубки должно ^осущест-
вляться постоянным ил^.фо край-
ней мере двухполупер|рдно вы-
прямленный напряженищ^Однако
практически . возможно' питание
трубки и* переменным, напряже-
нием. В этом случае трубка служит
одновременно и генератором рент-
геновского излучения, и выпрями-
телем питающего напряжения. Это
Излучения, а изменением
рис. 46
Рис. 45
ухудшает условия работы трубки, но допускается для простоты
устройства в аппаратах небольшой мощности. В этом случае труб-
ка генерирует излучение только в течение тех полупериодов,
когда полярность напряжения в анодной цепи совпадает с поляр-
ностью электродов, т. е. излучение имеет пульсирующий характер
(50 имп/с). Возможность наблюдения изображения на экране при этом
не нарушается, так как, во-первых, неравномерность излучения
при такой частоте пульсации не воспринимается глазом и, во-вторых,
она частично сглаживается послесвечением экрана.
53
Принципиальная электрическая схема питания рентгеновской
трубки Р переменным напряжением (рис. 45) содержит два трансфор-
матора: 7\ высокого напряжения для анодной цепи и Та для питания
накала. Высокое напряжение на трубке регулируется при помощи
автотрансформатора А Т, под-
ключенного к первичной обмот-
ке трансформатора Тг. Изменяя
переключателем П число витков
обмотки автотрансформатора,
изменяют и напряжение вто-
ричной обмотки трансформато-
ра, подаваемое на трубку. Вели-
чина этого напряжения указы-
Рис. 48
Рис. 47
вается положением переключателя П. Ток накала трубки регули-
руется реостатом R, включенным в цепь первичной обмотки транс-
форматора 7\. Ток анодной цепи измеряется миллиамперметром mA.
Для проведения рентгеновских исследований на дому у больного
используют настольный аппарат типа УРПН-70*, принципиальная
схема которого приведена на рис. 46. В аппарате отсутствует неза-
висимая регулировка тока в цепи накала, а миллиамперметр mA
включен в среднюю точку высоковольтной обмотки Тр трансформато-
ра, питающего трубку, и для безопасности заземлен. На ехеме обо-
* Подобный аппарат или близкий к нему по устройству дентальный
(УРДИ-70) защищены как в отношении высокого напряжения, так и побочного
излучения, которое может действовать на окружающих. Эти аппараты удобно
использовать в учебном практикуме.
54
1
значено: Р — трубка, R — резистор в цепи накала, В — реле време-
ни, И — регулятор напряжения, А — автотрансформатор с четырьмя
выводами для подключения и сети с различным напряжением. Аппарат
(рис. 47, а) состоит из штатива О, блока Б с трубкой и трансформатором
и пульта управления У в регулировочным автотрансформатором и мил-
лиамперметром. Излучение направляется через тубус Т. На рис. 47, б
схематически показан блок Б со снятой передней крышкой. В нем
расположены трубка Р и трансформатор Тр с высоковольтной и на-
кальной обмотками-на общем сердечнике, залитые маслом и гермети-
чески закрытые. Напряжение на трубке до 70 кВ.
Реи. 49
Передвижной палатный аппарат типа РУ-725 (рис. 48, а) состоит
из штатива Ш на колесах, в основании которого расположен пульт
управления /7, содержащий низковольтную часть схемы. Высоко-
вольтная часть вместе с трубкой смонтирована в герметически закрытом
и наполненном маслом блоке /(. На рис. 48, б показан высоковольт-
ный блок: Р — трубка; 1\—трансформатор высокого напряжения,
Т2— трансформатор накала, М — масляный компрнсатор для урав-
новешивания температурного изменения объема масла, К — герме-
тизированный корпус. Напряжение на трубке до 100 кВ.
При питании выпрямленным напряжением последовательно
с трубкой Р включают электронный выпрямитель — кенотрон К
(рис. 49, а). Его устройство сходно с рентгеновской трубкой, за исклю-
чением анода, который представляет небольшую пластинку, укреп-
ленную на тонком стержне. При этом обеспечивается однополупериод-
ное выпрямление. В мощных аппаратах применяется двухполупериод-
ное выпрямление с помощью мостовой схемы с четырьмя кенотронами
(рис. 49, 6). (Цепь выпрямленного тока от питающего трансформатора
Т1 проходит в один полупериод через кенотрон /С4, трубку и Ki и
в другой — через К3, трубку и Av)
55
Установка со стационарным диагностическим рентгеновским аппа-
ратом РУМ-2 (рис. 50) еестоит из штатива Ш для просвечивания и
снимков, масляного бака Т, в котором находятся высоковольтный
трансформатор и кенотроны, и пульта управления П. Высоковольтные
Рис. 50
провода, идущие от трансформатора к трубке, выполнены в виде хо-
рошо изолированных гибких кабелей.
Для различных специальных исследований применяются более
сложные установки.
Рис. 51
Усовершенствованы также и методы наблюдения рентгеновского
изображения. Применение электронно-оптического преобразователя
(см; § 104) значительно повышает яркость изображения и дает воз-
можность наблюдать его в незатемненном помещении, а также фото-
56
графировать или снимать на кинопленку. Подобная установка Пока-
зана на рис. 51. На рисунке обозначено: Г — трубка, ЭОП — элект-
ронно-оптический преобразователь, К — киносъемочная камера.
Возможна передача рентгеновского изображения на экран теле-
визора. При этом оно может наблюдаться в значительном отдалении
Рис. 52
от места нахождения аппарата. Схема подобной установки показана
на рис. 52, на котором обозначено: Т — рентгеновская трубка,
О — объект исследования, ЭОП — электронно-оптический преобра-
зователь, В — передающая телевизионная трубка (видикон), Э —
экран телевизора^
Глава 22
ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
§ 117. Волновые свойств^ частиц вещества
Непоследовательность теории Бора, а также затруднения, выя-
вившиеся при попытках применить ее к атомам о числом электронов
больше одного, требовали поисков нового подхода к изучению условий
движения электронов в атоме. Первым шагом к созданию новой теории
была высказанная Луи де Бройлем (1924 г.)-гипотеза об общности
основных свойств частиц света — фотонов и частиц вещества — элект-
ронов и др. Он утверждал, что если фотоны кроме волновых имеют
корпускулярные свойства, то движущиеся частицы вещества кроме
корпускулярных должны иметь также и волновые свойства.
Согласно гипотезе де Бройля, всякая движущаяся частица вещества
имеет волновые свойства, которые можно охарактеризовать, сопостав-
ляя частице некоторую волну, длина которой связана с импульсом р
частицы таким же соотношением, как и для фотона, т. е.
X = hip — h/rnv,
где т — масса и v — скорость частицы (ft — постоянная Планка).
57
Эту волну называют волной де Бройля. Волна де Бройля не пред-
ставляет какой-либо самостоятельный колебательный процесс, она
только характеризует волновые свойства движущейся частицы. Длина
волны де Бройля весьма мала, например для электрона (т = 9 • 10-28 г)
при скорости v = 108 см/с она имеет порядок 7 А, т. е. соответствует
длине волны рентгеновского излучения, а для частицы с массой
т — 10-3 г при скорости v — 1 см/с она исчезающе мала (1 — 6,6 X
X 10-24 см).
Наличие у быстродвижущихся электронов волновых свойств было
затем подтверждено экспериментально. Наиболее характерное явление
Рис. S3
волнового процесса — дифракция — было обнаружено Дэвиссоном и
Джермером (1927 г.) при исследовании рассеяния электронов на крис-
таллах.
В более поздних опытах дифракция наблюдалась при пропускании
пучка электронов с высокой энергией через тонкую металлическую
фольгу.
Прибор для наблюдения дифракции электронов (рис. 53, а)
представляет электроннолучевую трубку, между электродами А
которой приложено достаточно высокое напряжение. На пути элек-
ронного пучка в трубке расположена тонкая (толщиной 10-3—10-Б см)
металлическая фольга Ф Электроны, проходя через фольгу,. рассеи-
ваются на содержащихся в ней мелких беспорядочно расположенных
кристалликах и затем попадают на экран Э (или фотопластинку).
На экране образуется дифракционная картина, состоящая из ряда
концентрических светлых и темных колец (рис. 53, б), подобная той,
которая получается при прохождении через такую же фольгу пучка
рентгеновского излучения с длиной волны., соответствующей волне
де Бройля для пучка электронов.
В дальнейшем была осуществлена дифракция нейтронов и других
микрочастиц. Таким образом, опыт подтверждает, что частицы ве-
щества наряду с корпускулярными имеют также и волновые свой-
ства.
§118. Рассеяние электронов на микроструктурах.
Электронный микроскоп
Волновые свойства обусловливают не только дифракцию, но и рас-
сеяние электронов на атомах и молекулах вещества, через которое
они проходят. Это явление используется в приборах для исследования
микроструктуры вещества и, в частности, в электронном микроскопе.
Если на пути луча в электроннолучевой трубке поместить тончай-
ший слой какого-либо вещества, то электроны, проходя через него и
взаимодействуя с атомами вещества, рассеиваются по различным на-
Осбетитепь
Конденсор
Экран
Преднет
дбоектид
Промежуточное
изображение
Проекционная
0UH3Q
Экран
Конденсорная
катушка
вЭлОкГП/днш
[? пушка
'//Проекционной
5с. катушка
преднет
Обьектибнад
катушка
Промежуточное
изображение
Никроскоп доя
ъ^наблюдения
Рис. 54
правлениям. Интенсивность рассеяния в определенных направлениях
зависит от микроструктуры слоя. Если электроны, рассеиваемые
каждой точкой «предмета», сфокусировать в точку на светящемся
экране трубки, то совокупность этих точук образует на экране изобра-
жение, отражающее микроструктуру, через которую прошли элект-
роны. Оно называется электронным изображением объекта. При по-
мощи системы электронных линз (см. § 41), расположенных по ходу
электронного луча, изображение может быть получено значительно
увеличенным по сравнению с «предметом». Таков принцип устройства
наиболее распространенного просвечивающего электронного микроскопа.
Имеются также электронные микроскопы для наблюдения поверх-
ности массивных объектов (отражательный, эмиссионный и др.).
Основой просвечивающего микроскопа является электроннолу-
чевая трубка о достаточно высоким рабочим напряжением (до 50—
100 кВ), вдоль которой расположены магнитные катушки — линзы,
управляющие электронным лучом.
59
ектива и проекционных
Рис. 55
На рис. 54 показана схема электронно-оптической системы про-
стейшего электронного микроскопа сравнительно с системой оптиче-
ского микроскопа, приспособленного для проекции на экран. Системы
состоят из конденсорной линзы или соответственно магнитной ка-
тушки, концентрирующей электронный луч на предмете, затем из объ-
линз (или соответственно катушек), которые
образуют увеличенное изображение пред-
мета на помещенном на дне трубки флуо-
ресцирующем экране или фотопленке.
Подобно Оптическому, в электронном
микроскопе увеличение изображения за-
висит от числа линз в системе и их фокус-
ных расстояний. В микроскопе, имеющем
кроме объектива только одну проекцион-
ную линзу, увеличение
' ₽ - Р/(Ш
где I — расстояние от предмета до экрана,
fiuft — фокусные расстояния линз. Уве-
личение р имеет порядок 10000. При ко-
роткофокусных линзах (/ = —2 мм) и
в случае, если электронное изображение
рассматривать с помощью оптического ми-
кроскопа с небольшим увеличением, может
быть достигнуто Общее увеличение 0 по-
рядка 100—200 тыс.
Разрешающая способность электрон-
ного микроскопа, подобно оптическому,
ограничена дифракцией электронного лу-
ча, а также аберрациями магнитных линз,
нарушающими резкость изображения. Пре-
дел разрешения по дифракции рассчиты-
вается по формуле
Z — Ке/2А,
Где ле — длина волны де Бройля для электрона, зависящая от напря-
жения U, ускоряющего элекроны (ке — h/V2meU, где т — масса,
е — заряд электрона и h — постоянная Планка), А—постоянная,
называемая численной апертурой, зависящая от устройства микро-
скопа. Практически с учетом ограничений, обусловленных аберра-
циями магнитных линз, предел разрешения имеет порядок 100—30 А
у более простых и до нескольких ангстремов у наиболее современных
микроскопов, что соответствует порядку размеров крупной молекулы.
Микроскоп типа ЭК-3 (рис. 55) — относительно простой — состоит
из электроннолучевой трубки Т, постоянно соединенной с системой
насосов, с помощью которых в ней при работе поддерживается давление
порядка 10-4 мм рт. ст. (Вакуум трубки должен восстанавливаться
при каждом исследовании после смены препарата и фотоматериалов.)
Насосы Н расположены в основании всей конструкции. В верхней
60
части трубки находятся электроды, формирующие электронный луч
(напряжение, ускоряющее электроны, порядка от 40—50 до 100 кВ),
а также люк П для помещения препарата. Внизу трубки имеется вто-
Рис. 56
Рис. 57
рой люк Ф для смены фотопленок. При настройке микроскопа изобра-
жение наблюдается через окно О на флуоресцирующем экране, поме-
щенном на дне трубки. К окну О при необходимости приспосаблива-
ется оптический микро-
скоп. На панели Щ распо-
ложены приборы управле-
ния.
Современный микро-
скоп типа ЭМВ-100 ДМ
(рис. 56) обеспечивает уве-
личение до 600000 и пре-
дел разрешения до 3 А.
Препараты для элек-
тронного микроскопа из-
готовляются в виде тон-
чайших срезов ткани или
коллоидной пленки, в кото-
рой заключены микрообъекты, подлежащие исследованию (вирусы,
бактерии, макромолекулы вещества и т. п.).
Для иллюстрации возможностей, которые дает электронный мик-
роскоп, на рис. 57, а приведена фотография туберкулезных бактерий,
полученных с помощью оптического микроскопа при увеличении
61
в 1000 раз. Изображение не передает никаких структурных деталей
предмета. Для сравнения на рис. 57, б показана фотография части ту-
беркулезной бактерии, полученная с помощью электронного микро-
скопа при увеличении порядка 30 000 раз.
' § 119. Основные положения квантовой механики
На основании идей де Бройля в 1925—1926 гг. трудами главным
образом В. Гейзенберга и Э. Шредингера была разработана новая
физическая теория, получившая название волновой или квантовой
механики.
Квантовую механику можно определить
как теорию, устанавливающую законы движения и взаимодействия
микрочастиц (электронов, нуклонов и т. п.) и фотонов с учетом их
двойственных корпускулярно-волновых свойств.
Одним из фундаментальных положений квантовой механики,
которое обусловлено волновыми свойствами движущихся частиц,
является невозможность точной локализации движущейся частицы
в определенной точке пространства. В связи с этим понятия положения
(координат) и траектории движения микрочастиц в квантовой меха-
нике не имеют смысла, хотя в ней сохраняют свое значение такие по-
нятия, как масса, импульс и момент импульса частицы.
Движение микрочастицы в квантовой механике описывается с по-
мощью особого уравнения (см. ниже), в котором учитываются- ее вол-
новые свойства. Это уравнение не определяет точно положение или
траекторию движения микрочастицы, но дает возможность установить
«ероятность ее обнаружения в тех или иных точках заданного прост-
ранства, что необходимо знать при рассмотрении взаимодействия
частицы в веществом (макрообъектом). Например, при дифракции
электронов на пространственной решетке кристалла указать траекто-
рию каждого электрона невозможно, но можно определить вероятность
попадания электронов в те ли иные точки экрана и на этом основании
предсказать результирующую картину, которая будет состоять из диф-
ракционных максимумов и минимумов: там, где вероятность попада-
ния электронов наибольшая, образуется максимум, там, где она наи-
меньшая, — минимум.
В ряде случаев, однако, и к микрообъектам, например свободно
движущемуся электрону или электронам в электроннолучевой трубке
и т. п., приходится применять классические представления и, в част-
ности, пользоваться понятиями координат и траектории. ОднакО
вычисление соответствующих величин может приводить к некоторой
неопределенности, порядок которой устаналиваюг с помощью предло-
женных Гейзенбергом соотношений неопределенностей.
Основное из них устанавливает:
чем точнец определена какая-либо из координат частицы (т. е. чем
меньше неопределенность Дх-координаты), тем больше неопреде-
ленность составляющей импульса Дрх (или скорости Дох) в том же
направлении, и наоборот.
62
Произведение этих неопределенностей должно быть больше или
в пределе равно постоянной Планка Й:
• ДхАрж h или ДхДух him.
На основании этих соотношений, зная неопределенность одной
из величин, можно найти неопределенность, с которой получится
вторая.
Примеры: 1. Допустим, что скорость движения электронов в электрон-
нолучевой трубке vx — 108 см/с определена с точностью до 0,01%, т. е. hvx =
= 104 см/с. Тогда неопределенность координаты электронов
, k 1,05 10-»’
ах = — ---- = ---------— см = 10~4 см.
m\vx 9-10 -104
По сравнению с размерами пятиа на экране трубки неопределенность коор-
динаты Дх электрона достаточно мала Поэтому в данном случае можно говорить
и о точном расположении (координате) точки падения электрона на экран, и
о траектории его движения в трубке.
2 Скорость движения электронов в атоме имеет порядок v = 108 см/с.
Неопределенность координаты электрона можно допустить равной размеру ато-
мв, т. е Дх = 10~8 см. Тогда неопределенность величины скорости
1,05 10 а- см
Дп«= —----------------<= 108 с м/с.
9 10~!” 10~8 с
Неопределенность величины скорости имеет порядок такой же, как сама
скорость. Очевидно, в этом случае теряется смысл понятия об орбитальном дви-
жении электрона, равно как и представления об электроне в виде сосредоточенной
частицы.
Соотношения неопределенностей относятся и к другим взаимосвя-
занным характеристикам состояния микрочастицы, в частности к энер-
гии Е и времени А/, в течение которого частица находится в состоянии
с этой энергией:
ЬЕЫ > Л.
Например, чем короче время жизни возбужденного атома (А/ ->0),
тем более неопределенно значение его энергии (Af -> ос). В связи
с этим энергетические уровни атома имеют некоторую ширину
ДЕг, которая зависит от времени возможного пребывания атома в сос-
тоянии, соответствующем этому уровню. Это означает, что можно
говорить о неопределенности энергии и, следовательно, частоты Av
фотонов, излучаемых при переходе с этого уровня. В этом заключается
причина наблюдаемого в эксперименте уширения (размытости) спект-
ральных линий.
Состояние движения микрочастицы в квантовой механике описы-
вается некоторой функцией от координат и времени, которая называ-
ется волновой или пси-функцией (^-функция). В зависимости от кон-
кретных условий волновая функция может иметь различный вид.
Уравнение, определяющие волновую функцию в общем виде (волновое
уравнение), было теоретически составлено Шредингером и названо его
именем. Это уравнение в квантовой механике имеет такое же значение,
как основное уравнение движения в классической механике, состав-
ленное на основании второго закона Ньютона.
63
Рассмотрим волновое уравнение для свободно (равномерно и пря-
молинейно вдоль оси х) движущейся частицы. В этом случае волна
де Бройля представляет плоскую монохроматическую волну, дифферен-
циальное уравнение для которой было выведено в § 24. Решением его
является функция
s — A sin 2л (vt — х/Х). (1)
Перейдя от параметров волны к параметрам движущейся частицы
к = h/p и v=E/h (где Е — энергия частицы, р—ее импульс), уравне-
нию (1) можно придать вид
ф = Ф sin (2л/Л) (Et — рх), (2)
где ф — мгновенное значение и Ф — амплитуда искомой пси-функции.
Эго и будет волновая функция для свободно движущейся частицы.
Представим уравнение (2) в дифференциальной форме, для чего
дифференцируем его два раза по х:
-ГТ" = ~Р2 Тsin (2«/Л)(£/-рх)= -ф. ’ (3)
дх2 л2 . п*
В данном случае частица имеет только кинетическую энергию,
поэтому Е — ЕК =* mv42 = р2/2т, откуда р2 — 2тЕк. Подставляя
эти соотношения в уравнение (3) и принимая во внимание, 4To/i/2n—й,
получим
_^+-^Екф = 0. (4)
дх2 Л2
Если частица движется в пространстве в произвольном направ-
лении, то ее волновая функция ф является функцией трех координат
ф == f (х, у, г) и в уравнение (4) вместо следует подставить выраже-
ние Дф =-5~х + з-т+-а^, называемое оператором Лап-
т ох* оу* ozi Г
ласа.
Если частица движется в силовом поле, то ее полная энергия Е
состоит из кинетической Ек и потенциальной Еа. Поэтому Ек — Е —
— Еа. Подставляя это в уравнение (4), получим
Дф + ^LfE-Еп)ф=0. - (5)
fr \
В таком виде это уравнение и было предложено Шредингером.
Ойо не содержит времени, т. е. описывает только стационарные режи-
мы, при которых состояние движущейся частицы не зависит от времени.
В дальнейшем было составлено уравнение, содержащее также и время,
оно значительно сложнее и в данном курсе не рассматривается.
Волновая функция не определяет положения частицы в простран-
стве, она является только вероятностной характеристикой этого поло-
жения: указывает вероятность нахождения микрочастицы в некото-
ром достаточно малом объеме ДУ пространства в окрестностях точки
с координатами х, у, г. Согласно квантовой механике вероятность
«4
нахождения частицы в объеме AV‘%=i kxtybz пропорциональна
квадрату модуля* |ф[2 волновой функции, решенной для данной точки:
Т]ДУ = №|2ЛУ.
Физический смысл .волновой функции заключается в том, что квад-
рат ее модуля характеризует вероятность нахождения частицы
в различных точках некоторого элементарного объема простран-
ства.
Таким образом, модуль волновой функции характеризует распре-
деление (плотность) вероятности нахождения микрочастицы в за-
данном объеме пространства в условиях стационарного режима состоя-
ния частицы.
Модельные представления микрообъектов в учетом их волновых
свойств затруднительны. Если все же попытаться сделать это, ис-
пользуя обычные понятия, то можно сказать, что, например, элек-
трон при движении размазывается в пространстве как некоторый
волновой процесс и,- наоборот, собирается в материальную точку
при взаимодействии о веществом.
В квантовой механике получили дальнейшее развитие представ-
ления об энергетических переходах, обусловливающих процессы
излучения. Переходы, равновозможные по теории Бора, были подчи-
нены особым правилам отбора. Это объяснило такие явления, как спект-
ры сложных атомов, люминесценция и т. П; Эта область квантовой ме-
ханики называется квантовой оптикой. Квантовая механика помогла
разрешить ряд вопросов, назревших в самых различных областях
физики: в физике твердого тела, строения кристаллов, электрических
и магнитных, оптических явлений и т. д.
§ 120. Вероятностные закономерности.
Объективность законов квантовой механики
Особенностью микромира является то, что при одних и тех же внеш-
них условиях состояние одинаковых по природе микрочастиц может
изменяться различным образом. Поэтому, например, при одинаковом
исходном конечные состояния частиц могут различаться. Квантовая
механика учитывает это свойство микрочастиц и позволяет определить
как все возможные варианты хода того или иного процесса, так и их
относительную вероятность. На этом основании для достаточно боль-
шого числа микрообъектов можно установить средние соотношения
между возможными конечными результатами процесса, которые будут
тем точнее, чем большее число микрообъектов участвует в процессе.
Такие соотношения называются вероятностными или статистически-
ми закономерностями.
Например, при радиоактивном распаде (см. § 123) невозможно указать точно
момент распада каждого ядра, но можно установить вероятность f. его распада
в течение заданного промежутка времени Дг. Для достаточно большого числа идер
вероятность Z определяет основной закон радиоактивного распада: за равные
* Волновая функция представляет комплексное выражение, которое в на-
шем курсе не рассматривается. Модуль функции соответствует ее действительной
части.
3
Н. М. Ливенцев
. 65
промежутки времени распадается одинаковая доля (Д/V = KN) от наличного
числа N нераспавшихся ядер. Эта доля и характеризуется вероятностью распада
X (см. §124)
Другой пример: фотоны рентгеновского или гамма-излучения с достаточно
высокой энергией, взаимодействуя с электронами вещества в определенных
условиях, могут вызвать как фотоэффект, так и комптон-эффект. Предсказать
заранее, какой именно из этих эффектов будет вызван каждым из фотонов, не-
возможно, однако можно установить вероятность этих процесов в зависимости
от внешних условий и при достаточно большом числе фотонов дать среднее соот-
ношение между результатами этих эффектов
Вероятность, т. е. потенциальная возможность, реализация которой
зависит от внешних условий, а отсюда и вероятностные закономерности
являются характерными для явлений, происходящих в мире микро-
объектов. Эти закономерности так же объективны, как и законо-
мерности классической физики.
Отличия законов квантовой механики от привычных законов клас-
сической физики неоднократно служили поводом для философских
дискуссий, в которых буржуазные физики и философы давали им идеа-
листическое толкование.. Соотношение неопределенностей, например,
по их мнению, устанавливает границу познаваемости мира, а невозмож-
ность одновременного точного определения координаты и импульса
частицы истолковывается как существование микрообъектов вне
пространства и времени. Отсутствие в микромире однозначной обус-
ловленности явлений (вероятностные закономерности) трактуется
как отсутствие у микрообъектов причинно-следственной связи между
явлениями.
Ошибочность подобных высказываний целиком основана на при-
ложении к этой принципиально новой теории старых классически^
представлений. Соотношение неопределенностей не ограничивает воз-
можностей познания микромира и не отрицает существования микро-
частиц во времени и пространстве, а только указывает, насколько
применимы к нему понятия и закономерности классической теории.
Квантовая механика не отвергает и причинно-следственную связь
явлений, но указывает ее новые формы, характерные для микрообъек-
та. Однозначная обусловленность явлений (всякое последующее со-
бытие точно предопределяется предыдущим), характерная для клас-
сической физики, при этом заменяется более общими причинно-след-
ственными связями, которые кроме необходимости включают также
причинные связи случайности и возможности. Эти связи являются
многозначными и отражаются вероятностными (статистическими) за-
кономерностями.
При правильном истолковании закономерностей квантовой ме-
ханики они подтверждают учение диалектического материализма
о том, что в мире нет неизменной сущности вещей. Закономерности
микромира значительно отличаются от привычных законов макро-
мира, но они существуеют объективно, вне нашего сознания, так же
как существует и сам микромир. Материя неисчерпаема, а мир позна-
ваем, но познается он Постепенно, ступенями, по мере развития средств
познания. Познание закономерностей микромира — это новая сту-
пень познания природы материи.
66
§ 121. Квантовомеханическая модель атома водорода
Учитывая, что потенциальная энергия электрона в атоме Еа =
== —е2/г, волновое уравнение для него можно представить в виде
Д-ф + ЧтНг2 (Е 4- е2/г) ф = 0.
Это уравнение называется орбитальным волновым уравнением
электрона. Оно имеет множество решений, т. е. определяет совокуп-
ность некоторых ф-функций, из которых физический смысл могут
иметь только функции конечные, однозначные и непрерывные. Такие
функции получаются при условии, что в уравнение подставлены дис-
кретные значения полной энергии £ электрона, которые различаются
между собой на-целое число п (п = 1, 2, 3, ...). Это число в квантовой
механике, как и в теории Бора, называется главным квантовым чис-
лом, определяющим энергетические уровни электрона в атоме. Разница
между этими теориями в том, что'у Бора условия квантования энергии
были приняты бездоказательно, а в квантовой механике они связаны
с решением основного уравнения состояния атома.
Введенные в теории Бора остальные три квантовых числа (см.
§ 106), характеризующих состояние электрона в атоме, сохраняют
свое значение и в квантовой механике, хотя и в частично измененном
виде. Например, для орбитального момента импульса электрона отно-
сительно ядра дается формула Le=V/ (/ 4* 1) А (где I — орбитальное
квантовое число), отличная от теории Бора, так же как и для спина:
Afs = Vs (s 4* 1) fl (где s — спиновое квантовое число)*.
Электрон в атоме водорода вследствие своих волновых свойств
может быть обнаружен в любой его точке, но е различной вероятностью,
которая устанавливается путем вычисления модуля соответствующей
ф-функции. Совокупность точек возможных положений электрона
в объеме атома называется орбиталью. Орбиталь условно изображается
в виде прфпранственного облака, плотность или густота которого ха-
рактеризует распределение вероятности нахождения электрона (а сле-
довательно, и распределение его заряда в различных точках объема
атома). Размеры, форма и расположение электронного облака отно- х
сительно координатных осей обусловливаются значением ф-фу.нкции,
которое, в свою очередь, определяется соответствующими кванто-
выми числами.
Опуская подробности, укажем, что главное квантовое число
п, характеризующее энергетические .уровни атома, определяет, р а з-.
мер орбитали (электронного облака). Орбитальное I и
магнитное- mi квантовые числа, определяющие соответственно
орбитальный момент электрона и проекцию вектора его орбитального ‘
момента на заданное направление, обусловливают форму и
ориентировку орбитали (электронного облака) относительно
некоторой системы координат. Спиновое квантовое число харак-
теризует различие состояний двух электронов, принадлежащих к одной
* В квантовой механике вводятся особые квантовые числа для многоэлект-
ронных атомов (на этом вопросе не останавливаемся).
3* 67
з-электроны р- электроны
пг-0 т^-1
а) 6)
d-электроны
т-+2 я«*7 гп-О, л-/ 7П«-2
1 1 6)
Рис. 58
орбитали, в зависимости от ориентировки их собственных моментов
количеств движения — спинов.
В основном ls-состоянии орбиталь электрона атома водорода
(рис. 58, а и 59, а) имеет форму сферы с неравномерно распределенной
плотностью: максимум ее находится на расстоянии г0 от центра, затем
плотность быстро убывает по направлению к ядру и более постепенно —
к периферии. На рис. 59, а показан график распределения плотности
Рис. 59
вероятности т]Ду в зависимости.от
расстояния г до центра сферы (рас-
стояние г0 до максимума плотно-
сти соответствует радиусу основ-
ной боровской орбиты), с.
Орбитали двух электронов,
различающихся только спином,
как например, у гелия 1s®, в про-
странстве совмещаются.
Рис. 60
68
В атомах лития и бериллия орбитали электронов (lsI2s1) и (ls22s*)
имеют также сферическую форму, но с двумя различными максиму-
мами плотности (рис. 59, б).
Орбиталь электрона в состоянии р имеет форму тела вращения, по-
казанного на рис. 58, б, ось которого расположена в соответствии
со значениями магнитного квантового числа. Орбиталь электрона
в состоянии d имеет форму тела вращения, показанного на рис. 58, в.
В остальных состояниях форма орбитали еще более усложняется.
В атомах, имеющих несколько электронов в различных состояниях,
орбитали их накладываются. Для примера на рис. 60 показана форма
орбиталей у атомов бора (ls22s22p1) и азота (ls22s22p3).
При образовании молекулы происходит частичное слияние орби-
талей валентных электронов (для молекулы водорода — рис. 59, в).
При этом между ядрами атомов образуется область с большей вероят-
ностью нахождения электронов, что и связывает их в одно целое.
Часть V
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Глава 23
ЯДРО АТОМА. РАДИОАКТИВНОСТЬ
§ 122. Строение ядра атома. Энергия связи
Ядра атомов состоят из элементарных частиц—протонов и нейтро-
нов, называемых нуклонами. В свободном состоянии протоны и нейт-
роны — самостоятельные частицы, но в ядре они могут взаимно прев-
ращаться (см. § 123) и тогда рассматриваются как различные состоя-
ния одной и той же частицы. Масса покоя свободного нуклона близка
к 1 а. е. м.*. Протон имеет положительный заряд, равный заряду е
электрона, нейтрон заряда не имеет. Спин нуклона 5 = х/гЙ. Магнцт-
. ные моменты протона рр = 2,79 ря и нейтрона рп = 1,91 ря, где>ря —
ядерный магнетон**.
Число Z протонов в ядре равно атомному номеру элемента. Соот-
ветственно заряд ядра уя=eZ. Общее число нуклонов в ядре опреде-
ляется его массовым числом А. Массовое число — это целое число,
ближайшее к атомной массе элемента (изотопа), выраженной в а. е. м.
Число N нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и
атомным номером элемента (изотопа): N — А — Z.
Ядро обозначается химическим символом элемента X с нижним
(Z) и верхним (Л) индексами: zX. Аналогично обозначаются протон
\р и нейтрон on.
Спин ядра равен сумме спинов составляющих ядро нуклонов. Так
как спины нуклонов в ядре по большей части антипараллельны, то зна-
чение спина ядра не превышает нескольких единиц h (при четном числе
нуклонов — ноль или целое число й, при нечетном — полуцелое
число й).
Радиус ядра определяется по приближенной формуле R = 1,5 У А х
X I0-13, т. е. имеет порядок 10-18 см (в 105 раз меньше порядка радиу-
са атома).
Нуклоны в ядре связаны особыми силами взаимного притяже-
ния — ядерными силами, которые, несмотря на наличие между про-
тонами электростатических сил взаимного отталкивания, удерживают
нуклоны и обеспечивают ядру как самостоятельному образованию
достаточную устойчивость и прочность.
* За 1 а. е. м. принята 1/12 массы изотопа углерода с массовым числом
12; 1 а. е. м. = (1,66043 ± 0,00031) • 10-27 кг. Масса протона принимаетси рав-
ной тр = 1,00728 а. е. м. и нейтрона тп = 1,00867 а. е. м
** Ядерный магнетон р.я = 1/1836рБ, где рв — магнетон Бора (см. § 41).
70
Природа ядерных сил еще недостаточно изучена, однако основные
их свойства установлены достаточно достоверно. Перечислим их:
1) ядерные силы— короткодействующие. Они действуют только на
расстояниях порядка размеров самого ядра, т. е. 10-13 см. При увели-
чении расстояния между нуклонами они резко убывают и на расстоя-
ниях порядка 10~12 см становятся практически равными нулю;
2) ядерные силы — сильнодействующие. Они на несколько поряд-
ков выше, чем силы любых других известных в природе взаимодей-
ствий (см. § 138);
3) ядерные силы действуют между нуклонами независимо от их
электрического заряда как между двумя нейтронами, так и между
нейтроном и прото'ном или двумя протонами. Это свойство называется
зарядовой независимостью ядерных сил;
4) ядерные силы имеют свойство насыщения, т. е. каждый нуклон
взаимодействует только с ограниченным числом окружающих его нук-
лонов, поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы
не возрастают, как это имеет место для сил электростатического
отталкивания между протонами.
Устойчивость атомных ядер зависит от общего числа А нуклонов
в ядре, а также от соотношения числа нейтронов и протонов N/Z.
Наиболее прочными являются легкие ядра с небольшим числом нукло-
нов и одинаковым числом нейтронов и протонов (N/Z — 1), особенно
если оба эти числа четные («четно-четные» ядра). По мере увеличения
общего числа нуклонов в ядре, причем со значительным избытком
нейтронов по отношению к протонам (N!Z~> 1,6), устойчивость ядра
ослабляется, вследствие чего у элементов последнего ряда происходит
самопроизвольный распад, называемый радиоактивностью.
Отмечено, что особенно прочным являются четно-четные ядра
с числами протонов или нейтронов 2, 8, 20, 50 и 82.
В соответствии со свойствами ядерных сил предложены капельная
и оболочечная модели строения ядер атомов.
Согласно капельной модели, взаимодействие нуклонов в ядре по-
добно взаимодействию молекул в капле жидкости, в частности нуклоны
поверхностного слоя в ядре также испытывают одностороннее притя-
жение от глубже расположенных нуклонов, что создает между ними
подобие сил поверхностного натяжения. Капельная модель хорошо
объясняет механизм ядерных реакций и особенно реакции деления
ядер.
В соответствии с оболочечной моделью нуклоны в ядре распределены
по энергетическим уровням (оболочкам), причем наиболее устойчи-
выми являются ядра с заполненными уровнями. Такая модель объяс-
няет особую прочность ядер с определенными комплексами чисел про-
тонов и нейтронов.
Ядерные силы имеют особую, обменную природу, которая объяс-
няется законами квантовой механики и не имеет аналогии в класси-
ческой физике. Согласно теории, принятой в настоящее время, нук-
лоны в ядре непрерывно обмениваются особыми частицами, которые
называются п-мезонами или квантами ядерного поля. Обмен проис-
ходит настолько быстро (в течение 10~23 с), что установить самостоя-
71
тельное существование этих частиц в ядре затруднительно, поэтому их
называют виртуальными*. Предполагают, что каждый нуклон сое-
тоит из центральной части, окруженной л-мезонами, которыми он и
обменивается с окружающими его нуклонами.
Свободные л-мезоны были открыты в космическом излучении и
получены в лабораторных условиях при ^взаимодействии частиц
с высокой энергией.
С действием ядерных сил связана внутренняя потенциальная энер-
гия нуклонов в ядре. При рассмотрении этого вопроса вводят понятие
об энергии связи Есъ нуклонов, под которой понимают разность между
общей потенциальной энергией Есво0
свободных нуклонов и потенциаль-
ной энергией £яВ этих же нуклонов,
связанных в ядре силами взаимного
притяжения
^СВ = ^СВОб ^НД"
Энергия связи — это энергия, ко-
торая выделяется при образовании
ядра из свободных нуклонов, или со-
ответственно энергия, которую необ-
ходимо затратить, чтобы действием
внешних сил разрушить ядро.
По соотношению Эйнштейна, при выделении энергии связи должно
происходить уменьшение массы покоя частиц. Следовательно, масса
М„п ядра меньше суммы масс свободных нуклонов S/nH, из которых
оно состоит, что подтверждается непосредственными измерениями масо
нуклонов и ядер*атомов с помощью масс-спектрометра.
" Тогда
Есв = (2/п„ — М„) с2 = [(Zmp + Nmn) — Мя] с2
8-
7-
С-
Не
Деление ~~
епмщш цОер
4-
J-
2-
'Синтез
легких
U Юер
50 W0 150 200 250 Л
Рис. 61
О
или, принимая во внимание, что (1 а. е. м.) с2 эквивалентна энергии
931,5 МэВ, -
Есв = {(Zmp + Nmn) — М„] 931,5 МэВ.
Энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов, поэтому
для сравнения между собой ядер различных элементов пользуются
средним значением энергии связи, приходящейся на один нуклон,
которое называют удельной энергией связи: есв == £СВ/Л. Удельная
энергия связи ядер зависит от массового числа А элемента (рис. 61).
Она сначала круто возрастает до 6—7 МэВ у легких элементов с мас-
совым числом А — 10—12, потом более медленно—до максимального
значения 8,7 МэВ у элементов с А — 50 — 60, а затем постепенно сни-
жается у более тяжелых элементов.
Удельная энергия связи характеризует ту часть потенциальной
энергии свободного нуклона, которая была необратимо потеряна при
* Это частицы, существование которых предполагается, но эа краткостью
времени их жизни ие может быть подтверждено экспериментально.
72
образовании ядра данного элемента. Следовательно, чем меньше энер-
гия связи, тем большая часть потенциальной энергии свободных ну-
клонов остается в ядре и может быть выделена при его превраще-
ниях. Поэтому, если ядро с меньшей энергией связи вСВ1 превра-
щается в ядро о большей энергией связи всв2, то при этом часть его
потенциальной энергии, равная разности энергии связи этих ядер:
Де = есв 2 ~ есв I» будет выделена (перейдет в кинетическую энергию
второго ядра) и может быть полезно использована.
Для ядра, содержащего А нуклонов, выделенная энергия
Д£ = Де • А = (всв2 — 8СВО А,
Как видно из графика (рис. 61), такое явление принципиально
возможно в двух случаях (стрелки на рисунке): при делении ядер
тяжелых элементов на более легкие и при укрупнении наиболее лег-
ких ядер.
Примеры: при слиянии двух ядер дейтерия (А = 2, есв( = 1,1 МэВ)
с образованием ядра гелии (Л — 4, есва = 7,0 МэВ) высвобождается энергия
А£ = (7 — 1,1) 4 МэВ яг 24 МэВ; при делении ядра урана (А = 238; есв1 =
= 7,5 МэВ) на два равных ядра с А — 119 (есва = 8,5 МэВ) выделяемся энергия
Д£ = (8,5 — 7,5) 238 МэВ « 240 МэВ.
Вторая из указанных возможностей, как известно, практически
реализуется в ядерных реакторах, первая является основанием для
разработки термоядерных реакций (см. § 132).
§ 123. Радиоактивность. Виды распада
Радиоактивность — свойство ядер определенных элементов само-
произвольно (т. е. без каких-либо внешних воздействий) превра-
щаться в ядра других элементов с испусканием особого рода из-
лучения, называемого радиоактивным излучением.
Само явление называется радиоактивным 'распадом. Радиоактивный
распад сопровождается небольшим выделением теплоты.
Радиоактивные явления, происходящие у встречающихся в природе
изотопов, называют естественной радиоактивностью, а происходящие
в искусственно полученных изотопах — искусственной радиоактив-
ностью. Оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же за-
конам.
Радиоактивное излучение невидимо для глаза, оно обнаруживается
с помощью методов^ использующих различные явления, происходя-
щие при действии его на вещество, например свечение люминофоров
или флуоресцирующих экранов, ионизация вещества, почернение
фотоэмульсии (после проявления) и т. п.
Под общим названием радиоактивного излучения объединяются
три вида излучения: а, 0 и у, различные по природе, но имеющие неко-
торые общие свойства.
Альфа-излучение — эт поток частиц (а-частиц) с высокой кинети-
ческой энергией, которые представляют ядра гелия. Альфа-частица
73
состоит из двух протонов и двух нейтронов и обозначается ja
(или Ше).
Бета-излучение — это поток частиц (0-частиц) о высокой кине-
тической энергией, которые представляют или электроны (у большин-
ства радиоактивных элементов), или позитроны ( у некоторых искус-
ственно полученных изотопов).
Позитрон является элементарной частицей, подобной электрону,
но с положительным знаком заряда (см. § 138). Это устойчивая части-
ца, но в естественных условиях она почти не встречается. Причины
этого рассмотрены в § 116.
Бета-частицы обозначаются 0" или _\е (электрон) и 0+ или (по-
зитрон).
Гамма-излучение имеет электромагнитную природу и представляет
поток фотонов с высокой энергией порядка от 1 до 2—3 МэВ и соответ-
ственно малой длиной волны от 0,1 нм и меньше. Обозначается оно
буквой у с индексом, указывающим энергию фотонов, например
То.5 или Т2.0-
Характеристиками радиоактивного' излучения являются масса и
заряд частиц, скорость их при выбрасывании из ядра и соответствую-
щая ей кинетическая энергия, а также распределение частиц по энер-
гиям, называемое спектром радиоактивного излучения.
В одном акте распада из ядер данного вещества выбрасываются
частицы только одного вида: альфа или бета. Соответственно различают
три основных вида распада радиоактивных ядер: a-распад, 0-элект-
ронный и 0-позитронный. Любой из этих распадов^может сопровож-
даться излучением у-фотонов.
Для ядер тяжелых элементов характерен a-распад, при этом умень-
шается общее число нуклонов в ядре и 'оно становится более устой-
чивым. Альфа-распад описывается уравнением
zX -> г— гУ + 2».
В связи с выбрасыванием a-частиц заряд ядра и соответственно атом-
ный номер элемента уменьшаются на две единицы, а массовое число —
на четыре единицы. Например, распад радия, в результате которого
образуется радон:
ee’Ra-* 662Rn + Ше
при этом излучается у-фотон с энергией 0,188 МэВ. ‘
Скорость выбрасывания а-частиц из ядра имеет порядок
(1,4—2) 10s см, что соответствует начальной кинетической энергии
4—8,8 МэВ. Альфа-частицы, испускаемые элементом, составляют не-
сколько групп с приблизительно одинаковой энергией. Поэтому спектр
a-излучения состоит из нескольких близко расположенных линий.
Механизм а-распада схематично можно представить так: два про-
тона и два нейтрона, взаимодействуя в процессе внутриядерного дви-
жения, образуют а-частицу, которая существует примерно 10“21 с,
а затем снова распадается на отдельные нуклоны. При определенных
условиях некоторые из образовавшихся таким образом а-частиц
могут преодолеть действие ядерных сил и оторваться от ядра. Этот
74
процесс имеет квантовомеханическую природу и называется тоннель-
ным эффектом. Вероятность этого эффекта тем больше, чем выше
энергия а-частицы. Поэтому элементы, испускающие а-частицы
с более высокой энергией, должны распадаться быстрее, чем элементы,
испускающие частицы с меньшей энергией, что и наблюдается в дей-
ствительности.
Бета-распад происходит у ядер, неустойчивость которых связана
е неблагоприятным соотношением числа нейтронов и протонов. Если
в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный
0-распад, при котором один из нейтронов превращается в протон,
при этом в ядре рождается электрон:
Jn -> ]р + _?е.
Он выбрасывается, и в ядре остается более устойчивый комплекс нук-
лонов. Электронный 0-распад описывается уравнением
/X = z+lY + _Че,
при этом заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увели-
чиваются на единицу, массовое число «его остается без изменения.
Электронный 0-распад характерен для многих естественных и ис- -
кусственно полученных радиоактивных изотопов, например распад
изотопа калия с превращением его в кальций:
1SK -> УСа +
При позитронном 0-распаде один из протонов превраща-
ется в нейтрон, при этом в ядре рождается позитрон:
|р -> Jn +
Он выбрасывается, а в ядре остается более устойчивый комплекс
нуклонов. Позитронный 0-распад описывается уравнением
zX -> z-tf + +?е.
Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшаются
на единицу, а массовое число остается без изменения, например распад
изотопа фосфора с образованием кремния:
jgp -> fJSi + +fe.
Начальная скорость и соответственно кинетическая энергия
0-частиц могут значительно отличаться. Наибольшая начальная ско-
рость имеет порядок 1,6 • 1010 см/с.
Бета-излучение одного и того же элемента содержит частицы с раз-
личной энергией в пределах от самой малой до некоторой максимальной
величины. Поэтому спектр 0-излучения непрерывный, или сплошной
(рис. 62). График дает зависимость относительного числа частиц
dN/N, энергия которых заключена в интервале между ей е + Де,
т. е. dN/Ndz, от энергии е (ср. распределение Максвелла, § 99).
Для спектра характерны граница со стороны максимальной энергии
ета, а также максимум, соответствующий числу частиц при энергии,
равной примерно одной трети от максимальной. Максимальная энер-
75
гия 0-частиц у различных веществ лежит в пределах от 0,15—0,05 МэВ
(мягкое 0-излучение) до 10—12 МэВ (жесткое 0-излучение).
Для того чтобы объяснить различие в энергии 0-частиц при распаде
ядер одного и того же элемента, В. Паули в 1931 г. предположил, что
при 0-распаде вместе с 0-частицами из ядра выбрасываются нейтраль-
ные частицы, ничтожные по массе и имеющие энергию, которая в сумме
с энергией 0-частиц составляет некоторую постоянную величину е0,
характерную для распада данного изотопа, причем эта энергия у раз-
ных ядер (одного и того же элемента) делится между 0- и этими части-
цами в самых разнообразных соотношениях. В дальнейшем эти части-
цы были обнаружены экспе-
риментально. Частица, испу-
скаемая вместе с позитроном,
была названа нейтрино (обо-
значение v), а частица, испус-
каемая вместе с электро-
ном, — антинейтрино (v).
Об этом см. § 138.
С учетом выбрасывания
нейтрино или антинейтрино
уравнения взаимного превра-
щения нуклонов имеют вид
Рис. 62 1р -* Ап + 4-fe + v;
* Jn -> |р + -le 4- v.
Превращение протона в нейтрон может произойти также путем
захвата ядром-одного из электронов с ближайшей к ядру оболочки К’.
Ip +'-1е -> An + v.
Это явление называется электронным или К-захватом, например
превращение изотопа бериллия в литий:
)Ве + -> JL1.
К радиоактивному распаду относят также самопроизвольный рас-
пад ядер тяжелых элементов, например изотопов урана*, на два ос-
колка, близких между собой по атомному номеру и массовому числу.
В 1950 г. советскими физиками был открыт в эксперименте новый
вид радиоактивного распада ядер с испусканием протонов.
При радиоактивном распаде ядер' некоторых элементов образуются
новые ядра, также радиоактивные, которые в свою очередь распадаются
по тому или иному типу. У некоторых элементов наблюдается целая
цепочка таких последовательных распадов, пока при последнем рас-
паде не образуется стабильный элемент. Совокупность элементов, об-
разующих подобную цепочку, называется радиоактивным семейством,
или рядом (см. § 125).
* Вопросы о делении ядер урана (самопроизвольном или под действием
нейтронов) выходят за рамки программы курса.
76
Ядро атома — это квантовомеханическая система, которой свой-
ственны дискретные энергетические уровни: основной и возбужденные.
Возбужденное состояние ядра, которое может быть вызвано сообще-
нием ему некоторой дополнительной энергии, неустойчиво, и через
миллионные доли секунды оно возвращается в основное состояние,
излучая у-фотон, уносящий избыточную энергию. Энергия у-фотона
равна разности энергетических уровней перехода: е = hvv — Е2—Ej.
Возвращение возбужденного ядра в основное состояние может
происходить как единым переходом, так и ступенчато через промежу-
точные энергетические уровни, тогда излучается несколько у-фотонов
с разной энергией (разной длины волны). Поэтому у-излучение радио-
активных веществ имеет линейчатый спектр, содержащий несколько
(иногда только одну) линий.
Обычно ядро, образовавшееся в результате радиоактивного рас-
пада, находится в возбужденном состоянии, поэтому, как правило, и
а-, и p-распад сопровождаются у-излучением.
Возбуждение ядра может быть вызвано также достаточно сильным
внешним воздействием (например, ударом какой-либо частицы или
при поглощении у-фотона высокой энергии).
§ 124. Основной закон радиоактивного распада. Активность
Радиоактивный распад ядер одного и того же элемента происходит
постепенно и со скоростью весьма различной у различных элементов.
Радиоактивный распад — статистический процесс, подчиняющийся
законам вероятности. Нельзя указать заранее момент распада ядра
каждого атома, но можно установить вероятность распада одного
ядра за определенный промежуток (единицу) времени. Эта вероятность
характеризуется коэффициентом 1, который называется постоянной
распада и зависит только от природы элемента.
Основной закон радиоактивного распада устанавливает: за рав-
ные промежутки времени распадается одинаковая доля наличных
(т. е. еще не распавшихся к началу' данного промежутка) ядер дан-
ного элемента.
Эта доля и характеризуется постоянной распада 1.
Из закона следует, что число dN ядер, распадающихся за проме-
жуток времени dt, пропорционально числу N ядер, еще не распавших-
ся к началу данного промежутка времени, и промежутку dt:
—dN = INdt
(знак минус показывает на убывание со временем величины /V). Ре-
шением уравнения является экспоненциальная функция
N = 2VO<?-W,
где /Vo — исходное (в момент t = 0) число ядер. На рис. 63 приведены
графики этой зависимости при различных значениях постоянной рас-
пада Xi (кривая 1) и Х2 (кривая 2), причем Х2 > Хх, и при одинаковом
исходном числе ядер Na.
77
Таким образом, число /V нераспавшихся (т. е. активных) ядер убы-
вает со временем по указанной выше зависимости и может быть опре-
делено для любого момента времени t путем вычисления по формуле
или с помощью графика.
Число АЛ/ распавшихся ядер изменяется со временем по зависимо-
сти
ДМ = Мо — м = мо (1 - e-w).
Практически скорость распада различных элементов характери-
зуют периодом полураспада 7\/2. Это время, в течение которого рас-
падается половина исходного .числа
радиоактивных ядер (рис. 63). Период
полураспада Т\/2 можно найти из
следующих соображений. При t =
= 7\/g число нераспавшихся ядер
Nt == Мо/2 =
откуда е-хг = 1/2 или ект = 2, сле-
довательно,
1п 2 0,693
к ~ К
Период полураспада элементов (изотопов) различается в весьма
широких пределах — от миллионов лет до долей секунды, например:
83ви 4,51-10» лет
sseRa 1590 лет
мСо 5,3 года
222Rn 3,825 дня
24Na 15,06 ч
11С 20,4 мнн
8Li 0,89 с
При практическом использовании источников радиоактивного из-
лучения основное значение имеет общее число распадов, происходя-
щих в источнике в единицу времени. Эта величина называется актив-
ностью-А данного источника и зависит как от относительной скорости
распада, так и наличного числа ядер, т. е. массы изотопа в источнике.
Активность характеризует абсолютную скорость распада изотопа
в данном источнике: А = dNIdt.
Из сопоставления формул основного закона и периода полураспада
следует: -
А=| — |=М/ =
I di )
0,693#
Т1/2
активность элемента пропорциональна числу ядер (массе изотопа)
и обратно пропорциональна его периоду полураспада.
Для данного изотопа (Т1/2 = const) активность пропорциональна
его массе.
Со временем активность данного элемента уменьшается в соответ-
ствии с основным уравнением распада, Поэтому активность At в лю-
78
бой момент времени t вычисляется по соотношению
At = Лое~" = Лое~°-693 ‘/г,
где Л о — активность в начальный момент t — 0.
По таблице или графикам, составленным согласно этой формуле,
и определяется на практике активность радиоактивного элемента
в конце промежутка времени, истекшего с момента его получения в ле-
чебном учреждении или на месте производства.
§ 125. Радиоактивность в природе
14С и водорода 8Н, которые об-
Радиоактивные элементы распространены в природе, хотя и в нич-
тожных количествах.
В земйой коре радиоактивные элементы содержатся преимуществен-
но в урановых рудах. Это долгоживущие элементы радиоактивных
рядов (уран, радий, торий и др.), содержание их в руде не превышает
десятитысячных долей процента. Существует три радиоактивных ря-
да: ряд урана-радия, ряд тория и
ряд актиноурана.
Ряд урана-радия начинается
наиболее распространенным изо-
топом урана 2S8U (7^/2 = 4,5 х
X 10® лет). Далее ряд содержит
другие радиоактивные изотопы
урана, изотоп тория, радий,радон,
изотопы полония, свинца и висму-
та (обозначаемые как Ra Л — RaE)
и заканчивается стабильным изото-
пом свинца 20вРЬ (рис. 64). На гра-
фике виден взаимный сдвиг этих
элементов по порядковому номеру
Z и массовому числу А.
Ряд тория начинается с изо-
топа MaTh (Т1/2 = 1,5 • 1010 лет)
и заканчивается изотопом свинца
М8РЬ.
В почве содержится радиоак-
тивный изотоп калия 40К (в коли-
честве до небольших долей про-
цента), а также изотопы углерода
разуются в атмосфере и из нее поступают в почву. В меньших
количествах в почве содержатся радиоактивные изотопы рубидия
®’Rb, кальция 48Са и др. В природных водах имеются радиоактив-
ные вещества, вымываемые из почвы и горных пород. В некото-
рых минеральных источниках содержатся в растворенном виде радио-
активные газы — радон и торон. Эти источники использую+ся для ле-
чебных целей. В настоящее время радон для лечебных ванн получается
также в лабораторных условиях при распаде радия в растворе его
79
хлористой или бромистой соли. Радон и торон содержатся в ничтожных
количествах также в атмосферном воздухе.
Растения усваивают радиоактивные вещества из почвы, воды и
атмосферы. Поэтому они содержат все указанные вещества и особенно
радиоактивный изотоп углерода 14С, который они получают с угле-
кислотой" из атмосферы.
Изотоп углерода 14С образуется в атмосфере из азота “N под дей-
ствием нейтронов космического излучения (по реакции + ом ~>
-f 1Н 4- 64С, см. § 128). Он усваивается растениями при фотосинтезе.
Являясь слабо радиоактивным (электронный 0-распад, Т1/2 =
»= 4000 лет), ои постепенно превращается обратно в изотоп азота 14N.
В результате кругового обмена углерода в организмах- образу-
ется некоторая постоянная равновесная концентрация изотопа 14С.
После смерти живого вещества ассимиляция углерода 14С прекраща-
ется (а радиоактивный распад его продолжается), и тогда по снижению
активности этого изотопа можно определить геологический возраст
останков организмов (древесина, кость и т. п.). Этот метод используется
в геологии, археологии и др.
В животные организмы радиоактивные вещества поступают с пи-
щей, водой и воздухом, но и выводятся с экскрементами, поэтому на-
копления их в организме не происходит.
Таким образом, везде в природе, где имеются радиоактивные
вещества, происходит радиоактивное излучение, которое вместе с кос-
мическим составляет естественный радиоактивный фон. Полагают,
что в процессе эволюции растения и животные приспособились к этому
радиоактивному фону, как и к прочим физическим факторам внешней
среды, обусловливающим их нормальную жизнедеятельность.
§ 126. Проникающая и ионизирующая способности
радиоактивного излучения
Обладающие высокой кинетической энергией а- и 0-частицы или
•у-фотоны, проникая в вещество, взаимодействуют с электронами ато-
мов, выбивают их из орбит и таким образом ионизируют вещество.
Вместе с ионизацией происходит и возбуждение атомов с последующим
излучением в оптическом диапазоне, а также и активация молекул,
приводящая к фотохимическим реакциям.
По мере проникания частиц радиоактивного излучения в Глубь
вещества в результате последующих соударений с электронами атомов
и молекул энергия их постепенно уменьшается и, наконец, когда она
достигает значения энергии теплового движения, ионизирующее
действие частиц прекращается. Альфа-частица присоединяет два
электрона и превращается в атом гелия. Отрицательная р-частица
(электрон) остается в свободном состоянии. Положительная 0-частица
(позитрон) соединяется со свободным "электроном и превращается
в два у-фотона (см. § 129), Гамма-фотон поглощается электроном
—при последнем соударении.
80
s
f
k'
i.
I
Наибольшую глубину проникания частиц в вещество называют
пробегом. Проникающую способность различных частиц характеризу-
ют пробегом в воздухе.
Ионизирующая способность частиц радиоактивного излучения
пропорциональна их кинетической энергии и второй степени заряда.
Последнее обусловлено тем, что взаимодействие заряженных частиц
с электронами атомов вещества происходит преимущественно через
их электрические поля при сближении на достаточно малое расстоя-
ние.
г
Рис. 65
Ионизирующая способность оценивается средним числом пар ионов,
образуемых частицей на протяжении 1 см’ пути пробега в воздухе.
Учитывая, что в среднем на образова-
ние одной пары ионов в воздухе затра-
чивается энергия, равная 34 эВ, и зная
начальную энергию частицы, можно
вычислить число пар ионов, образуемых
на полном пути пробега, а зная длину
пробега, и ионизирующую способность.
Опа зависит от природы вещества, с ко-
торым излучение взаимодействует. Чем
выше атомный номер и больше плот-
ность вещества, тем с большим числом
электронов столкнется частица на пути
пробега, тем выше будет интенсивность
ионизации и, следовательно, меньше
глубина проникания частиц. -*
Альфа-частицы, имеющие двойной
элементарный заряд и высокую энер-
Гию, производят интенсивную ионизацию и проникают в вещество
относительно неглубоко. Пробег в воздухе (при нормальных условиях)
в зависимости от энергии частиц колеблется от 2 до 8,5 см. В тканях
организма они проникают на глубину до 0,1 мм. Поскольку все «-час-
тицы данного радиоактивного вещества имеют близкую энергию,
они проникают в однородную среду примерно на одинаковую глубину
гт, что видно из графика изменения числа частиц N от глубины прони-
кания г (рис. 65, а).
На своем относительно небольшом пробеге в воздухе а-частица
вместе с вторичными электронами создает исключительно высокую ин-
тенсивность ионизации (порядка нескольких десятков тысяч пар ионов
на 1 см пробега). На протяжении пути пробега интенсивность иониза-
ции неравномерна, по мере проникания в вещество скорость а-частицы
падает, время взаимодействия с электронами вещества увеличивается,
интенсивность ионизации £в возрастает (см. график на рис. 65, б),
однако в конце пробега вследствие израсходования энергии частицы
она быстро падает. Благодаря малой глубине проникания защитой
от а-частиц может служить тонкий слой любого вещества (одежда,
плотная бумага, целлофан и т. п.). Основную опасность а-частицы
представляют при попадании на слизистые оболочки дыхательных или
пищеварительных путей.
В1
Бета-частицы (электроны и позитроны) производят значительно
менее интенсивную ионизацию, чем а-частицы, и поэтому проникают
в вещество на большую глубину. В зависимости от энергии пробег
0-частин в воздухе может иметь порядок от десятков сантиметров
до десятков метров. В тканях организма 0-чаетицы проникают на глу-
бину до нескольких сантиметров.
Бета-частицы в излучении одного и того же вещества, имея различ-
ную энергию, производят ионизацию различной интенсивности и в од-
нородной среде проникают на различную глубину. Убывание числа
N р-частиц с одинаковой энергией в од-
нородной среде по мере проникания в
глубь вещества вначале происходит по
закону, близкому к экспоненте, но за-
тем на определенной глубине гт (макси-
мальный пробег) частицы быстро теряют
энергию и полностью поглощаются
(рис. 66, а).
В воздухе р-частица может создавать
ионизацию порядка десятков и сотен пар
ионов на 1 см. Для защиты от р-излуче-
ния может служить слой толщиной 1—
2 см практически любого вещества: дере-
ва, плексигласа, стекла, легкого метал-
. ла и т. п.
Гамма-фотоны отличаются высокой
проникающей способностью. Пробег их
в воздухе составляет’десятки и сотни
С'/? г метров. В тканях организма у-излучение
проникает на большую глубину или
₽ие- 66 проходит насквозь через тело человека.
* Первичная ионизирующая способность
у-фотонов невысока: в воздухе они образуют всего несколько пар ионов
по 1 см пробега. Это связано с отсутствием у у-фотонов электрического
заряда. Однако полный ионизационный эффект от действия
у-излучения с учетом вторичной ионизации и ,ядер отдачи ,(см. § 133)
может быть весьма значительным.
Ослабление интенсивности у-излучения в однородной среде про-
исходит, подобно рентгеновскому излучению (см. § 115), по экспонен-
циальному закону (рис. 66, б). Глубина проникания излучения в раз-
личных веществах характеризуется слоем половинного ослабления
di/2 (см. § 137). Для защиты от у-излучения могут применяться только
толстые слои воды, земли или бетона, кирпичная стена и т.п., а также
тяжелые металлы, например свинец толщиной в несколько сантимет-
ров.
§ 127. Методы наблюдения радиоактивных излучений
Для наблюдения и регистрации радиоактивного излучения исполь-
зуются различные эффекты от действия излучения на вещество, пре-
имущественно ионизация, люминесценция, действие на фотоэмульсию.
82
На ионизационном эффекте основаны такие приборы, как иониза-
ционные камеры и газоразрядные счетчики частиц (см. § 135—136),
регистрирующие этот эффект непосредственно, и трековые камеры,
позволяющие наблюдать только следы (треки) ионизирующих частиц.
В трековых камерах ионы, образующиеся под действием частиц радио-
активного излучения в веществе, заполняющем камеру, служат центра-
ми, вокруг которых происходят конденсация пара (камера Вильсона),
закипание жидкости (пузырьковая
камера), образование искр в воздуш-
ном промежутке (искровая камера) и
т. п.
Камера Вильсона (рис. 67, а)
представляет металлический сосуд К
со стеклянным верхом С, в котором
находится поршень П (или резиновая
диафрагма), разделяющий камеру на
две части. Верхняя часть камеры за-
полняется смесью инертного газа
(гелий, аргон) и насыщенных паров воды и спирта, при быстром опу-
скании поршня газ в ней адиабатически расширяется, температура
его понижается и создаются условия для конденсации пара. Если
в этот момент в камере пролетает заряженная частица (например,
испукаемая радиоактивным препаратом Р), то она образует на своем
пути цепочку ионов, на которых происходит конденсация пара и об-
разуется трек из капелек тумана. Этот трек фотографируется с по-
мощью фотоаппарата Ф.
След частицы зависит от ее ионизирующей способности, поэтому
во многих случаях по нему можно определить и природу частиц. На-
пример, электроны оставляют тонкий изогнутый след, а-частицы —
толстый прямой след (рис. 67, б).
Частицы, не имеющие заряда, например у-фотоны или нейтроны,
почти не производят ионизации газа и потому не оставляют первичного
следа в камере. Они могут быть обнаружены по вторичным следам, ко-
торые образуют электроны или ядра отдачи, возникшие при взаимо-
действии частицы с атомами газа в камере. Следы вторичных электро-
нов, образовавшихся при прохождении через камеру узкого пучка
83
у-фотонов с высокой энергией, показаны на рис. 68, а, следы ядер ато-
мов водорода, испытавших столкновение е проходившими через камеру
нейтронами, — на рис. 68, б.
Для определения знака заряда-частицы камера Вильсона помещает-
ся в сильное магнитное поле, перпендикулярное плоскости дна каме-
ры. В этих условиях траектории заря-
женных частиц в камере принимают ду-
гообразную форму. На рис. 69, а приве-
дена фотография следа одиночного пози-
трона, на рис. 69, б — следы от пары
электрон-позитрон, образовавшейся в
камере (см. § 129).
Рис. 68
Следы в камере Вильсона позволяют судить также и о происходя-
щих в ней столкновениях частиц и ядерных реакциях (см. § 128).
Пузырьковая камера представляет сосуд, наполненный сжижен-
ным газом (водород, гелий) при высоком давлении и температуре,
близкой к точке кипения. Если в камере быстро снизить давление, то
жидкость оказывается перегретой. Тогда пролетающая через нее ио-
низирующая частица вызовет закипание жидкости и по пути движения
этой частицы образуется след из пузырьков газа, подобный следу в
камере Вильсона. Жидкая среда, заполняющая камеру, быстро замед-
ляет частицы, что дает возможность наблюдения частиц с высокой
энергией, которые оставляют слишком слабый след в камере Вильсона.
84
На явлении радиолюминесценции основано устройство флуорес-
цирующих экранов и кристаллических люминофоров, в которых части-
цы излучения возбуждают вспышки видимого света, называемые сцин-
тилляциями (см. § 134).
Метод толстослойных фотопластинок, разработанный советскими
учеными Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым, основан на том, что
быстро движущиеся внутри фотоэмульсии частицы при соударениях
активируют молекулы содержащегося в ней бромистого серебра ана-
логично действию света при обычной фотографии. При этом приме-
няются специальные толстослойные
f мелкозернистые эмульсии с повы-
I шейным содержанием бромистого
ь серебра. После проявления в эмуль-
s сии выявляются следы частиц, со-
| стоящие из зерен коллоидного се-
к ребра. Следы рассматриваются в
В микроскоп, характер их дает воз-
№ можность судить о массе, заряде
| и скорости движения, частицы.
Е На рис. 70, а приведена микрофо-
[ тография следов отдельных а-ча-
| стиц, а на рис. 70, б — потока бы-
!, стрых частиц.
| В биологии и медицине широко Рис- 71
| распространен метод авторадио-
Г графии. Он заключается в получении на фотопленке отпечатков при
контактном действии каких-либо тел, содержащих радиоактивные
к вещества (обычно это срез органа или ткани). По степени почернения
। фотоэмульсии можно определить содержание и распределение радио-
р активных веществ в исследуемом объекте. На рис. 71 приведена авто-
$ радиограмма среза щитовидной железы, содержащей радиоактивный
иод, сконцентрированный в фолликулах железы (черные точки на
* рисунке).
Ь Для более тонких исследований Межклеточного распределения ра-
| диоактивного вещества применяют метод гистоавторадиографии, при
котором приготовленный для микроскопирования срез ткани наблю-
дается под микроскопом совместно с его авторадиограммой.
£ Глава 24
5 ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
§ 128. Простейшие ядерные реакции
Взаимодействие данного атомного ядра с элементарной частицей
' или с другим ядром, в результате которого это ядро превращает-
j ся в ядро другого элемента, называется ядерной реакцией.
£ Впервые ядерную реакцию осуществил Э. Резерфорд (1919 г.).
L При бомбардировке ядер азота а-частицами, образующимися при рас-
Е 85
паде радия, присходило превращение ядер азота в ядра изотопа кис-
лорода с выбрасыванием протонов. Реакцию записывают так:
Ше + 4N+ |Н
Условная схема реакции дана на рис. 72, а (черные кружки — про-
тоны, белые — нейтроны). На рис. 73, а приведена фотография следов
в камере Вильсона, в которой происходит реакция. На одном из мно-
жества следов а-частиц имеется несимметричная вилка — след проис-
• протоны
онейтроны
Рис. 72
шедшей реакции: более тол-
стый и короткий след принад-
лежит ядру кислорода, более
тонкий и длинный — протону
(схема треков показана на
рис. 73 б).
Основные представления о
механизме ядерных’ реакций
были разработаны Н. Бором
и советскими физиками
А. И. Френкелем и Л. h. Лан-
дау. Для осуществления ядер-
йой реакции необходима вы-
сокая кинетическая энергия
частицы, вызывающей реак-
цию, обеспечивающая при
соударении ее с ядром сбли-
жение на расстояние дейст-
вия ядерных сил. При этом
частица поглощается ядром и
на момент образуется слож-
ное ядро, называемое проме-
жуточным или составным
(компаунд) ядром (рис. 72, б). Промежуточное ядро находится в воз-
бужденном состоянии — оно подобно капле кипящей жидкости; нук-
лоны находятся в интенсивном движении, сопровождающемся взаим-
ными столкновениями. Внутренняя структура ядра меняется. Проме-
жуточное ядро существует 10~и — 10-12 с; к концу этого периода меж-
ду нуклонами устанавливаются связи, образующие устойчивый ком-
плекс, а оказавшаяся «лишней» частица приобретает кинетическую
энергию, достаточную для отрыва ог ядра, и затем выбрасы-
вается из ядра подобно молекуле, испаряющейся из капли жидкости.
Приведем еще реакцию (Дж. Чедвик, 1932 г.), при которой впер-
вые из ядра атома был выделен нейтрон. Реакция происходила при
действии на ядра бериллия а-частицами (рис. 72, в), в результате по-
лучились ядра углерода и нейтроны:
42Не + «Be -> &аС + Jn-
Нейтрон — стабильная частица, однако в свободном состоянии он
долго не существует; он или сталкивается с ядром атома какого-либо
вещества и вызывает ядерную реакцию, или претерпевает радиоактив-
ен
ный распад: излучает ₽-частицу (электрон) и превращается в протон.
Период полураспада нейтронов Т)/2 = 12,8 мин.
Основным правилом при составлении уравнения ядерной реакции
является равенство в обеих его частях суммы верхних (массовых чисел)
и нижних (атомных номеров) индексов. Оно является выражением зако-
нов сохранения массы и заряда частиц, участвующих в реакции.
Сокращенно ядерные реакции записывают в виде формулы, состоя-
щей из четырех символов: исходное ядро, действующая частица, вы-
брасываемая частица, конечное ядро. Символы частиц заключают в
Рис. 73
скобки, а порядковый номер элемента опускают. Например, реакция
Резерфорда 14N(a, р)17О, реакция получения нейтрона 8Ве(а, п)1гС и т. д.
Ядерные реакции, вызываемые с помощью a-частиц, имеют только
исторический интерес. В настоящее время подобные реакции осу-
ществляются с использованием искусственно ускоренных частиц
(см. § 131), в частности протонов ]р и дейтронов Id (ядра тяжелого во-
дорода). Поток частиц направляется на тонкий слой вещества, на-
несенный на металлическую подложку и называемый мишенью. Падая
на вещество, частицы проходят через электронные оболочки атомов и,
соударясь с электронами, теряют энергию на ионизацию и возбужде-
ние. Отдельные частицы взаимодействуют также и с ядрами атомов.
В зависимости от энергии частицы могут наблюдаться следующие явле-
ния; а) при относительно невысокой энергии — упругое рассеяние
с перераспределением энергии между частицей и ядром; б) при большей
энергии — неупругое рассеяние, при котором часть энергии частицы
передается ядру или вызывает его возбуждение; ядро испускает
у-фотоныи возвращается в основное состояние; в) только при достаточ-
но высокой кинетической энергии частицы — ядерная реакция.
Таким образом, вероятность того, что падающие частицы за оп-
ределенный промежуток времени вызовут ядерную реакцию, весьма
мала. Отношение числа &N частиц, вызвавших реакцию, к общему
числу N частиц, падающих на вещество за соответствующий промежу-
ток времени, называется вероятностью* * или выходом реакции:
т) = A N/N.
* Вероятность реакции характеризуют также величиной, называемой
аффективным поперечным сечением реакции. Но на этом не останавливаемся.
87
Она зависит от природы и толщины слоя вещества на мишени, от
природы и энергии частиц, вызывающих реакцию, и может иметь по-
рядок 10-в — 10“8.
Большая вероятность ядерных реакций имеет место при действии
нейтронов. Не имея электрического заряда, они свободно проходят
электронные оболочки атомов и, соударяясь е ядрами, чаще вызывают
ядерные реакции.
В результате поглощения ядром у-фотона с высокой энергией мо-
жет произойти фотоядерная реакция (или ядерный фотоэффект), при
которой из ядра выбрасывается нуклон или а-частица и ядро превра-
щается в ядро другого элемента.
Ядерные реакции могут происходить как с выделением, так и с по-
глощением янергии. Если общая кинетическая энергия частиц, обра-
зовавшихся в результате реакции, больше общей кинетической энер-
гии частиц, вступивших в нее (т. е. потенциальная энергия нуклонов
при образовании нового ядра частично освободилась и перешла в ки-
нетическую энергию частиц), то энергетический баланс реакции счи-
тается положительным. Если наоборот, то — отрицательным.
Например, при реакции Резерфорда энергия а-частицы должна
быть не менее 7,7 Мэв, энергия ядра азота ничтожно мала; энергия
ядра кислорода, образовавшегося при реакции, 0,5 Мэв и энергия про-
тона порядка 6 МэВ. Энергетический баланс реакции отрицателен;
—1,2 Мэв на одно ядерное превращение.
Примером реакции с положительным энергетическим балансом
может служить реакция расщепления ядра атома линия на две а-час-
тицы, осуществленная Кокрофтом и Уолтоном (1932 г.) путем воздей-
ствия на ядро лития протоном, искусственно ускоренным до энергии
0,8 МэВ:
iLi + jH ->2(?Не)
Образовавшиеся в результате реакции а-частицы имеют кинетичес-
кую энергию 8,5 МэВ каждая. Следовательно, положительный энер-
гетический баланс реакции: (2-8,5 — 0,8)МэВ = 16,2 МэВ на одно
ядро лития. Осуществление этой реакции впервые показало возмож-
ность использования внутриядерной энергии.
Однако получение энергии подобным образом не является экономи-
чески оправданным в связи с крайне малой вероятностью реакции, так
как для расщепления только одного ядра лития надо подействовать на
литий не менее чем 10б протонами; на ускорение которых надо затра-
тить энергию порядка 0,5-105 МэВ.
Использование ядерной энергии получило практическое значение
только после открытия реакции деления ядер урана под действием
нейтронов.
§ 129. Реакции образования и аннигиляции пары
Позитрон и электрон как две античастицы (см. § 138) при соударе-
нии взаимодействуют и превращаются в два (или три) у-фотона
(рис. 74, а):
+ Це -+2hv'.
88
Реакция была названа реакцией аннигиляции (уничтожения) пары.
Это название не отражает сущности явления, которое имеет большое
значение для правильного понимания единой природы материи. В дан-
ном случае происходит превращение одной формы материи — частиц
вещества в другую форму — частицы поля (фотоны).
Это подтверждается тем, что имеет место и обратная ей реакция —
реакция образования пары, при которой у-фотон достаточно высокой
энергии, пролетая через вещество, под действием достаточно сильного
электрического поля вбли-
зи ядра атома превращает-
ся в пару электрон-пози-
трон:
hv"+ +?е.
Схема реакции дана на
рис. 74, б, треки в камере
Вильсона — на рис. 69, б.
При обеих реакциях
должно выполняться соот-
ношение Эйнштейна. Массе
покоя те электрона (или
позитрона) соответствует энергия Е„ = т/? — 0,51 МэВ. В первом
случае эта энергия сообщается каждому из двух фотонов, вследствие
чего они должны иметь частоту v' = EJh = 1,24- Ю20 Гц. Это под-
тверждается опытом
Во втором случае энергия фотона должна быть больше суммы энер-
гий, соответствующих массам покоя электрона и позитрона, или в пре-
деле равна ей, т. е.
hvv > 2-0,51 МэВ - 1,02 МэВ.
В противном случае реакция не происходит, что также подтверж-*
дается опытом. При более высокой энергии у-фотонов интенсивность
образования пар тем больше, чем выше атомный номер вещества, в ко-
тором происходит реакция.
§ 130. Искусственные радиоактивные изотопы
Французские ученые Ирен и Фредерик Жолио-Кюри установили
(1934 г.), что при ядерных реакциях, осуществляемых с помощью
а-частиц, могут получаться радиоактивные изотопы элементов. Они от-
крыли три подобных изотопа, которые назвали радиофосфором, ра-
диокремнием и радиоазотом. Радиофосфор, например, был получен
при действии а-частицами на алюминий: jHe + 13AI -> 1ЕР + In.
Образовавшийся при этом изотоп фосфора довольно быстро (Т1/2 ==
= 3 мин 15 с), излучая позитроны, превращается в устойчивый изо-
топ кремния: ?gP -> uSi + +Je.
В настоящее время радиоактивные изотопы в небольших количест-
вах получаются в ускорителях с помощью дейтронов Id. Например,
радиоактивный изотоп углерода ПС из бора — по реакции 10В (d, n)uC,
89
Рис. 7S
радиоактивный изотоп натрия MNa из магния — по реакции
MMg (d, a)24Na и т. д.
Радиоактивные изотопы в относительно больших количествах об-
разуются в атомных реакторах преимущественно путем облучения ста-
бильного изотопа какого-либо элемента нейтронами. Для этого изотоп
помещается в специальный канал в стенке реактора вблизи от актив-
ной зоны. Поглощая нейтроны, стабильный изотоп превращается в
радиоактивный изотоп того же эле-
мента. Общее уравнение реакции
zX + on
Таким образом, могут быть полу-
чены почти все радиоактивные изо-
топы, применяемые в медицине, на-
пример радиоактивный кобальт:
27С0 + Jn -> 27С0
Радиоактивный кобальт распадает-
ся с испусканием 0-излучения (элек-
троны) с невысокой энергией и пре-
вращается в изотоп никеля:
SJCo ->(S§Ni)* + -?е.
Ядро никеля оказывается в возбужденном состоянии; переход его
в основное состояние сопровождается излучением у-фотонов с энергия-
ми 1,17 и 1,33 МэВ (рис. 75), что соответствует излучению при распаде
радия (см. § 123). Таким образом, радиоактивный кобальт может слу-
жить его полноценным заменителем в лечебном применении. Период
полураспада кобальта Т\/? = 5,3 года.
Аналогичным путем получаются радиоактивные изотопы фосфора,
натрия и т. д. по реакциям 31Р (п, — )82Р; 23Na (п, —)24Na и т. д.
Один и тот же радиоактивный изотоп может быть образован при
различных реакциях. Например, изотоп фосфора 82Р кроме указан-
ной — по реакциям 81Р (d, р)32Р или 82S (п, р)32Р и т. д.
Радиоактивные изотопы могут быть получены также путем выде-
ления их из продуктов деления ядер урана, содержащихся в отрабо-
танных стержнях уранового реактора, например радиоактивный иод.
Радиоактивные изотопы широко применяются в медицине для ле-
чебных, диагностических и исследовательских целей.
Радиоактивный кобальт используется для лечения злокачествен-
ных новообразований в качестве у-излучателя, заменяющего радий.
Для этой цели радиоактивный кобальт помещают в специальный облу-
чатель, называемый кобальтовой или у-пушкой. Имеются аппараты,
содержащие кобальт в количестве, эквивалентном 400 г радия. На
рис. 76, а показана процедура облучения, на рис. 76, б — разрез об-
лучателя. На рисунке обозначено: К — свинцовый шар для хранения
радиоактивного кобальта, Т — тубус, через который производится
облучение, О — основание тубуса, к которому при помощи рычага
90
М с дистанционным управлением передвигается за время процедуры
радиоактивный препарат /7.
Радиоактивный кобальт применяют также для внутритканевого
облучения, при этом в ткань вкалывается игла, содержащая тонкий
штифт из радиоактивного
кобальта.
Для лечебных целей
используют также радио-
активные изотопы фосфора
(лечение болезней крови),
иода (лечение болезней
щитовидной железы) и др.
Лечебное действие их ос-
новано на том, что, будучи
приняты per os, эти ве-
щества концентрируются в
соответствующих органах
и тканях, где, распадаясь,
действуют своим излуче-
нием на окружающие тка-
ни. Например, радиоак-
Рис. 76
тивный фосфор концентри-
руется в компактном веществе трубчатых костей. Распадаясь по
реакции
IIP->^S + _1e,
он облучает электронами находящийся в канале кости костный мозг
и этим нормализует нарушенное кроветворение.
Радиоактивный иод 1311 накапливается в щитовидной железе и,
распадаясь, облучает ее «изнут-
ри» 0-частицами.
Радиоактивные изотопы при-
меняются также для диагности-
ческих и исследовательских це-
лей. Будучи введены в организм
в малых, безопасных для здо-
ровья количествах, они, распа-
даясь, дают слабое у-излучение,
которое можно улавливать с
помощью соответствующих при-
боров и таким образом непре-
рывно следить за этими вещест-
вами в организме. Атомы радио-
Рис. 77 активных изотопов, применяе-
мых для этой цели, называют
радиоактивными индикаторами или мечеными атомами. При их по-
мощи изучают содержание различных веществ в тканях и органах,
процессы их обмена, функции различных органов и т. п. Ценность
метода заключается в том, что все наблюдения производятся без нару-
шения нормальной жизнедеятельности организма.
Я
Радиоактивный иод широко применяется также в качестве диагнос-
тического средства при заболеваниях щитовидной железы и опухолях
головного мозга. Кроме p-излучения этот изотоп дает у-излучение
с энергией фотонов 0,37 МэВ, которое проникает сквозь ткани организ-
ма и может быть обнаружено в помощью счетной трубки (см. § 136).
По показаниям счетчика определяют скорость накопления и конечную
концентрацию радиоактивного иода в щитовидной железе или в ткани
опухоли головного мозга, что служит необходимым диагностическим
признаком. На рис. 77 показана процедура исследования больной
с заболеванием щитовидной железы (Т — счетная трубка).
Приведем некоторые данные, характеризующие наиболее употре-
бительные в медицине искусственные радиоактивные изотопы:
Изотоп Обозначение Вид излучения Период по- лураспада Область применения
Углерод чс 5500 лет Обмен веществ
ЧС K+ 20 мин То же
Азот »?N в+ 10 мин >
Кислород р+ 2 мии Окислительные процессы
Натрий “Na У 15 ч Обмен веществ, скорость кровотока
Фосфор ??Р- 0“ 14 дней Обмен веществ, терапия болезней крови
Сера !is ПСа ₽‘ 87 дней Обмен веществ
Кальций ₽- 150 дней То же
Железо |«Fe s’?Co у 45 дней >
Кобальт Р". 7 5,3 года Терапия злокачествен- ных образований
Иод у 8 дней Диагностика заболева- ний щитовидной железы
Ксенон xf®Xe ₽“» У 2,3 дня Вентиляция легких
Золото 4gAu Р~. у 2,7 дня Терапия злокачествен- ных образований
§131. Ускорители частиц
Первый ускоритель для заряженных частиц (генератор Ван-де-
Граафа) был построен в 1931 г. В нем частицы (протоны, ядра гелия)
ускорялись электрическим полем при пробеге вдоль прямой длинной
вакуумной трубки, между электродами которой с помощью специаль-
ного электростатического генератора создавалась разность потенциа-
лов порядка (1—2)10® В.
В 1934 г. Э. Лоуренсом был изобретен ускоритель, названный цикло-
троном, в котором частицы ускоряются при движении по окружности.
Схема устройства циклотрона показана на рис. 78 (а — разрез;
б — вакуумная камера в плане). Ускоритель представляет плоскую
круглую вакуумную камеру К, в которой расположены электроды в
виде двух половин цилиндрической коробки Д, называемые дуантами.
В центре камеры помещается источник Е ускоряемых частиц (например,
для получения протонов — электрическая дуга в атмосфере водорода).
Камера помещается между полюсами сильного постоянного магнита
92
М, поле1 которого перпендикулярно плоскости расположения камеры.
Под действием этого поля траектория частиц в камере принимает фор-
му спирали (на рис. 78, б показана пунктиром). На дуанты подается
переменное напряжение от генератора УВЧ, которое в промежутках
между ними создает электрическое поле, ускоряющее частицу (на-
правление поля изменяет знак на обратный каждый раз, когда части-
цы пролетают через противолежащие промежутки). Так постепенно
частицы ускоряют до необ-
ходимой энергии. По окон-
чании цикла ускорения ча-
стицы отклоняются элек-
тродом Э и выпускаются в
окошко О.
Протоны в циклотроне
можно ускорять до энергии
порядка 20 МэВ. При уско-
рении до более высоких
энергий начинает прояв-
ляться релятивистское воз-
растание их массы, что вы-
зывает увеличение периода
обращения (см. §41). Для
преодоления этого затруд-
нения необходимо или по-
вышать индукцию магнит-
ного поля, что компенси-
рует возрастание массы ча-
стиц, или изменять частоту
ускоряющего электриче-
ского поля. В первом слу-
чае ускоритель называют Рис. 78
синхротроном, во вто-
ром — синхроциклотроном или фазотроном’, если применяются одно-
временно оба способа, то — синхрофазотроном. На рис. 79 показан
фазотрон Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ)
в г. Дубне. На рисунке обозначено: / — обмотка электромагнита
(в металлическом корпусе), 2—полюсные наконечники, 3—ускоритель-
ная камера, 4 — электрический высокочастотный генератор. Диаметр
полюсных наконечников 6 м. Вес электромагнита 7 тыс. тонн. Уско-
ритель предназначен для ускорения протонов, дейтронов и а-частиц
до энергии порядка 500—700 МэВ. Синхрофазотрон, также построен-
ный в г. Дубне, ускоряет протоны до 10 ГэВ (J0 млрд. эВ), серпуховс-
кой — до 76 ГэВ.
Несколько иначе устроены ускорители для электронов, называе-
мые бетатронами. Схема устройства дана на рис. 80. Бетатрон пред-
ставляет кольцевую вакуумную камеру К, расположенную между по-
люсами Л4 сильного Ш-образного электромагнита, питаемого перемен-
ным током. Переменное поле магнита по закону индукции создает вих-
ревое электрическое поле, которое ускоряет электроны. Электроны (от
93
источника Е) вводятся в камеру в начальный момент периода пере-
менного напряжения и, двигаясь по окружности, ускоряются в течение
1/4 периода; пока магнитное поле не достигнет максимального значе-
ния в данном направлении. За это время они успевают сделать несколь-
ко сотен тысяч оборотов. Через 1/4 периода, когда магнитное поле на-
чинает убывать, а электрическое поле изменяет знак, поток электронов
с энергией порядка 100 МэВ отклоняется дефлектором П и выпускается
из камеры.
80 Рис. 81
Ускорители широко используются в современной физике при
изучении элементарных частиц (см. § 138), многие из которых об-
разуются при взаимодействии протонов с высокой энергией.
94
Ускорители применяются также и в медицине для лучевой терапии
глубоко расположенных злокачественных образований. При этом ис-
пользуются как непосредственно узкие протонные или электронные
пучки, так и сверхжесткое рентгеновское излучение, которое возни-
кает при торможении электронного пучка от бетатрона на специаль-
ной металлической мишени. Бетатрон с энергией излучения порядка
15 МэВ, применяемый для лечебных целей, показан на рис. 81.
§ 132. Термоядерные реакции
Реакции укрупнения легких ядер или, например, синтеза ядра
гелия из протонов требует сближения частиц на расстояние порядка
действия ядерных сил (1013 см). Это возможно при соударении частиц
с достаточно высокой кинетической энергией (миллиарды электрон-
вольт), но это будет лишь единичная реакция. Массовые соударения та-
кого характера можно осуществить только в процессе теплового дви-
жения частиц при сверхвысоких температурах порядка десятков мил-
лионов градусов. Ядерные реакции, требующие подобных условий,
называются термоядерными.
Примером термоядерной реакции может быть синтез ядра гелия
нз ядер дейтерия и трития:
Ш + ?Н ->Ше+ Ьп.
При реакции выделяется энергия 17,6 МэВ (на 1 г смеси это составляет
80 млн. ккал, т. е. в четыре раза больше, чем при делении ядер 1 г
урана). Температурные условия, необходимые для этой реакции в
земных условиях, достигнуты пока только при взрыве урановой бомбы,
а сама реакция положена в основу устройства водородной бомбы.
Советские ученые ведут работы по осуществлению управляемой
термоядерной реакции. Для этого используется мощный электрический
разряд в разреженной смеси дейтерия и трития, при котором ток в те-
чение миллионных долей секунды достигает сотен тцтсяч ампер. Под
действием магнитного поля, образуемого током, газоразрядная плазма
сжимается в узкий шнур; окружающий его вакуум предупреждает
теплопотери во внешнюю среду, что обеспечивает возможность дости-
жения внутри плазменного шнура необходимых высоких температур.
В этих условиях удалось осуществить единичные акты указанной реак-
ции.
Глава 25
ДОЗИМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
§ 133. Действие ионизирующего излучения на вещество
Радиоактивное (альфа-, бета-, гамма-) и жесткое рентгеновское из-
лучение, а также потоки протонов и нейтронов объединяются под
общим названием ионизирующего излучения.
Действие на вещество рентгеновского и радиоактивного излучений
было рассмотрено в § 115, 126. В области частиц ‘с высокой энергией
к этому необходимо добавить следующее.
95
Альфа- и бета-частицы о высокой энергией отрывают от атомов не
только валентные электроны, но и электроны с глубоких оболочек, что
вызывает характеристическое излучение в рентгеновском диапазоне,
поглощаемое внутри самого вещества. Выбитые электроны образуют
вторичные электроны с высокой энергией, которые могут интенсивно
ионизировать и "
жении 0-частиц
ядра протона
или ядерную
на вещество
высокой энер-
возбуждать атомы и молекулы вещества. При тормо-
и вторичных электронов с достаточно высокой энер-
гией в поле ядер атомов с вы-
соким порядковым номером
возможно возбуждение тор-
мозного рентгеновского излу-
чения, которое также погло-
щается в самом веществе.
Отдельные частицы - могут
сталкиваться с ядрами атомов
и вызывать возбуждение 'яд-
ра, ядерный фотоэффект (вы-
брасывание из
или нейтрона)
реакцию.
Действие
у-излучения с
гией фотонов сходно с дейст-
вием жесткого рентгеновско-
го излучения. В основном при
этом имеют место фотоэффект
и комптоц-эффект. При энер-
гии фотона свыше 1 Мэв к
этим явлениям может присое-
диниться образование пар.
Соотношение интенсивностей
этих процессов зависит рт
природы вещества и энергии
фотонов.
Ослабление пучка у-излучения при взаимодействии с веществом
подчиняется закону Бугера. Обычно при этом учитывают показатель
поглощения рп, равный сумме трех коэффициентов, характеризую-
щих поглощение при фотоэффекте рф, комптон-эффекте рк и образо-
вании пар ре : рп = рф + рк + ре.
В веществах С высоким атомным номером, например в свинце, при
энергиях фотона меньше 1 Мэв в основном происходит фотоэффект, при
средних энергиях (2—5 МэВ) — комптон-эффект и при больших энер-
гиях основное значение приобретает образование пар. В результате
коэффициент поглощения рп с возрастанием энергии фотонов е снача-
ла падает вследствие снижения интенсивности фотоэффекта, а затем
увеличивается за счет образования пар (рис. 82, а).
Для веществ с невысоким атомным номером, например воды, фото-
эффект происходит только при энергии фотонов меньше 0,1 МэВ. При
энергии фотонов до 1—2 МэВ основное значение имеет комптон-эффект,
96
за счет которого коэффициент поглощения ро с возрастанием энергии
фотонов е постепенно снижается (рис. 82, б). Образование пар играет
заметную роль только при высокой энергии фотонов порядка 10—
20 Мэв.
В воздухе фотоэффект наблюдается только при энергии фотонов
до 0,01—0,02 МэВ, при большей энергии в основном происходит комп-
тон-эффект, при энергии порядка 30—40 МэВ к этому может присоеди-
ниться образование пар.
К ионизирующему излучению относят также потоки протонов и ней-
тронов. Скорость и энергия протонов, выбрасываемых при ядерных
реакциях, проникающая и ионизирующая способности этих частиц та-
кие же, как у а-частиц. Нейтроны, выбрасываемые при ядерных
реакциях, имеют начальную скорость порядка 3-10® см/с и энергию
до 4—5 МэВ. Из-за отсутствия заряда первичная ионизирующая спо-
собность у них низкая, проникающая — соответственно высокая.
Ионизирующий эффект от действия нейтронов на вещество является
следствием главным образом вторичных процессов.
При соударении нейтронов с ядрами атомов могут происходить их
упругое рассеяние, неупругое рассеяние и захват нейтрона ядром (ра-
диационный захват). При упругом соударении, особенно с ядрами лег-
ких элементов, нейтрон передает ядру часть кинетической энергии.
Ядро, называемое в данном случае ядром отдачи, за счет полученной
энергии производит вторичную ионизацию, которая благодаря нали-
чию у ядра заряда может быть весьма интенсивной. Так как ткани ор-
ганизма содержат много водорода, то, взаимодействуя в ними, нейтро-
ны быстро теряют свою энергию и, образуя ядра отдачи (протоны),
вызывают значительную ионизацию.
При неупругом соударении ядро за счет полученной от нейтрона
энергии возбуждается и испускает один или несколько у-фотонов.
Если нейтрон поглощается ядром, то происходит ядерная реакция,
преимущественно — превращение ядра в его радиоактивный изотоп
с последующим 0-распадом и излучением у-фотона. В тканях организма
при этом часто образуются, дейтерий по реакции *Н (п, у)Н®, радиоак-
тивные изотопы натрия 23Na(n, y)24Na и фосфора 31Р (п, у)32Р, а также
углерода МС из изотопа азота MN по.реакции WN (п, р)иС и др.
Действие ионизирующих излучений может вызвать также наруше-
ние структуры молекул веществ. В качестве примера можно указать
радиолиз воды, .который заключается в ионизации и затем распаде ио-
низированной молекулы воды с образованием ненасыщенных радика-
лов Н и ОН, не несущих электрических зарядов, но имеющих ненасы-
щенные валентности и поэтому обладающие исключительно высокой
химической активностью, при этом образуются также соединения типа
Н2Оа или НО2 (гидропероксид), являющиеся сильными окислителями.
В тканях организма первичные процессы ионизации при действии
ионизирующих излучений не вызывают больших поражений. Токсичес-
кое действие излучения связано, по-видимому, со вторичными реакция-
ми, при которых происходит разрыв связей внутри сложных органи-
ческих молекул. Возможно также образование активных биохимичес-
ких продуктов, являющихся катализаторами для вторичных реакций
4 н, М, Лввеицев 97
уже биологического порядка, которые развиваются лавинообразно по
типу цепной реакции и приводят к состоянию организма, которое назы-
вается лучевой болезнью.
§ 134. Дозиметрия рентгеновского и гамма-излучений.
Измерение активности радиоактивных изотопов
Действие на вещество обусловлено только той частью падающего
на него излучения, которая , взаимодействуя с атомами и молекулами
вещества, при этом поглощается. Поэтому основной характеристикой
излучения, учитывающей действие его на вещество, является энергия
излучения, поглощенная единицей массы вещества за время облучения.
Эта величина называется дозой излучения или поглощенной дозой излу-
чения Dn.
Единица дозы излучения — джоуль на килограмм (Дж/кг)*.
Джоуль на килограмм есть доза излучения, при которой облученному
веществу массой в 1 кг передается энергия ионизирующего излуче-
ния в 1 Дж.
Применяется также внесистемная единица — рад**. Рад — доза
ионизирующего излучения, при которой 1 кг облучаемого вещества
поглощает энергию 0,01 Дж; 1 рад = 10“* Дж/кг.
Поглощенная доза зависит как от Природы и свойств излучения
(в частности, от энергии частиц), так и от природы вещества, в котором
оно поглощается.
Непосредственное измерение поглощенной дозы излучения в ве-
ществе и особенно в тканях живого организма затруднительно. Для
количественной характеристики рентгеновского или у-излучения, дей-
ствующего на объект, вводят величину, называемую экспозиционной
дозой Do, которая является дозой, поглощенной в воздухе в аналогич-
ных условиях облучения. Она измеряется непосредственно над поверх-
ностью облучаемого объекта. От экспозиционной дозы с помощью
соответствующих коэффициейтов (см. далее) переходят к дозе, пог-
лощенной в объекте. Экспозиционную дозу определяют по ионизи-
рующему действию излучения в воздухе.
Единица экспозиционной дозы — кулон на килограмм (Кл/кг).
Кулон на килограмм есть экспозиционная доза рентгеновского и у-
излучений, при которой в результате полной ионизации на 1 кг сухо-
го воздуха образуются ионы, несущие заряд в один кулон электричества
каждого знака. Полная ионизация подразумевает эффект как от пер-
вичного действия самого излучения, так и от всех происходящих при
этом вторичных процессов, в частности от действия вторичных элект-
ронов и ядер отдачи (см. § 115, 126 и 133).
Применяется также внесистемная единица — рентген (Р). Рентген
есть экспозиционная доза рентгеновского и у-излучений, при которой
в результате полной ионизации на 0,001293 г чистого сухого воздуха
* Согласно ГОСТу «Единипы физических величии» эта единица получила
наименование грей (ГА).
** Сокращение от английского термина «radiation absorbed dose».
98
образуются ионы, несущие заряд в 1 ед. заряда СГС каждого знака;
1 Р = 2,58- IO’4 Кл/кг.
Рентгену дают такое определение*: это доза рентгеновского и у-
излучений, которая в результате полного ионизирующего действия в
1 смэ чистого сухого воздуха при 0° С и нормальном давлении образует
округленно 2 млрд, пар ионов.
Действие излучения, в особенности на ткани организма, зависит не
только от общей дозы поглощенного излучения, но и от скорости на-
растания дозы, т. е, от величины dDIdt. Для количественной характе-
ристики этого явления вводится понятие мощности дозы излучения.
Мощность дозы излучения есть величина, измеряемая дозой, погло-
щаемой объектом за единицу времени. При достаточно равномерном
действии излучения мощность дозы Р численно равна отношению дозы
ДД излучения к промежутку времени Д/ действия излучения:
Р = ДД/ДЛ
Единицами мощности дозы излучения являются: для поглощенной
дозы — ватт на килограмм (Вт/кг) и рад в секунду (рад/с); для экспо-
зиционной дозы — ампер на килограмм (А/кг) и рентген в час (Р/ч)
или микрорентген в секунду (мкР/с).
Еели известна экспозиционная доза До в рентгенах, которой облу-
чается объект, то с помощью переходного коэффициента f, который
обычно определяется опытным путем на моделях (фантомах), можно
найти поглощенную в объекте дозу Дп в радах:
DB ~ fDg,
Коэффициент f зависит главным образом от атомного номера и плот
ности вещества объекта, в меньшей степени — от энергии фотонов-
Например, для воды и соответственно для мягких тканей тела челове-
ка коэффициент f мало зависит от энергии фотонов и округленно мо-
жет быть принят равным единице (/тн « 1). Таким образом, для воды
и близких к ией по свойствам мягких тканей тела человека поглощен-
ная доза в радах численно равна экспозиционной дозе в рентгенах.
Для костной ткани коэффициент fK — 2—5 (меньшие значения соот-
ветствуют большей энергии фотонов).
Биологическое действие различных видов ионизирующего излуче-
ния отличается. В связи с этим в дозиметрию вводится величина, назы-
ваемая биологической дозой Do излучения. Единицей ее является био-
логический эквивалент рада — бэр. Бэр равен энергии любого вида
ионизирующего излучения, которое по своему биологическому дейст-
вию эквивалентно 1 рад рентгеновского или у-излучения.
Биологическая доза излучения в бэрах численно равна произведе-
нию поглощенной дозы в радах на коэффициент, называемый относи-
тельной .биологической эффективностью т] излучения'.
Do = п£>п.
* Это определение связано с тем, что число 0,001293 г представляет массу
1 см* чистого сухого воздуха при 0° С и давлении 760 мм рт. ст., а 1 ед, заряда СГС.
равная 3,3 10~9 Кл, соответствует заряду 2,09 > 10е ионов одного знака.
*’ 9»
Приведем значения коэффициента t] для некоторых видов излучений:
Рентгеновское, у- и р-излученне............с • . 1
Медленные нейтроны.............................. 5
Быстрые нейтроны, протоны . . . . . 0 о . • 10
Альфа-частицы ....... s....................... 20
Единицей активности радиоактивных изотопов (см. § 124) является
распад в секунду (расп./с). Чаще применяется специальная единица —
кюри (Ки). Кюри есть активность радиоактивного изотопа, в котором
происходит 3,7-101® расп./с.
Для изотопов, излучающих при распаде у-фотоны, активность свя-
зана с мощностью экспозиционной дозы определенным соотношением,
так как при каждом распаде излучается один (или несколько) фотои.
Для источника излучения точечной формы мощность экспозиционной
дозы пропорциональна активности А источника и обратно пропор-
циональна квадрату расстояния R2 от источника излучения до места
определения дозы:
Р = KyA/R2.
Коэффициент пропорциональности Кт называется гамма-постоянной
радиоактивного изотопа и зависит от его природы. Значения гамма-
постоянной относят к активности А, выраженной в милликюри, рас-
стоянию R — в сантиметрах и мощности дозы — в рентгенах в чае.
§ 135. Дозиметры
Прибор для измерения экспозиционной дозы (или мощности дозы)
рентгеновского или у-излучения называют дозиметром, или рентгено-
метром. Он состоит из двух основных частей: ионизационной камеры
и измерительного устройства.
Ионизационная камера представляет закрытый металлический или
пластмассовый сосуд, заполненный сухим чистым воздухом (или газом—
аргоном, водородом и т. п.) под атмосферным или несколько понижен-
ным давлением. В камере расположены два электрода (вторым элект-
родом Часто служит корпус камеры), к которым подводится постоян-
ное напряжение. При измерении камера подвергается действию излу-
чения, которое ионизирует газ, заполняющий.камеру.
Дозиметры разделяют на две группы: 1) приборы, в которых изме-
ряется заряд, образовавшийся в ионизационной камере под действием
излучения. По устройству это чаще конденсаторные дозиметры,
измерительным прибором служит электрометр, шкала которого гра-
дуируется в единицах экспозиционной дозы; 2) приборы, в которых
измеряется ток, возникший в ионизационной камере под действием из-
лучения. По устройству они чаще бывают электронно-ламповые и шкала
их градуируется в единицах мощности экспозиционной дозы. Если од-
новременно измерить также время действия излучения, то в обоих
случаях можно определить и дозу, и мощность дозы. В конденсатор-
ном дозиметре (рис. 83), имеющем ионизационную камеру К о рабочим
объемом V, расположен электрод 3, соединенный с чувствительным
100
электрометром Е. Перед измерением электрод вместе о электрометром
заряжают от источника постоянного напряжения до некоторого по-
тенциала <рх. При этом на них образуется заряд qt — Сфх, где С —
емкость электрода вместе а электрометром. Затем камеру подвергают
облучению. Ионы, образовавшиеся в газе под действием излучения и
противоположные по знаку заряду электрода, притягиваются к нему
и частично нейтрализуют его заряд. Последний уменьшается до дг, при
этом снижается и потенциал электрометра до <р2.'По разности потен-
циалов <рх—<р2 определяют заряд &q, который образовался в камере
под действием излучения: Aq— qt — q2 =
= С (фх — ф2). Соответствующая экспо-
зиционная доза
Do = &q/V = С (фх — ф2)/У =
= k (фх — фа),
где k — коэффициент пропорционально-
сти, устанавливаемый при градуировке
прибора.
Таким образом, доза £>0 находится по
разности показаний электрометра в на-
чале и конце измерения.
Объем ионизационной камеры должен
быть достаточен, чтобы обеспечить необ-
Рис. 83
ходимую длину пробега вторичных элек-
тронов, обусловливающих полную иони-
зацию воздуха в камере, как это предусматривается определением
рентгена.
С помощью дозиметра можно измерить также и активность у-излу-
чающих изотопов. Для этого изотоп по возможности в форме точечного
источника помещают на определенном расстоянии от центра иониза-
ционной камеры. Затем измеряют мощность дозы и вычисляют актив-
ность вещества по формуле, приведенной в § 136.
G помощью ионизационной камеры и электрометра можно измерить также
активность а- и ^-излучающих изотопов. В медицинских лабораториях для этой
цели часто пользуются электрометром СГ-2М, к которому прилагается иониза-
ционная камера (рис. 84: а — схема, б — общий вид). В электрометре Э между
электродами П подвешена вертикально на кварцевых дужках металлизирован-
ная кварцевая нить, в средней части которой имеется коромысло Д с метками
по краям. Если нити Н и электродам П сообщить одинаковый потенциал, то
коромысло отталкивается от электродов и нить закручивается на угол, пропор-
циональный потенциалу нити по отношению к корпусу прибора. При этом изо-
бражение одной из меток перемещается вдоль окулярной шкалы микроскопа М,
который является необходимой принадлежностью электрометра При измерении
активности электрометр Э снимают с основания, вставляют в него снизу элект-
род К и укрепляют сверху камеры И Альфа-препараты помещают внутри ка-
меры, бета-препараты — под дном камеры на подставке Р. Электрометр заряжают
от сухой батареи и наблюдают скорость его разряда под действием излучения
от препарата Аналогичное измерение производят со стандартным препаратом
известной активности. По соотношению результатов измерений вычисляют ак-
тивность исследуемого препарата.
101
Конденсаторные дозиметры весьма чувствительны и точны. Они не-
удобны тем, что применение электрометра с кварцевой нитью требует
Наблюдения с помощью микроскопа. Поэтому в некоторых приборах
электрометр заменяют электронно-ламповым устройством, которое
позволяет более просто, хотя и менее точно, измерить изменение потен-
Рис. 84
циала на электроде ионизационной камеры. В качестве примера опи-
шем дозиметр (тип КИД-1), предназначенный для измерения небольших
доз рентгеновского или -p-излучения в процессе индивидуального конт-
роля для работающих с ионизирующим излучением в лабораторных
условиях.
рис. 85
Дозиметр (рис. 85) состоит из набора 20 или 50 ионизационных камер
(рис. 85, б) и измерительного пульта. Камера (рис. 86) по форме напо-
минает авторучку; при измерениях ее носят в наружном грудном кар-
мане халата. Камера сдвоена для измерения в диапазонах 0,02—0,2 Р
(электрод 2) и 0,2—2 Р (электрод 3) с общим корпусом — / из электро-
проводной пластмассы. Каждый из электродов вместе с соответствую-
182
22Z2ZZZEZZZ22ZZZZZZZZ2^Z^^^
I/
Рис. 86
Рис. 87
щей частью корпуса камеры образует цилиндрический конденсатор.
Камеры по торцам закрываются крышками 4. С одного конца камера
снабжена зажимом 5.
Камера содержит небольшой объем воздуха, но стенки ее сделаны
из легко ионизирующегося «воздухоэквивалентного» вещества (баке-
лит, плексиглас и т. п.). Электроны, образовавшиеся при ионизации
воздуха внутри камеры и поглощенные вещест-
вом ее стенок, компенсируются электронами, ко-
торые образовались под действием излучения
в стенках и выброшены внутрь камеры. Таким
образом, в камере обеспечиваются условия пол-
ной ионизации. Подобные ионизационные каме-
ры (малого объема) называются наперстковыми.
Измерительный пульт (рис. 85, а) питается
от осветительной сети и состоит из зарядной и
измерительной частей. Зарядная часть содержит
источник постоянного напряжения, которое по-
лучается путем выпрямления и стабилизации
напряжения сети. От этого напряжения в на-
чале рабочего дня заряжаются электроды дозиметрических камер.
Для этого камера (со снятыми крышками) вставляется в левое гнездо
3 пульта.
В конце рабочего дня, для того чтобы установить дозу, полученную
камерой и, следовательно, человеком, у которого она находилась, изме-
ряют напряжение на электродах камеры и, сравнивая его о напряже-
нием при заряде камеры, устанавливают искомую дозу. Для этого ка-
Рис. 88
Рис. 89
Г
103
мера со снятыми крышками вставляется поочередно концами в гнездо
И пульта. Доза определяется по шкале измерительного прибора Г.
Устройство дозиметра, схема которого дана на рис. 87, основано на
измерении тока в ионизационной камере. Напряжение между электро-
дами камеры ИК должно быть-достаточно высоким, чтобы обеспечить
ток насыщения, т. е. условия, при которых сила тока в камере зави-
сит только от числа ионов, образующихся под действием излучения в
единицу времени. При этом сила тока пропорциональна мощности до-
зы излучения, действующего на камеру. Этот ток настолько мал, что
непосредственное измерение его затруднительно. Обычно в таких при-
борах в цепь электродов
—о-» - ионизационной камеры
включают резистор доста-
точно большого сопротив-
г>лП" —г ления R, напряжение на
котором подается на вход
усилителя. В выходную
цепь усилителя включен
измерительный прибор Г.
ие’ Для контроля защиты
f ' помещений от рентгенов-
ского и у-излучения в лечебных радиологических и рентгено-терапев-
тических' отделениях применяют дозиметр ДКЗ-1 (рис. 88), который
питйется от сухих батарей, а также дозиметр МРМ-1 (рис. 89) с пита-
нием от осветительной сети.
При лечебных процедурах глубокой рентгене- или у-лучевой терапии
применяют дозиметр, показанный на рис. 90. Он состоит из измери-
тельного пульта П (прибор показывает дозу облучения) и нескольких
отдельных ионизационных камер ИК для различных диапазонов
энергии фотонов.
§ 136. Счетчики частиц
Приборы, регистрирующие частицы ионизирующего излучения,
называются счетными установками или счетчиками частиц. Они при-
меняются для определения активности источников излучений, а
также для регистрации частиц излучения радиоактивных изотопов
(«меченых атомов»), вводимых в организм с диагностическими или ис-
следовательскими целями. По принципу действия счетчики частиц
делятся на газоразрядные и сцинтилляционные.
Наиболее распространенный в настоящее время газоразрядный
счетчик состоит из счетной трубки и измерительного или регистрирую-
щего устройства. Принцип действия его заключается в том, что попа-
дающая в трубку ионизирующая частица вызывает импульс тока га-
зового разряда, который соответствующим образом регистрируется.
Счетная трубка — это герметически закрытая стеклянная или метал-
лическая трубка, наполненная газом под атмосферным или понижен-
ным давлением. В трубке расположены два электрода: анод в виде ни-
ти, натянутой по оси трубки, и катод в виде концентрического ей
цилиндра, к которым приложено постоянное напряжение.
104
Рис. 91
Рассмотрим процессы, происходящие в счетной трубке, используя
при этом вольт-амперную характеристику разряда в газе (рис. 91).
Попадая в трубку, а- или 0-частицы производят в ней первичную ио-
низацию газа. Падающие на трубку у-фотоны поглощаются преиму-
щественно стенками трубки, где и производят ионизацию; выбиваемые
электроны частично попадают внутрь трубки и также производят в ней
первичную ионизацию газа.
Первичной ионизации на характеристике соответствует участок из-
менения напряжения между электродами от Одо (/2, при этом возника-
ет несамостоятельный разряд. Однако эффект от ионизации газа одной
частицей (даже альфа-частицей) настолько мал, что зарегистрировать
его непосредственно не представляет-
ся возможным. (Участок от U1 до U2
— это режим работы дозиметра
рентгеновского и у-излучений.)
Для образования импульса тока
необходимо обеспечить в трубке усло-
вия для вторичной ионизации, основ-
ным из которых является достаточно
высокое напряжение между электро-
дами.
Вторичная ионизация начинается
при напряжении U2. Эффект от нее
характеризуется коэффициентом газо-
вого усиления, равным отношению полного числа ионов и электронов,
нейтрализующих заряд на электродах в единицу времени, к числу
ионов, образующихся первично. На участуе И2 — Ut он имеет поря-
док десятков тысяч, причем разряд продолжает быть несамостоятель-
ным. . - -
На участке напряжений U2 — Ut вторичная ионизация становится
настолько интенсивной (коэффициент газового усиления достигает со-
тен тысяч), что достаточно появиться в трубке хотя бы одному элект-
рону, как возникает ионная лавина, образующая импульс тока в труб-
ке. Разряд делается самостоятельным, однако при соответствующих
условиях он может быть быстро погашен. Этот режим используется
в наиболее широко применяемом в медицине счетчике, называемом
счетчиком Гейгера—Мюллера.
При еще большем повышении напряжения разряд в трубке дости-
гает такой интенсивности, что погасить его быстро затруднительно и
трубка становится непригодной для счета частиц.
Счетные трубки для различных видов радиоактивного излучения
показаны на рис. 92—94 (а — общий вид, б — схема устройства).
- Трубка для у-фотонов типа АММ (рис. 92) состоит из стеклянного
корпуса Т, на внутреннюю поверхность которого нанесен катод К из
медного порошка. По оси трубки натянута вольфрамовая нить Н
(анод). От электродов сделаны выводы на торцах трубки А и К. Труб-
ка заполнена смесью аргона и метилового спирта. Рабочее напряжение
трубки 650—800 В. В аналогичной трубке типа СТС катод имеет фор-
105
му тонкой стальной пластинки и заполнена она смесью неон-аргон-
бром. Рабочее напряжение 360—400 В.
Счетчик для 0-частиц типа АС (рис. 93) представляет алюминиевую
трубку Т с толщиной стенок порядка 0,2 мм, к одному концу которой
приварена стеклянная колба С. На другом конце трубки укреплена
алюминиевая шайба К с пружиной П для натяжения вольфрамовой
Рис. 92
а)
К'
Рис. 93
иити Н — анода.. Вывод нити — в цоколе А стеклянной колбы. Като-
дом служит сама алюминиевая трубка, а выводом для включения в
цепь — шайба К. Трубка наполняется смесью аргона с парами какой-
либо органической жидкости под атмосферным давлением. Рабочее
напряжение 850 В.
Счетчик для 0-частиц с невысокой энергией и для а частиц, назы-
ваемый торцовым (рис. 94), состоит из относительно короткой, но ши-
рокой стеклянной трубки
Т, запаянной с одного
конца. К другому ее концу
приклеен тонкий листок
слюды С толщиной в не-
сколько сотых миллимет-
ра, через который частицы
проникают в счетчик. На
внутреннюю поверхность
трубки нанесен
катод К, вывод от кото-
рого сделан на боковой
стенке трубки. Вывод анода А, имеющего форму иглы, — на торце
трубки. Трубка заполнена такой же газовой смесью, как и в счет-
чике типа АС.
На рис. 95 дана принципиальная схема счетной установки. Ток,
возникший в цепи счетной трубки СТ при попадании в нее ионизирую-
щей частицы, создает на резисторе /? импульс напряжения, который
через разделительный конденсатор Ср передается на сегку входной
лампы усилителя У. Значительно усиленный импульо на выходе уси-
лителя регистрируется электромеханическим счетчиком Сч.
медный
106
После регистрации импульса разряд в трубке необходимо погасить
и этим подготовить счетчик к регистрации следующей частицы. В схе-
ме на рис. 95 Это обеспечивается наличием резистора со значительным
сопротивлением R, включенного последовательно с электродами труб-
ки. Напряжение на нем в момент импульса тока вызывает снижение
напряжения, приходящегося на электроды трубки, почти до нуля, и
разряд в ней гаснет. Это яв-
ление называется внешним га-
шением.
Более быстрым является
гашение разряда в самой
счетной трубке, происходя-
щее под действием молекул
многоатомного газа, который
примешивается для этой цели
к основному газу, заполняю-
щему трубку. Такие трубки
называются самогасящимися.
Действие их происходит так:
при разряде в газе кроме
ионизации наблюдается так-
же интенсивное возбуждение
атомов, сопровождающееся
излучением фотонов. Фотоны
(особенно ультрафиолетового
излучения), попадая на ка-
тод, вызывают фотоэффект,
что увеличивает число элек-
тронов, участвующих во вто-
ричной ионизации и таким об-
разов поддерживающих раз-
ряд. Молекулы газа, погло-
щая фотоны, диссоциируют
' на более мелкие молекулы и
таким образом 'предупреж-
дают фотоэффект. Кроме того,
эти молекулы легко отдают
а)
л
Рис. 94
Рис. 95
валентные электроны, которые рекомбинируют с положительными
. ионами основного газа. Образующиеся в результате этого положи-
тельные ионы многоатомного газа малоподвижны и в ударной иони-
зации почти не участвуют. Таким образом, после сформирования
электронами первых лавин разряд затухает — трубка опять готова
к действию.
Время образования и гашения импульса в счетной трубке, в течение
которого она не регистрирует вновь попадающие в нее частицы, назы-
вается мертвым временем счетчика. Это время ограничивает наиболь-
шее число импульсов, которое трубка может зарегистрировать в еди-
ницу времени при равномерном падении частиц на трубку. Это число
называется максимальной скоростью счета или разрешающей способ-
107
ностью счетчика. Оиа составляет 100 имп/с при внешнем гашении й
10 000 имп/с для самогасящихся трубок.
Электромеханический счетчик состоит из электромагнита, якоря,
системы зубчатых колес и циферблатов со стрелками. При каждом
импульсе тока электромагнит притягивает якорь, который передви-
гает связанное с ним зубчатое колесо иа один зубец и соответствую-
щий циферблат на одно деление. Скорость счета у электромеханичес-
Рис. 96
кого счетчика значительно меньше, чем у трубки (примерно
50—60 имп/с, максимум — 100). Поэтому между трубкой и счетчиком
кроме усилителя включают еще пересчетный механизм. Последний а
помощью специального электронно-лампового устройства передает на
счетчик только импульсы, кратные некоторому коэффициенту пере-
счета (например, 1, 4, 16, 64). Таким образом, пересчетный механизм
позволяет производить счет импульсов, соответствующих падению на
трубку до 5000—6000 частиц в 1 с.
Наибольшее распространение в медицинских радиологических ла-
бораториях имеет счетная установка типа Б. Прибор Б-2 (рис.-96, а)
состоит из счетной трубки 7, держателя для трубки вместе с входным
блоком Б, который соединяется кабелем с основным корпусом прибора.
В корпусе находятся выпрямитель В со стабилизированным напряже-
на
нием для питания счетной трубки, усилитель П с пересчетной схемой,
электромеханический счетчик Сч и часы с секундомером. На
рис. 96, б показан пересчетный прибор ПП-16. В некоторых уста-
новках кроме счетчика имеется измерительный прибор, показываю-
щий среднее число импульсов, регистрируемых счетной трубкой в
единицу времени. Такие установки называют радиометрами.
При раборе со счетной установкой предварительно снимают счет-
ную характеристику трубки, т. е. зависимость скорости счета (числа
импульсов, образуемых в счетчике в единицу времени) от напряжения
между электродами трубки. По характеристике находят напряжение,
которое необходимо подать на. трубку в конкретных условиях данной
установки. Для этого, пользуясь ра-
диоактивным источником, определяют
скорость счета при изменении напря- /
жения примерно в пределах, указан- • ____J
ных в паспорте трубки. Вначале при ---—
низких напряжениях счетчик мало I
чувствителен и число регистрируемых /
импульсов меньше необходимого. /________
Затем скорость счета быстро возра- jfa U^4 UK V
стает до устойчивого уровня и на уча-
стке изменения напряжения от UB до ₽ис- 91
UK остается примерно постоянным.
При напряжении, превышающем 1/„, скорость счета резко возрастает
вследствие появления ложных импульсов и перехода счетчика к ре-
жиму непрерывного разряда (рис. 97). Примерно горизонтальный
участок характеристики, называемый плато, является рабочим и на-
пряжение на трубке устанавливается соответственно напряжению UC4
на границе его первой трети.
При работе со счетчиком прежде всего измеряют фон счета, т. е.
число частиц (или фотонов) No, падающих на трубку в единицу време-
ни без исследуемого источника, т. е. естественный радиоактивный фон
в данных условиях. Затем измеряют число частиц N' при наличии ра-
диоактивного источника. Разность N = N' — Л/о указывает число
частиц (или фотонов), зарегистрированных счетчиком под действием
излучения исследуемого источника. Для устранения влияния фона,
а также возможных по близости других источников излучения иссле-
дуемый источник вместе со счетной трубкой помещают в «свинцовый
домик» (так называют защищенный со всех сторон свинцовый спе-
циальный контейнер).
Для того чтобы от числа частиц, зарегистрированных счетчиком,
перейти к числу частиц, испускаемых источником, т. е. к его актив-
ности, надо учесть, во-первых, какая часть из попадающих в счетчик
частиц им регистрируется и, во-вторых, какая часть из всех испускае-
мых источником частиц попадает в счетчик. Первое характеризуется
как эффективность счетчика, второе — как вероятность попадания
частиц в счетчик.
Эффективность 0-счетчиков принимается равной 100%, т. е. счи-
тается, что все проникшие в счетную трубку ₽-частицы регистрируют-
109
ся. Для того чтобы мягкое 0-излучение (с энергией меньше 1 МэВ)
не поглощалось стенками трубки, применяют торцовые счетчики,
В связи с невысокой проникающей способностью а-частиц эффек-
тивность торцового, счетчика для них невелика: 10—30% (Для счета
а-частиц с невысокой энергией применяют особые счетные трубки, в ко-
торых частицы впускаются внутрь трубки через специальное отвер-
стие.)
Эффективность у-счетчиков весьма невысока и, кроме того, зависит
как от вещества стенок трубки, так и от энергии фотонов. Это связано
с тем, что, как указывалось, для регистрации у-фотон а счетчиком необ-
ходимо, чтобы, во-первых, фотон был поглощен в стенках трубки и,
во-вторых, чтобы хоть один из образовавшихся при этом электронов
попал внутрь трубки и имел энергию, достаточную для ионизации газа.
Эффективность у-счетчиков не превышает 1%, т. е. из каждых 100 па-
дающих на трубку у-фотонов регистрируется не больше одного.
Эффективность счетчика зависит также от равномерности падения
частиц на счетчик. При большой неравномерности отдельные час/ицы
могут падать на счетчик в периоды мертвого времени и не регистриро-
ваться, несмотря на то что общее число частиц в единицу времени на-
ходится в пределах его разрешающей способности.
Вероятность попадания в счетную -трубку частиц или фотонов,
испускаемых источником, зависит от его формы и размеров, а также от
расположения относительно счетной трубки. Существуют специаль-
ные счетчики (счетчики 4л), в которых исследуемый источник поме-
щается в центре их рабочего объема.
" В связи с трудностью учета всех указайнык условий для определе-
ния активности источника с помощью счетчика чаще применяют отно-
сительный метод, при котором сравнивают число импульсов Л/,- за-
регистрированных в единицу времени при данном источнике с неиз-
вестной активностью А, с числом импульсов yV8T, зарегистрированных
при эталонном источнике с известной активностью Д8Т. Тогда
А = Лэт (Л7Л/ат).
Для достаточной точности результатов необходимо, чтобы эталон-
ный источник был такой же природы, размеров и формы, как и иссле-
дуемый, имел близкую активность и располагался идентично относи-
тельно счетной трубки.
>» В медицине счетные установки применяются в радиологических ла-
бораториях для измерения активности различных препаратов и сред.
В экспериментах часто исследуется содержание радиоактивного изото-
па, введенного животному, в его различных органах и тканях.
В клинике при диагностических исследованиях определяется кон-
центрация введенного per os изотопа в различных органах. Для этой
цели применяются также специальные установки, называемые гамма-
топографами или скениерами. В скеннере счетная трубка с помощью
специального механизма перемещается вдоль и поперек исследуемой
области тела и на соответствующей диаграмме отмечаются участки, на
которых обнаружено радиоактивное излучение.
♦ю
В последнее время в практи-
ку входят люминесцентные или
сцинтилляционные счетчики.
Принцип действия счетчика за-
ключается в том, что частица
радиоактивного излучения па-
дает на кристаллический люми-
нофор и вызывает в нем свето-
вую вспышку. Эта вспышка дей-
ствует на катод фотоэлектрон-
ного умножителя и вызывает- в
нем импульс тока, который и ре-
гистрируется тем или иным об-
разом. Люминесцентные счетчи-
ки применяются для любых ви-
дов радиоактивного излучения.
В качестве люминофоров исполь-
вуются кристаллы: иодистый
натрий или калий, нафталин,
антрацен и др. Счетчик
(рис. 98, б; со снятым кожу-
хом — рис. 98, а) состоит из
рис. 98
смонтированных единым блоком кристалла люминофора К, светово-
да С, умножителя ФЭУ и предусилителя У. Этот блок подключается
к установке (на рис. 98 не показанной), которая «одержит основной
усилитель и измерительное устройство.
§ 137. Защита от проникающего излучения
Жесткое рентгеновское, у-излучение и потоки нейтронов называют- '
ся проникающим ионизирующим излучением.
Для защиты от жесткого рентгеновского и у-излучения применяют-
ся вещества, состоящие из элементов с высоким атомным номером и
имеющие значительную плотность: чугун, сталь, свинец, баритовый
кирпич, свинцовое стекло и т. д.; для защиты от нейтронов — вещества
с невысоким атомным номером, преимущественно содержащие водород -
(вода, бетон и др.), в процессе упругого соударения с ядрами которого
нейтроны быстро теряют свою энергию.
Для практических целей поглощающую способность вещества ха-
рактеризуют слоем половинного ослабления di/2, подразумевая под
этим толщину слоя, в котором интенсивность падающего у-излучения
ослабляется в два раза.
По формуле закона Бугера в этом случае
—— = е”цп<,1/2 = 1/2, откуда di/2 = (1п 2)/рп=0,693/ц,
Л»
где /0 — интенсивность падающего излучения, /<л/2 — то же, для из-
лучения, прошедшего слой вещества толщиной di/2, рп — показатель
поглощения.
111
Поскольку показатель поглощения зависит не только от природы
вещества, но и от энергии фотонов, слой половинного ослабления для
данного вещества также зависит от энергии фотонов.
Слой половинного ослабления (см) для некоторых веществ при энер-
гии фотонов 0,7 и 2,5 МэВ составляет:
Воздух.....................70 —
Вода ......................8,8 23
Земля................... , 6 14
Бетон.................. . 4 10
Сталь................ . . 1,3 2,8
Свинец............... . . 0,66 1,8
§138. Элементарные частицы. Космические лучи
Элементарными принято Называть мельчайшие частицы, из кото-
. рых построена вся материя. По мере развития методов исследования
и углубления научных взглядов на строение материй менялся и взгляд
на то, какие частицы следует считать элементарными. В свое время та-
кой частицей считался атом, после открытия сложного строения атома—
протон, нейтрон и электрон, затем ряд частиц, открытых в космичес-
ком излучении, а также полученных при соответствующих экспери-
ментах (позитрон, нейтрино, мезоны и др.). В настоящее время эле-
ментарными считаются такие мельчайшие частицы материи, которые
по современным научным взглядам нельзя представить состоящими из
каких-либо других подобных частиц. Следует отметить, что значитель-
ное число вновь открытых элементарных частиц являются неустойчи-
выми: через 10-10 — 10-1в долей секунды после образования они рас-
падаются, превращаясь в другие, более устойчивые частицы или фото-
ны.
Прежде чем перейти к классификации элементарных частиц, рас-
смотрим виды взаимодействия между ними. Всего в природе различают
четыре вида взаимодействия между частицами или телами: сильное,
электромагнитное, слабое и гравитационное. Из них для элементар-
ных частиц имеют значение только первые три (гравитационное взаи-
модействие существенно только для тел со значительной массой). Основ-
ными характеристиками видов взаимодействия являются радиус дей-
ствия, время взаимодействия и относительная интенсивность.
Сильное взаимодействие, называемое также ядерным, характерно
для нуклонов (образование ядер из нуклонов, ядерные реакции и т.п.),
а также для тяжелых частиц — барионов (см. табл, на с. 114). При этом
взаимодействий радиус действия сил примерно 10-18 см, наименьшее
время, необходимое для его осуществления, порядка 10~88 с. Относи-
тельная интенсивность принимается равной единице. Сильное взаимо-
действие осуществляется через поле, квантами которого являются
л-мезоны.
Электромагнитное взаимодействие происходит между частицами,
имеющими электрический заряд (кулоновские силы): ядром и электро-
нами в атомах, атомами в молекуле, атомами и молекулами в веществе
и т. д. Радиус действия электрических или магнитных сил не ограни-
112
чен; наименьшее время порядка 10~“ с; относительная интенсивность
примерно в сто раз меньше, чем при сильном взаимодействии. Электро-
магнитное взаимодействие осуществляется через поле, квантами кото-
рого считаются фотоны.
Слабое взаимодействие является короткодействующим, время
взаимодействия 10-10 с; характерным для слабых взаимодействий яв-
ляется их малая вероятность — относительная интенсивность имеет
порядок 10~14. В результате слабых взаимодействий происходит глав-
ным образом взаимное превращение элементарных частиц, в частно-
сти p-радиоактивиый распад. Предполагается, что слабое взаимодей-
ствие осуществляется также через посредство некоторого поля, кван-
ты которого еще не открыты.
Основными характеристиками элементарных частиц являются:
1) масса покоя (обычно ее выражают эквивалентным числом масс элек-
трона) или эквивалентная ей по соотношёнию Эйнштейна энергия
(МэВ); 2) электрический заряд; 3) спин; 4) время жизни. Для неста-
бильных частиц характерна также схема распада.
За немногим исключением (в частности, фотона), каждой элемен-
тарной частице соответствует античастица, т. е. частица, равная по ма-
се, величине заряда (для заряженных частиц) и спину, но противопо-
ложная по знаку заряда (например, электрон—позитрон, протон—ан-
типротон и т. д.) или по знаку собственного магнитного момента (ней-
трон— антинейтрон) Характерным свойством пары частица — анти-
частица является то, что, взаимодействуя при столкновении, они прев-
ращаются в другие элементарные частицы или фотоны (пример: реак-
ция аннигиляции пары электрон — позитрон). Существует гипотеза
о том, что где-то во Вселенной возможны образования, состоящие из
антивещества, т.е. вещества, атомы которого построены из антипро-
тонов, антинейтронов и позитронов. ,
Классификация известных в настоящее время элементарных час-
тиц приведена в таблице:
Название Обозна- чение Мясся Заряд в эле- ментарных единицах 4* К 1 • Среднее время жиз- ни, с
в элек- тронных массах в МэВ
Фотон Легкие (лептоны) У 0 0 0 1 Не ограни- чено
Электрон 1 0,511 —1 1/2 То же Не огра-
Позитрон е+ 1 0,511 +1 1/2 ничено*
Электронное нейтрино и антинейтрино ve,ve 0 0 0 1/2 Не огра- ничено -
р Мезоны 207 106 -1,4-1 1/2 2-10-»
ц-Мезонное нейтрино и антинейтрино VM> VM 0 0 0 1/2 Не огра- ничено
.113
Продолжение
Название Обозначе- ние Масса Заряд в эле- ментарных единицах V нипэ Среднее' время жиэвя, с
в элек- тронных массах в Мэв
Средние (мезоны)
л-Мезоны л+, л“ 273- 140 +1,-1 0 210-«
Л° 264 135 0 0 2-10-w
Д-мезоны К+, к- 966 494 +1,-1 0 10-s
г № 975 497 0 0 10-ю
Тяжелые (барионы) 938,2 Не ограни- чено
Протон, антипротон Р, ~Р 1836 +1,-1 1/2
Нейтрон, антинейтрон п, п 1839 939,9 0 1/2 ~1000**
Гипероны; лямбда л«, л« 2183 1116 0 1/2 1 Ю-ю
сигма 2+ 2“ 2328 1189 4-1 1/2 J
20, £» 2343 1192 0 1/2 10-м
КСИ |М Г Г м м 2333 2572 1197 1315 —1 —1 1/2 1/2
Е», "б» 2585 1321 0 1/2 10-ю
омега Q-, 2+ 3278 1672 -1,+1 3/2?)
* При встрече с электроном превращается в два фотона.
’* Путем.#-распада превращается в протон. Период полураспада Гу-» 12,8 мин.
Примечание. Античастица обозначаются знаком ~ (тильда).
Элементарные частицы делятся на четыре класса: 1. Фотоны. 2.Лег-
кие (по массе) — лептоны, 3. Средние — мез'йны. 4. Тяжелые — барио-
ны.
К легким частицам относятся электрон и позитрон, электронные
нейтрино и антинейтрино, возникающие при ^-распаде, а также р-ме-
зоны (минус и плюс) и образующиеся при их распаде мезонные нейтри-
но и антинейтрино. За исключением р-мезонов, это стабильные час-
тицы. Для них характерно слабое взаимодействие, а для частиц, имею-
щих заряд, также и электромагнитное.
Мю-мезоны распадаются на электрон (или позитрон) и два нейтри-
но или антинейтрино:
Р~ = е~ + vc + Уц и р+ = е+ + ve + гц.
Масса покоя у нейтрино принимается равной нулю; движется оно со
скоростью света. Вследствие слабого взаимодействия с веществом и от-
сутствия заряда нейтрино и антинейтрино обнаруживаются с большим
трудом.
Все лептоны имеют спин, равный 1/2, в связи в чем они подчи-
няются правилу Паули:
в данной системе не может быть двух тождественных частиц, нахо-
дящихся одновременно в одинаковых квантовых состояниях,
114
и соответственно — статистике Ферми—Дирака* * * §. Поэтому лептоны
называют также фермионами.
Класс мезонов представляет нестабильные частицы и состоит из двух
групп: л-мезонов и /(.-мезонов. Эти частицы способны ко всем трем ви-
дам взаимодействия. Спин их равен нулю. Поэтому на них не распро-
страняется принцип Паули, т. е. в одинаковом квантовом состоянии
может' находиться неограниченное число частиц. В связи с этим они
подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна и их называют бозонами
(к бозонам относятся также и фотоны).
При распаде л-мезонов образуются р-мезоны, например п~ ->
-> р“ + Уц, которые в свою очередь распадаются на электроны и по-
зитроны (см. выше). При распаде /(-мезонов образуются л-мезоны и
т. д. Следует отметить, что для одной и той же частицы возможны не-
сколько вариантов распада.
К классу барионов относятся нуклоны: протон и нейтрон, а также
антипротон и антинейтрон. Протоны — частицы стабильные, нейтро-
ны испытывают 0-распад и, выбрасывая электроны, превращаются в
протоны с периодом полураспада Т= 12,8 мин. Остальные барионы —
это нестабильные частицы е массой, большей, чем масса протона, назы-
ваемые гиперонами (лямбда-, сигма- и кси-гипероны). Гипероны рас-
падаются на нуклоны и л-мезоны. Барионы обладают сильным взаи-
модейстдием, а имеющие заряд — также и электромагнитным. Имея
спин, равный 1/2, они относятся к фермионам.
Частицы с сильным взаимодействием (мезоны и барионы) объеди-
няют названием адроны. Для адронов характерно образование весьма
короткоживущих (порядка 10-22 с) комплексов,называемых резонан-
сами (в настоящее время известно до 100 резонансов). При. изучении
взаимодействия адронов была высказана гипотеза о существовании
частиц с зарядом, дробным от единичного, названных кварками.
При распаде или взаимодействиях элементарных частиц должны
соблюдаться законы сохранения, которые и обусловливают возмож-
ность соответствующих превращений. Это законы сохранения энергии,
импульса, полного момента импульса (включая орбитальный момент
и спин), а также электрического заряда по отдельным классам частиц
(соответственно различают заряд лептонный, мезонный и барионный)**.
* Вид статистики, которой подчиняются те или иные микрочастицы, обу-
словливает характер распределения их по состояниям, например по энергети-
ческим уровням.. В квантовой механике используется два вида статистики:
Ферми—Дирака и Бозе—Эйнштейна.
Примером распределения Ферми—Дирака,, основанного на правиле Паули,
является распределение по энергетическим уровням электронов в атоме (дм.
§ 107) или валентных электронов в металле (см. § 34) — на каждом уровне на-
ходится по два электрона.
Распределение Бозе—Эйнштейна основано на применении теории вероятно-
стей к системе квантовых объектов, подобной идеальному газу. При этом, на-
пример, распределение микрочастиц по энергетическим уровням происходит
по экспоненциальной зависимости' (для неквантовых объектов это соответству-
ет распределению Больцмана, см. § 99).
** Существуют еще три специфических характеристики элементарных час-
тиц: 1) изотопический спин; 2) четность; 3) Странность. На этом вопросе останав-
, ливаться не будем.
115
Из мирового пространства на Землю непрерывно падает поток час-
тиц с высокой энергией, в основном протонов и ядер гелия, называе-
мый первичными космическими лучами: Они выбрасываются в косми-
ческое пространство при взрывах, сопровождающих образование но-
вых и сверхновых звезд нашей Галактики. В межзвездном пространст-
ве эти частицы ускоряются под действием электромагнитных полей,
которые образуются при перемещении в этом пространстве облаков
из ионизированных частиц. Благодаря громадной длине пробега (не-
сколько световых лет), частицы ускоряются до энергии в среднем по-
Рис. 99
рядка 104 МэВ (у отдельных частиц энергия может достигать 1010 МэВ).
Интенсивность космических лучей на границе земной атмосферы по-
рядка нескольких частиц в секунду на квадратный сантиметр.
В верхних слоях земной атмосферы частицы первичных лучей, стал-
киваясь с ядрами атомов газов воздуха, образуют вторичное косми-
ческое излучение, состоящее из двух компонент: жесткой и мягкой.
Жесткая (слабо поглощаемая свинцом) компонента вторичного
излучения состоит в основном из р-мезонов, образующихся в верхних
и средних слоях атмосферы вследствие распада заряженных л- и Л-
мезонов.
Мягкое излучение (сильно поглощаемое свинцом) состоит преиму-
щественно из электронно-фотонных каскадов или ливней, которые воз-
никают при следующих условиях. Образовавшийся при ядерном взаи-
модействии или торможении быстрого электрона у-фотон, пролетая
вблизи атомного ядра,создает'пару электрон—позитрон с высокой ки-
нетической энергией. Торможение этих частиц приводит к излучению
новых у-фотонов, которые образуют новые пары, и процесс продол-
жается, пока не израсходуется энергия первичного фотона (рис.99,о).
116
Образование такого ливня в свинцовых пластинках, помещенных в ка-
меру Вильсона, показано на рис.'99, б. В нижних слоях атмосферы этн
ливни входят в состав естественного радиоактивного фона.
При космических полетах было установлено наличие вблизи Зем-
ли радиационного пояса в виде двух зон тороидальной формы (рис. 100)
с резко повышенной концентрацией частиц ионизирующего излучения,
которые образовались путем захвата и удержания заряженных час-
тиц космических лучей магнитным полем Земли. Внутренний пояс в
экваториальной плоскости охватывает область на расстоянии между
600 и 6000 км от Земли, внешний — От 20 000 до 60 000 км. На широ-
тах 60—70° оба пояса приближаются к Земле на расстояние несколь-
Рис. 100
ких сотен километров. Внешний пояа в свою очередь подразделяется
на зоны с различной концентрацией частиц, что на рис. 99 условно
показано разной штриховкой.
Изучение элементарных частиц имеет большое значение для науки,
так как позволяет проникнуть в глубь строения материи.
Вся история учения об элементарных частицах подтверждает уче-
ние диалектического материализма о «неисчерпаемости» материи, о том,
что нет и не может быть каких-то конечных, неизменных элементов, из
которых состоит материя, о том, что наши представления о строении
материи будут непрерывно углубляться. Это положение было сформу-
лировано В. И.Лениным в его труде «Материализм и эмпириокрити-
цизм». В 1908 г., в период, когда ученые-физики считали картину
строения мира (атомы и «мировой эфир») завершенной, а известные к
тому времени элементарные частицы — протон и электрон — абсолют-
но неизменными, В. И. Ленин писал : «Сущность» вещей или «субстан-
ция» тоже относительны, они выражают только углубление челове-
ческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло даль-
ше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический
материализм настаивает на временном, относительном, приблизитель-
ном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей нау-
кой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бес-
конечна ...» (.В. И. Ленин. — Поли. собр. соч. т. 18, с. 277, 278).
Все современное развитие физики подтверждает это высказывание
В. И. Ленина.
Часть VI
ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ *
Глава 26
'ЭЛЕКТРОНИКА В ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКЕ
§ 139. Введение. Классификация
Медицинской электроникой называют раздел электроники (см.
§ 46), относящийся к приборам и аппаратам, которые применяются
при медико-биологических исследованиях и в клинической прак-
тике.
В настоящее время электронная аппаратура настолько широко ис-
пользуется во всех областях медицины, что знакомство с наиболее
распространенными приборами и аппаратами должно составлять не-
обходимый элемент подготовки будущего врача любой специальности**.
Для того чтобы эффективно использовать аппаратуру, с которой
врач встречается в своей работе, он должен: /
1) уметь правильно выбрать тип аппарата и его рабочие характе-
ристики в соответствии с назначением в диагностическом или лечеб-
ном процессе;
2) использовать аппарат строго по назначению в полном соответ-
ствии с его паспортными данными и характеристиками, обеспечить над-
лежащие условия его эксплуатации, а также правильное управление
при проведении процедур и строгое соблюдение при этом правил тех-
ники безопасности;
3) в течение всего периода пользования аппаратом постоянно конт-
ролировать для лечебных аппаратов выходные данные, а для диагнос-
тических — качество полученной информации: отсутствие в ней оши-
бок, артефактов и других погрешностей, связанных с возможным на-
рушением нормальных условий работы аппарата.
Последнее замечание особенно важно для электрокардиографов,
в которых посторонние магнитные поли, механические толчки, трение
пера о бумагу в регистрирующем устройстве и другие причины могут
вызвать искажения регистрируемых сигналов и, как следствие этого,
диагностическую ошибку. Именно врач может и должен первым об-
ратить внимание на некоторую «необычность» получаемой от аппарата
* Материал, излагаемый в этой части, является развитием общих вопросов
электроники, рассмотренных в ч. II учебника. Такое подразделение материала
соответствует программе курса (см. § 2)
*’ Подразумевается врач общего профиля. Врач-специалист (электроиар-
диолог, рентгенолог, физиотерапевт и т. п.) должен иметь значительно более
глубокие познания в области технического устройства аппаратуры, с которой
он работает, что и должно быть обеспечено его специальной подготовкой.
118
информации, если таковая обнаруживается, уточнить, в чем она за-
ключается, и при .необходимости вызвать специалиста-техника для
устранений причин этих нарушений. Это относится также и к лечеб-
ным аппаратам, у которых, например, нарушение обычного соответ-
ствия показаний измерительного прибора и положения регулировоч-
ных ручек может служить признаком, неисправности.
Для выполнения этих задач нет необходимости знать все детали
технического устройства аппарата, достаточно знать и хорошо пони-
мать физический принцип его устройства,происходящий в нем рабо-
чий процесс, а также признаки его возможных нарушений и, наконец,
выходные характеристики аппарата. Именно это и входит в обязан-
ность врача, пользующегося электронной аппаратурой.
Для этого врач должен, во-первых, иметь достаточную подготовку
по физике и электронике в области, относящейся к устройству соот-
ветствующей аппаратуры, и, во-вторых, приступая к пользованию
аппаратом, предварительно внимательно изучить сопровождающую
его документацию: принципиальную электрическую схему, техничес-
кое описание и инструкцию по эксплуатации, а также паспорт аппара-
та, в котором указаны его метрологические данные*.
Особое: внимание при пользовании электрической и электронной
аппаратурой должно уделяться технике безопасности при проведении
диагностических и лечебных процедур. Этот вопрос является достаточ-
но сложным и подробное рассмотрение его выходит за рамки данного
курса**, однако необходимо напомнить, что строжайшее выполнение
правил по технике безопасности должно быть не просто формальным,
а сознательным, основывающимся на глубоком понимании принципов
и нормальных условий работы аппарата,так как именно с нарушения-
ми последних бывают связаны несчастные случаи, которые, хотя и ред-
ко, но случаются на практике.
Совокупность методов и аппаратов, относящихся к медицинской
электронике, можно подразделить по областям их применения. Та-
кая классификация имеет преимущество в том, что аппараты, относя-
щиеся к той или иной области, весьма сходны по устройству. Условно
мы выделяем следующие четыре области (рис. 101): функциональная
диагностика, электростимуляция, электротерапия и электронные вы-
числительные устройства.
Электроника в функциональной диагностике, в свою очередь, ох-
ватывает три группы методов:
1) методы, основанные на регистрации биопотенциалов различных
органов (электрография);
* Метрология — это наука о методах измерения н единицах различных ве-
личин. Метрологические данные — это паспортные данные или характеристи-
ки аппарата, подлежащие периодической проверке государственными кон-
трольными органами.
** О технике безопасности при работе с электронной аппаратурой см.:
В. Д. Жуковский. Медицинские электронные системы. — М.: Меди-
цина, 1976, гл. 7; Н М. Л и в е н ц е в, А. Р. Л в в е н с о н. Электро-
медицинская аппаратура. — Мл Медицина, 1976, гл. V.
119
2) методы, основанные на электрической регистрации неэлектри-'
ческих величин (фонокардиография, баллистокардиография, сфигмо-
графия, плетизмография, реография, электроманометрия и др.);
3) методы эндометрии и радиотелеметрии.
Несмотря на большое разнообразие типов аппаратов, относящих-
ся к функциональной диагностике, основу всех их составляет усили-
тель слабых электрических колебаний.
Электростимуляция, используемая при физиологических исследо-
ваниях, а также и для лечебных целей.
Рис. 101
Основой устройства аппаратов для электростимуляции является
генератор кратковременных импульсов.
Электротерапия (раздел физиотерапии), которая может быть под-
разделена на две группы методов, использующих:
1) постоянные ток и поле; импульсные токи;
2) высокочастотные токи и электромагнитные поля ВЧ и УВЧ.
В аппаратах, относящихся к первой группе, используются выпря-
митель переменного тока и генератор кратковременных импульсов;
основой устройства аппаратов второй группы ябляется генератор
гармонических колебаний ВЧ и УВЧ.
Таким образом, несмотря на многообразие методов и аппаратов,
применяемых на практике, основу их составляют всего четыре прин-
ципиально различных электронных устройства: 1) выпрямитель пе-
ременного тока; 2) усилитель слабых электрических колебаний;
3) генератор кратковременных импульсов и 4) генератор гармони-
ческих колебаний ВЧ и УВЧ. Все они (кроме генератора кратковре-
менных импульсов) были рассмотрены в ч. II учебника.
Электронные вычислительные устройства (ЭВМ и основывающиеся
на них различные специальные аппараты) применяются в различных
областях медицины и в зависимости от этого имеют свои особенности.
В качестве основных областей применения выделяем следующие: 1) в
120
клинике при диагностике заболеваний и в лечебном процессе; 2) в экс-
перименте — моделирование физиологических функций; 3) при лабо-
раторных исследованиях; 4) при хранении и обработке медико-био-
логической информации, а также при организации.систем управления
учреждениями здравоохранения.
Элементы вычислительных устройств имеют специфические особен-
ности, которые рассматриваются в ч. VII учебника.
§ 140. Электрография
', Напомним, что биопотенциалами называются электрические потенциалы,
образующиеся в клетках, тканях и органах в процессе их жизнедеятельности.
Биопотенциалы имеют мембранно-ионную природу и возникают вследствие раз-
ницы общих концентраций положительных и отрицательных ионов по обе сто-
роны мембраны, окружающей клетку (это явление называется поляризацией мем-
браны). Биопотенциалы состоят из потенциалов покоя и потенциалов действия.
Потенциалы покоя представляют более или менее постоянную разность потен-
циалов, устанавливающуюся между внутренней средой и средой на поверх-
ности мембраны при невозбужденном состоянии клетки. При возбуждении из-
меняется проницаемость и ионы проходят через мембрану, в связи с чем проис-
ходит изменение их концентрации внутри и снаружи клетки и соответственно
изменение величины и знака этих потенциалов (деполяризация мембраны). Эти
изменения называют потенциалами действия; они представляют относительно
кратковременные импульсы постоянного или переменного знака. Потенциалы
отдельных клеток, суммируясь, создают общую разность потенциалов, которая
может быть измерена (или зарегистрирована) между определенными точками
органа или ткани.
Поскольку биопотенциалы очень тонко отражают функциональное
состояние органов и тканей в норме и в патологии, регистрация их с
последующим анализом является весьма важным приемом при физио-
логических исследованиях и диагностике заболеваний. В настоящее
время применяется регистрация биопотенциалов многих органов и
систем: сердца (электрокардиография — ЭКГ), головного мозга
(электроэнцефалография — ЭЭГ), нервных стволов и мышц (электро-
миография — ЭМГ), сетчатки глаза (электроретинография — ЭРГ),
кожных потенциалов (кожно-гальваническая реакция — КГР) и др.
Наибольшим распространением, как известно, пользуется электрокар-
диография-, этот метод рассмотрим более подробно.
Биопотенциалы сердца образуются в процессе возбуждения кле-
ток его нервно-мышечного аппарата. За цикл работы сердца возбужде-
ние распространяется по различным отделам его нервно-мышечного
аппарата с определенной последовательностью, поэтому мгновенные
вначения результирующей разности потенциалов за цикл работы серд-
ца изменяются как по величине, так и по расположению точек, между
которыми они имеют наибольшее значение. Из этих значений наиболь-
шим является разность потенциалов между основанием и верхушкой
сердца в направлении так называемой электрической оси сердца. Это
направление приближенно можно считать совпадающим с анатоми-
ческой осью сердца (см. рис. 104).
Регистрация и анализ биопотенциалов сердца с целью суждения о
функциональном состоянии его нервно-мышечного аппарата (элект-
121
рокардиография) является одним из важнейших диагностических мето-
дов при сердечно-сосудистых заболеваниях. Электрокардиография*
основывается на теории Эйнтховена, позволяющей судить о биопотен-
циалах сердца косвенно, путем измерения потенциалов в определенных
точках на поверхности тела человека.
В теории Эйнтховена сердце уподобляется электрическому диполю,
находящемуся в однородной.проводящей среде, которой являются тка-
ни, окружающие сердце, и. расположенному во фронтальной
Рис. 102
плоскости тела. Вектор электрического момента диполя при этом рас-
сматривается как вектор, характеризующий биопотенциалы сердца.
Его условно называют интегральным електрическим вектором (ИЭВ)
сердца и обозначают буквой Е. Проекции эквипотенциальных поверх-
ностей электрического поля, образуемого диполем, на фронтальную
плоскость тела показаны на рис. 102, а, цифры на них указывают от-
носительные величины потенциалов (линия MN — направление оси
диполя).
Установим связь между ИЭВ и потенциалами, зарегистрирован-
ными в определенных точках на поверхности тела.
Можно показать, что потенциал <р5 в любой точке S поля диполя, находя-
щийся от его центра на расстоянии г, пропорционален проекции вектора элект-
рического момента р диполя на линию, соединяющую центр диполя с данной точ-
* В связи с этим электрокардиографию определяют также как метод ис-
следования электрического поля сердца.
122
кой (рис. 103, а): <р5 = (ph^) cos 0. Разность потенциалов двух точек S и R,
находящихся на равных расстояниях г от центра диполя, пропорциональна
- проекции вектора р момента диполя на линию, соединяющую эти точки
(рис. 103, б): "
Ф$ — <РЛ ~ Р cos а.
Используя это соотношение, Эйнтховен предложил при электрокар-
диографии измерять разности потенциалов между каждыми двумя из
трех точек, представляющих вершины равностороннего треугольника
АВС, построенного симметрично по отношению к телу человека так,
чтобы центр его совпадал с точкой приложения ИЭВ сердца (рис. 102,6).
Каждая из трех измеренных разностей
потенциалов пропорциональна проекции
вектора р момента диполя, или ИЭВ
сердца Е, на линию, соединяющую рас-
сматриваемые точки, т. е. на соответст-
вующую сторону треугольника АВС:
фл — фв — Ер, <рс — Фв — Еп\
фс — Фл = Ель
Сопоставляя эти проекции,- можно су-
дить о величине и направлении вектора
Е в целом. „ 0 >1р
В связи с последовательностью рас- П? &
пространения возбуждения по различ-
ным областям нервно-мышечной системы **•103
сердца ИЭВ (вектор Е) за цикл работы
сердца изменяется по величине и направлению. Точку приложения
начала ИЭВ можно считать постоянной — это нервный узел в меж-
предсердной перегородке. Конец вектора за цикл работы сердца опи-
сывает сложную пространственную кривую, которая в первом при-
ближении принимается за плоскую кривую, расположенную во фрон-
тальной плоскости тела и состоящую из трех петель, обозначаемых
согласно стандарту буквами Р, QRS и Т, конфигурация которых пока-
зана на рис. 104, а. Петли разделены интервалами нулевого потенциа-
ла, в течение которых разности потенциалов в различных отделах
нервио-мышечного аппарата сердца взаимно компенсируются, и ре-
эультирующая разность потенциалов для сердца в целом равна нулю.
При регистрации биопотенциалов сердца электроды располагают-
ся в местах, которые можно считать электрически эквивалентными
точками А, В, С треугольника Эйнтховена: на левом предплечье, пра-
вом предплечье и левой голени, которые соответственно обозначают-
ся: ЛР — левая рука, ПР — правая рука и ЛН — левая нога (ко-
нечности при этом используются просто в качестве проводников).
Каждые две точки наложения электродов образуют совместно стандарт-
ное отведение: I— (ЛР—ПР), II — (ЛН—ПР) и III — (ЛН—ЛР).
Схема регистрации показана на рис. 105. Через переключатель —
/7 разность потенциалов от электродов подводится к усилителю У и
затем записывается на движущейся ленте регистрирующего устрой-
123
ства Р. Процедура регистрации с помощью переносного аппарата по-
казана на рис. 106.
Полученная кривая называется электрокардиограммой и о физи-
ческой точки зрения представляет график изменения по времени (за
цикл работы сердца) мгновенных значений разности потенциалов в
соответствующем отведении. На рис. 107, а схематически показана
Рис. <04
электрокардиограмма (ЭКГ) здорового человека в I отведении, на
рис. 107, в — запись ЭКГ на ленте. Если проанализировать ее гар-
монический спектр (рис. 107, б), то окажется, что он охватывает ин-
тервал частот от одного герца до примерно 80—100 Гц, основное зна-
чение в нем имеют частоты, кратные частоте пульса, например при
частоте пульса 66 уд/мин — 1,1»
2,2, 3,3, 6,6,9,9 и др., но со зна-
чительно меньшей амплитудой.
На ЭКГ имеется три харак-
терных по форме зубца, обозна-
чаемых Р, QRS и Т, разделен-
ных участками нулевого потен-
/ циала (в эти периоды, как ука-
зано, потенциалы на различных
участках сердечной мышцы
взаимно компенсируются), соот-
ветствующих трех петлям, которые описывает конец ИЭВ сердца за
цикл его работы (образование зубца QRS на ленте записи в I отведе-
нии показано на рис. 104, б).
Поскольку ординаты ЭКГ пропорциональны проекциям ИЭВ серд-
ца на линию соответствующего отведения (сторона треугольника Эйнт-
ховена), кривая характеризует изменение этого вектора за цикл рабо-
ты сердца. Еще более полную характеристику дает сопоставление
ЭКГ во всех трех отведениях.
124
В дальнейшем к трем основным электродам был добавлен четвер-
тый — грудной электрод (ГЭ), который накладывается на поверхность
грудной клетки (см. рис. 106) в определенных точках в области распо-
ложения сердца. Отведения, образуемые этим электродом с каждым из
основных (рив. 108, а), называются грудными (обозначаются СР, CL
и СР), а между этим электродом и
общей точкой трех основных, образо-
ванной с помощью резисторов R
(риа. 108, 6), — грудными однопо-
люсными (обозначаются V). Кроме
того, применяется вспомогательный
электрод, который накладывается на
правую голень (ПН — рис. 108) и за-
Рис. 107
Рис. 106
вемляется вместе с корпусом аппарата. Заземление тела исследуемого
предупреждает наводки, образующиеся ва счет распределенной емко-
сти тела по отношению к окружающим заземленным предметам
(см. рис. 167, т. I).
Рис. 108
Используются также еще три отведения, так называемые усиленные,
которые образуются между каждым из стандартных электродов и об-
щей точкой между двумя остальными. Таким образом, общее число
отведений, которые могут регистрироваться при ЭКГ, составляет
свыше 10. ,
125
Существует более сложная методика исследования биопотенциалов
сердца, позволяющая зарегистрировать петли Р, QRS, Т, являющиеся
проекциями пространственной кривой, описываемой концом ИЭВ,
на три взаимно перпендикулярных плоскости, совмещенные о телом
исследуемого, — сагиттальную С, фронтальную Ф и горизонтальную
Г (рив. 109). Метод называется вектор-электрокардиографией (ВЭКГ)
и является косвенным, так как при этом
наблюдаются петли, образованные пу-
тем геометрического сложения мгновен-
ных значений обычных электрокардио-
грамм в двух каких-либо отведениях
(т. е. происходит восстановление ИЭВ по
его проекциям). Сложение осуществляет;
ся о помощью системы отклоняющих
пластин электроннолучевой трубки (по
принципу образования фигур Лиссажу—
см. § 23), на экране которой и наблю-
даются петли вектор-электрокардио-
граммы.
В качестве примера на рис. 110 пока-
зана схема подключения электродов
Рис. 109
(через усилители У) к отклоняющим пла-
стинам трубки для получения ВЭКГ во фронтальной плоскости, син-
тезируемой из ЭКГ в I и III отведениях. На рис. 111 показана схе-
ма. образования ВЭКГ из двух электрокардиограмм (см. § 23).
Рис. по
Рис. 111
Для получения ВЭКГ в других плоскостях применяются дополни-
тельные электроды, в частности электрод, накладываемый иа спину
около угла левой лопатки.
Биопотенциалы головного мозга отводятся при помощи электродов
небольшой площади, накладываемых в различных точках на поверх-
ности головы (рис. 112, а). Регистрируемые биопотенциалы имеют ха-
126
рактер более или менее регулярных колебаний с различными часто-
той и амплитудой. В зависимости отчастоты они разделяются на соот-
ветствующие диапазоны (см. с. 245). На рис. 112, б показаны колеба-
ния альфа-ритма, представляющие колебания, по форме близкие к гар-
моническим, относительно низкой частоты (8—13 Гц) со значительной
амплитудой, на рис. 112, в — колебания бета-ритма — менее регу-
лярные колебания с частотой 14—30 Гц и значительно меньшей ампли-
тудой. Во время нейрохирургических операций (при вскрытом чере-
пе) металлические электроды в форме щупов прикладываются непосред-
ственно к мозговой ткани.
Рис. 112
При миографии электроды небольшой площади с марлевой про-
кладкой накладываются в соответствующих точках нервного ствола
или мышцы. Характер регистрируемых колебаний показан на
риск 112, е. Для более строгой локализации точек отведения биопотен-
циалов мышц применяются игольчатые электроды, вкалываемые род
кожу.
Приведем примерную характеристику биопотенциалов, регистри-
руемых при ЭКГ, ЭМГ и ЭЭГ:
Биопотенциалы Пределы частот в гармоническом спектре, Гц Амплитуда. мВ Необходимый ко- эффициент усилена» при регистрации
ЭКГ 0,5-100-120 0,1-5 10э—104
ЭМГ 1-1000 0,01-50 103
ЭЭГ 1—200—300 0,01-0,5 10s—10е
С диагностической целью производится также регистрация кож-
но-гальванической реакции (КГР). Под этим названием объединяются
два явления: а) изменение сопротивления постоянному току между
двумя участками кожи и б) изменение разности биопотенциалов, об-
разующейся между аналогичными участками. Оба явления связывают
с функциональным состоянием сосудов кожи и интенсивностью сек-
реторной деятельности потовых желез. И то и другое регулируется
центральной и вегетативной нервными системами н может служить
127
показателем их состояния. КГР вызывается под действием различных
внешних раздражений, а также под влиянием эмоциональных напря-
жений, интенсивного умственного труда и т. п.
КГР регистрируется с помощью электродов небольшой площади,
накладываемых обычно на ладонь и тыл кисти (на одной руке для из-
мерения сопротивления, на другой — разности потенциалов).
Для регистрации КГР применяется чувствительный гальванометр
или специальный прибор, содержащий усилитель.
§ 141. Аппараты для электрографии
В соответствии с методом исследования аппараты для электрогра-
фии носят названия: электрокардиограф, электроэнцефалограф, элек-
тромиограф и т. д. Однако все. они имеют аналогичное устройство и со-
стоят из трех основных функциональных узлов или блоков: входного
блока /7, усилителя У и регистрирующего устройства Р (см. рис. 105).
Входной блок — это совокупность электродов, накладываемых на
тело больного, соединительных проводов и переключателя отведений
(ПО).
Электроды являются весьма ответственным элементом любой элект-
рографической установки, так как от качества контакта между элек-
родом и поверхностью кожи в значительной мере зависит качество
всей записи. При несовершенном контакте падение напряжения на его
сопротивлении уменьшает полезный сигнал, в контакте могут возник-
нуть э. д. с. поляризации, вызывающая смещение нулевой линии за-
писи, а также потёнциалы наводки, искажающие запись, и т. п. По-
этому основным требованием, предъявляемым к электродам для элект-
рографии, является возможно меньшее по величине и не изменяющееся
со временем сопротивление контакта.
Электроды для регистрации биопотенциалов обычно представляют
металлические Пластинки небольшой площади, которые для лучшего
контакта накладываются на поверхность тела через слой марли, смо-
ченный физиологическим раствором. Рекомендуется предварительное
протирание кожи спиртом, а также применение вместо марлевой про-
кладки специальных паст. Электроды укрепляются на месте с помощью
резиновых бинтов или присосок.
Применяются также электроды специального устройства, напри-
мер при записи ЭРГ — наливные, при записи ЭМГ — игольчатые.
С помощью экранированных (для предупреждения наводок) про-
водов электроды присоединяются к переключателю отведений (ПО), на
входе аппарата. ПО — это механический коммутатор, с помощью кото-
рого на вход усилителя подключаются попарно электроды, образую-
щие регистрируемое отведение.
Основой аппарата для электрографии являете^ усилитель, рабочие
характеристики и устройство которого обусловливаются назначением
аппарата. Кроме того, различаются усилители электронно-ламповые
и полупроводниковые (транзисторные).
Устройство и работа усилителя электрических колебаний рассмот-
рены в гл. 10, 11. Потому ограничимся только напоминанием основных
128
метрологических требований к усилителям, применяемым в данном слу-
чае.
Рабочий диапазон частот (полоса пропускания частотной характе-
ристики), как указывалось в § 49, должен соответствовать пределам
частот в гармоническом спектре усиливаемых колебаний*.
Чувствительность усилителя, включая регистрирующее устрой-
ство, должна быть не менее 15 мм/мВ для ЭКГ и порядка
1 мм/мкВ для ЭЭГ и сохранять постоянное значение по всей ши-
рине записи.
Усилитель должен иметы
а) коэффициент усиления порядка 10s— 10е (см. табл, на с. 127);
б) коэффициент дискриминации синфазных помех (см. § 49) поряд-
ка 103—10s;
в) уровень собственных шумов при ЭКГ не выше 2—3 мкВ.
г) высокое входное (0,3—1 МОм) и низкое выходное сопротивле-
ния (при электромагнитном вибраторе 8—25 Ом, при фотозаписи —
до 100 Ом).
Усилитель в аппаратах для электрографии, как правило, содержит
источник калибровочного сигнала. Калибровочный сигнал — это точ-
но выверенное напряжение (1 мВ для ЭКГ и 100 мкВ для ЭЭГ), кото-
рое подается на вход усилителя и регистрируется на ленте записи в ви-
де прямоугольного импульса. Высота этого импульса олужит масшта-
бом для ординат регистрируемой кривой. Необходимость калибровоч-
ного сигнала обусловлена тем, что общее усиление, реализуемое при
каждой записи, регулируется индивидуально (см. § 48).
Определенные требования предъявляются также и к регистрирую-
щему устройству, которое может вносить в результат записи дополни-
тельные искажения. Причиной их может быть неподходящая частот-
ная характеристика или инерционность подвижной части регистри-
рующего прибора, а также трение писчика при записи на бумажной
ленте. Кроме того, требуется достаточная чувствительность, обеспе-
чивающая необходимую величину ординат записи, а также ее по-
стоянство (линейная характеристика) во всем диапазоне ординат.
Основу регистрирующего устройства в аппаратах для электрогра-
фии обычно составляет электромагнитный поляризационный гальвано-
метр или вибратор (см. в. 134). Принцип самой записи может быть раз-
личным. 4
При оптической регистрации на якоре гальванометра укрепляетвя
легкое зеркальце, колебания которого с помощью отраженного свето-
вого луча регистрируются на движущейся фотопленке. Примерная
схема такого устройства показана на рис. 113: осветитель /, лучи све-
та от которого с помощью линз 2 и 3 направляются на зеркальце 4
гальванометра Г и на зеркальце 6 отметчика времени О. Лучи, отра-
женные от зеркалец 4 и 6, линзой 5 фокусируются на фотопленке 7.
• Следует учитывать, что пределы частот полосы пропускания зависят также
от необходимой степени точности вооспроизведения действительной формы кри-
вой, которая, например, для клинических или исследовательских целей может
быть различной. В частности, если для ЭКГ в первом случае достаточны пределы
от 0,5 до 100 Гц, то во втором — желательны от 0,1 до 300—500 Гц,
6 Н. М Ливеицев "
129
Часть лучей, отраженных от зеркальца гальванометра, в помощью
зеркальца 10 и линзы 8 отбрасывается на стекло 9 на панели управле-
ния аппарата для визуального контроля за отклонением светового
пятна..
Регистрирующее устройство (см. рис. 115) содержит также заряд-
ную и приемную кассеты и пружинный механизм, приводящий в дви-
жение фотопленку.
Оптическая регистрация безынерционна, не имеет трущихся частей,
пределы ее частотной характеристики достаточно широки, поэтому она
обеспечивает весьма совершенную запись. Недостатком ее является
необходимость проявления фотопленки и потому невозможность на-
блюдения результата в процессе самой записи. '
Чернильно-перьевая регистрация (см. рис. 120) состоит в том, что
на оси вибратора укреплено специальное капиллярное перо, соеди-
ненное гибкой трубкой с резервуаром для чернил, которое и вычерчи-
вает кривую на простой бумажной ленте, лента приводится в движе-
ние синхронным электромотором. Трение пера о бумагу может вызы-
вать искажение записи. (Для предупреждения этого принимаются
специальные меры.) Поэтому чериильно-пишущая регистрация при-
меняется только для низкочастотных процессов (до 150 Гц). Основное
ее преимущество — возможность наблюдения регистрируемой кривой
непосредственно в процессе записи. Значительно более совершенной
является струйная регистрация. При ней с якорем гальванометра
скрепляется трубка, из которой под давлением выбрасывается тончай-
шая струйка специальной краски, эта струйка и записывает кривую
(трубка бумаги не касается). Такую запись можно применять при час-
тоте до 500—700 Гц. Недостатком ее является сложность устройства
гальванометра.
Хорошие результаты дает также запись на тепловой бумаге, кото-
рая представляет цветную бумажную ленту, покрытую тонким слоем
белой воскообразной массы. Кончик пера вибратора при этой записи
содержит нагревательный элемент и при движении по ленте расплав-
ляет тонкой линией наружный слой, в связи с чем проступает окра-
шенная основа и запись получает внд цветной линии на белом фоне.
Применяется также ксерографическая регистрация, заключающаяся
в том, что перо вйбратора подключается к источнику постоянного вы-
130
сокого потенциала и при соприкосновении с бумагой, имеющей спе-
циальное диэлектрическое покрытие, образует на нем скрытое элект-
рическое изображение кривой записи. Это изображение затем прояв-
ляется, если обсыпать бумагу окрашенным порошком, частицы кото-
рого имеют заряд, по знаку противоположный заряду изображения,
и прилипают к нему, Проявленное изображение фиксируется путем
нагревания.
Применяются также и самостоятельные многоканальные регистри-
рующие устройства, к которым подключаются выходы усилителей от
различных аппаратов для одновременной регистрации (на общей лен-
те) нескольких независимых процессов. Такие устройства называются
полиграфами.
Кроме рассмотренных способов записи кривой применяется также
наблюдение ее на экране электроннолучевой трубки (при необходи-
мости с последующим фотографированием).
Определение масштаба оси времени зависит от способа регистра-
ции. При чернильной или тепловой записи лента приводится в движе-
ние синхронным моторчиком с постоянной скоростью. Масштаб вре-
мени при этом остается постоянным и может быть нанесен в виде сет-
ки на ленту записи.
При оптической регистрации применяется отдельный отметчик
времени, в простейшем виде это упругая пластинка с наклеенным на
нее зеркальцем, которая колеблется со строго постоянным периодом
и в необходимые моменты отбрасывает луч от осветителя на ленту запи-
си (рис. 113).
Аппараты для электрографии различаются также по числу каналов
для одновременной записи нескольких процессов (одно-, двух-, трех-
канальные и т, д.).
Электрокардиографы можно еще разделять по источникам питания:
от сети, от автономного источника и универсальное. Аппараты для
остальных видов электрографии имеют, как правило, питание от сети.
§ 142. Электрокардиографы
Простейшим по устройству является электрокардиограф ЭКП-60*
— портативный для помощи на дому или у постели больного с пита-
нием постоянным напряжением от сухой батареи, одноканальный, о
оптической регистрацией.
Принципиальная схема усилителя (без цепи питания) приведена
на рис. 114. Усилитель имеет три ступени и работает на лампах: пер-
вые две Л] и — пентоды (1Б2П) и третья JIS — тетрод (2П2П). На-
пряжение подлежащее усилению, через сеточный резистор под-
водится между сеткой и катодом первой лампы. Напряжение, усилен-
ное в лампе Ли через конденсатор подается на сетку лампы Л2 и
* Электрокардиограф ЭКП-60 считается устаревшим и в настоящее время
не выпускается. Он заменяется транзисторными типа «Салюта и «Малыш» (см.
с. 137). Однако во многих местах он еще находится в эксплуатации и, кроме
того, полезен как подготовительная ступень к изучению более сложных аппара-
тов. Поэтому ознакомление с его устройством мы считаем весьма полезным.
5*
131
после усиления в ней через конденсатор Са и потенциометр R8 — на
сетку лампы Л8. Потенциометр Re служит для регулировки общего
усиления. В анодную цепь выходной лампы Л8 включен гальванометр,
регистрирующий непосредственно колебания ее анодного тока. Ре-
зисторы Rx и Т?4 — анодные, или нагрузочные; RB, /?12, Т?14 — авто-
матического смещения, 7?и — сеточный лампы Л2 и R2 — R10, Rb —
—Ria, R« — Re — делители напряжения для экранирующих сеток.
Рис. 114
Схема оптической регистрации в аппарате соответствует рис. 113.
На рис. 115 показано расположение деталей внутри аппарата. Со сто-
роны передней стенки находятся: гальванометр / с отметчиком вре-
мени 2 и против него осветитель 3, вверху — лампы 4 усилителя и спра-
ва зарядная 5 и приемная 6 кассеты для пленки; позади кассет — пру-
жинный механизм, обе-
спечивающий движение
пленки (ручка 7 для его
завода). В нижнем и зад-
нем отделениях корпуса
расположены источники
питания — батарея для
анодных цепей и акку-
мулятор для накала, а
также устройство для
зарядки аккумулятора
от осветительной сети.
В настоящее время
наибольшее распростра-
нение имеют аппараты
Рис. 11S
с питанием переменным
током от осветительной сети. Примером может служить одноканаль-
ный электрокардиограф с оптической записью ЭКПС-2. Принци-
пиальная схема усилителя в нем характерна для электрокардиографов
с питанием от сети переменного тока.
132
Усилитель, принципиальная схема
которого приведена на рис. 116, —
электронно-ламповый, имеет три сту-
пени, каждая из которых представ-
ляет дифференциальный балансный
усилитель (см. § 51). Усилитель
имеет сильную отрицательную обрат-
ную связь на сетки, которая осущест-
вляется с помощью резисторов /?св,
включенных между катодами ламп и
отрицательным полюсом источника
питания. (В выходной ступени /?св
составлено из нескольких резисторов,
что не имеет принципиального зна-
чения.)
Так как сильная обратная связь
создает на сетках ламп чрезмерно вы-
сокое отрицательное смещение, оно в
необходимой степени компенсируется
независимым положительным смеще-
нием, которое образуется на резисто-
ре R2 делителя Rx —г Т?2, подключен-
ного к питающему напряжению. Для
этого средние точки делителей сеточ-
ного напряжения на входе 2-го и 3-го
каскадов подключены к отдельному
общему нулевому проводу. Через этот
провод подаются оба вида смещения
на сетки, а сам провод соединяется
(через резистор R„) с защитным элек-
тродом «правая нога» (ПН) и зазем-
ляется на входе. В первой ступени де-
литель рабочего сигнала образуется
сеточными резисторами Rc, которые
через электроды и проводящие среды
тела человека соединяются между со-
бой и через электрод ПН с общим ну-
левым проводом.
В анодной цепи выходной ступени
включен регистрирующий гальвано-
метр Г, катушки которого шунтиро-
ваны конденсатором С для улучше-
ния частотной характеристики усили-
теля.
Делители сеточного напряжения
на входах 2-й и 3-й ступеней состоят
из сдвоенных потенциометров. На вхо-
де 2-й ступени с их помощью плечи
усилителя балансируются так, чтобы
Рис. 116
133
уравнять анодные токи ламп. На входе 3-й' ступени о помощью этих
потенциометров регулируется общее усиление. Ручка потенциометра
выведена на панель управления.
Питание усилителя осуществляется от выпрямителя В на полупро-
водниковых диодах, собранных по мостовой схеме, с двухступенчатым
сглаживающим фильтром -(анодные цепи и экранирующие сетки ламп
выходной ступени) и двойной стабилизацией с помощью газона-
полненных ламп — стабилитронов Ст
(анодные цепи 1-й и 2-й ступеней, де-
литель 7?! — R2 для смещения)*.
Регистрирующая часть и общее
устройство в значительной мере сход-
ны с аппаратом ЭКП-60.
а)
Г
Рис. 118
2'
3
Рис. 117
Ч
2
j
Другим примером одноканального аппарата с питанием от сети пе-
ременного тока, но с чернильно-пишущей регистрацией является элект-
рокардиограф ЭКПСЧ-4. Принципиальная схема усилителя в нем соот-
ветствует схеме аппарата ЭКПС-2, но усилитель имеет четыре ступени
(что необходимо в связи с применением более мощного вибратора).
В электрокардиографе ЭКПСЧ-4 используется чернильно-пишу-
щий регистратор или самописец, применяемый во многих других элект-
рографических аппаратах. Вибратор самописца (рис. 117: а — общий
вид, б — разрез по линии Л) представляет электромагнитный поляри-
вованный гальванометр, в цепи магнитопровода которого имеется
рильный магнит /, образующий основной постоянный магнитный по-
tqk Фо. Двусторонний магнитопровод 2 состоит из двух П-образных
сердечников 3, расположенных встречно в горизонтальной плоскости.
* На схеме ряс. 116 сравнительно с рабочей схемой усилителя не показаны:
цепь питания накала ламп, питание моторчика лентопротяжного механизма
цепь для получения калибровочного сигнала, некоторые регулировочные детали,
а также экранироака проаодов н деталей аппарата.
134
Между ними находятся катушки 4, по которым проходит регистрируе-
мый ток, а в центре между полюсами сердечников (и между катушка-
ми) на вертикальной оси 5 — якорь 6. Якорь удерживается в среднем
положении возвратной пружиной. На верхнем конце осн 5 укрепле-
но перо 7 в виде стальной ка-
пиллярной трубки, по кото-
рой поступают чернила.
Переменный магнитный
поток Ф (рис. 118), создавае-
мый переменной составляю-
щей регистрируемого тока,
замыкается через полюса
сердечников 3 и якорь 6.
Таким же путем замыкает-
ся и постоянный поток Фо.
Потоки Фо и Ф, склады-
ваясь, усиливают поле под
парой полюсов сердечни-
ков, расположенных по од-
ной диагонали, и ослабляют
поле под парой полюсов сер-
дечников — по другой диагонали. Образующийся при этом вращаю-
щий момент переводит якорь 6 в одно из крайних положений. Когда
изменится знак мгновенных значений потока Ф, изменится направ-
ление вращающего момента и якорь перейдет в другое крайнее по-.
Рис. 120
ложение. Таким образом, якорь будет совершать колебание, по ча-
стоте и форме соответствующее переменной составляющей регистри-
руемого тока. Колебания якоря писчиком регистрируются на движу-
щейся бумажной ленте.
Общий вид аппарата ЭКПСЧ-4 показан на рис. 119. Внутри корпу-
са аппарата со стороны передней стенки (рис. 120) расположены: 1 —
откидной стол, по которому движется бумажная лента, 2 — катушка
с лентой, 3 — ролики, протягивающие ленту (приводятся в движение
135
от моторчика), 4 — чернильница, 5 — вибратор, 6 — писчик. Над
столом 1 (рис. 119) расположена панель П с ручками управления и
регулировки, на правой стенке — ручка переключателя отведений
(770). Со стороны задней стенки корпуса (рис. 121) расположены: 7 —
Рис. 121
моторчик лентопротяжного механизма, 2 — трансформатор блока пи«
тания, 3 — лампы и детали усилителя, 4 — монтажная "планка.
В настоящее время выпускается также типовой многоканальный
электрокардиограф " «ЭЛКАР», подобный предыдущему по принци-
пиальной схеме усилителя и ра-
бочим характеристикам, но зна-
чительно отличающийся по кон-
структивному выполнению. Для
удобства ремонта и эксплуата-
ции аппарат составляется из от-
дельных взаимозаменяемых бло-
ков (кассет), представляющих
самостоятельный двухканаль-
ный усилитель, но с общими
регистрирующей частью и бло-
ком управления. Таким обра-
зом, аппарат может иметь число
каналов 2, 4 или 6. Общий вид
шестиканального аппарата по-
казан на рис. 122 (на рисунке
обозначено: 1 — блок управле-
ния,^—общая- лента записи,
3 — вибраторы, 4 — усилители, 5 — входные блоки), а отдельного
двухканального блока — на рис. 123 (на рисунке обозначено: 7 —
вибратор, 2 — усилитель, 3 — входная часть, 4 — питание уси-
лителя).
136
За последние годы разработаны и начинают выпускаться малога-
баритные одноканальные транзисторные электрокардиографы с уни-
версальным питанием (от сети переменного тока и аккумулятора) и с
тепловой регистрацией — «Салют» и «Малыш».
В электрокардиографе «Салют» используется усилитель постоян-
ного тока (УПТ) с преобразованием частоты (см. § 50). Усилитель
состоит из двух основ-
ных блоков (рис. 124):
усилителя- преобразова-
теля (УБ-6) и усилителя
мощности (УМ-9), на вы-
ходе которого включен
регистрирующий вибра-
тор Г, а также из блока
регулировки БР и бло-
ка питания БП. Полная
принципиальная схема
из-за сложности не при-
водится.
Общий вид аппарата
(вид сверху) показан на
рис. 125, на котором
обозначено: 1 — блок
питания, 2 — панель
управления, 3—вибра-
тор (поляризованного
типа, но по устройству
отличающийся от пока-
занного на рис. 117),
4 — лента записи, 5 —
тепловой писчик, 6 —
переключатель отведе-
ний. На рис. 126 пока-
зан вид снизу со снятой
крышкой: 1 — мотор-
чик, приводящий в дви-
жение ленту, 2 — плата
с деталями УБ-6, 3 —
плата с деталями УМ-9.
рис. 123
Рис. 124
В электрокардиографе «Малыш» (общий вид — рис, 127, ст, 1 —
лента записи, 2 — панель усилителя). Усилитель выполнен по схеме
прямого многоступенчатого усилителя. Он состоит (блок-схема —
на рис. 127, б) из предварительного усилителя ПУ, на вход которого
поступают потенциалы от переключателя отведений, и основного уси-
лителя УПТ, на выходе которого включен регистрирующий вибратор
В. Все ступени в усилителе выполнены как усилители постоянного
тока по дифференциальной балансной схеме (см. § 51).
Несколько упрощенная приципиальная схема предварительного усилителя
(ПУ) приведена на рис. 128. Усилитель имеет три ступени, собранные на тран-
137
зисторах Ti—Tt с нагрузочными резисторами Rt—Rt. Входная ступень рабо-
тает на сдвоенном полевом* транзисторе Tt—Тг, отличающемся высоким вход-
ным сопротивлением. Вторая ступень — транзисторы Тя—Ts включены как
эмиттерные повторители. Третья ступень—транзисторы —Тл— выходная.
Рис. 12S
«О
Рис. 127
.В потоковой цепи транзисторов 7\ и Tt включен балансовый резистор Ri0.'
Его средняя точка соединяется с минусом источника питания через выходную
и пь транзистора Ту (последовательно с резистором Ry), которая используется
в качестве автоматически регулируемого сопротивления отрицательной обратной
саязи. На атом сопротивлении
токами транзисторов 7\ и Т2 об-,
разуется значительное напряже-
ние, которое через источник пи-
тания, его заземление, электрод
ПН, тело больного и электроды
и провода регистрируемого отве-
дения передается на затворы
транзисторов входного каскада и
способствует подавлению сигнала
синфазной наводки
На базу Ту подается напря-
жение смещения, образуемое то-
ками Транзисторов Ть и Тв вы-
ходного каскада на резисторе RB,
который включен между средней
точкой резистора Rs (балансовый
резистор в эмиттериой цепи Ть и
Т8) и минусом источника пита-
ния. Поскольку сопротивление
выходной цепи транзистора обус-
ловлено смешением на базе, то
таким образом обеспечивается зависимость сопротивления транзистора Т„
включенного в цепи транзисторов входного каскада, от тока в цепи транзи-
сторов выходного каскада и соответственно компенсация изменений последнего
под влиянием внешних причин В результате с помощью транзистора Ту осу-
ществляется автоматическая стабилизация режима работы всего предваритель-
* Полевой транзистор по принципу действия аналогичен транзистору, рас-
смотренному в § 55, одиако значительно отличается от него как по устройству
и характеристикам, так и по условному обозначению на схемах (рис. 128) н
названиям его основных элементов: сток (с) соответствует коллектору, исток
(и) — эмиттеру н затвор (з) — базе. На подробностях ие останавливаемся.
138
него усилителя (регулировка всея
упомянутых резисторов происходит
одновременно при «наладке» режима
усилителя)
Положительное смещение на ба-
зах транзисторов Тв—Тв образуется
за счет постоянной составляющей по-
данного на ннх напряжения с выхо-
да предыдущего каскада
Значительное сходство с элек-
трокардиографом по принципу
устройства имеет и аппарат для
регистрации биопотенциалов
мозга — электроэнцефалограф.
Отличается он главным образом
более высокой чувствитель-
ностью, а также большей слож-
ностью в деталях устройства.
Как правило, электроэнцефа-
лографы — аппараты многока-
нальные с числом каналов 4, 8,
16, реже 32. Каждый канал
имеет отдельный усилитель, на
выходе которого подключен чер-
нильно-пишущий вибратор с за-
писью на общей бумажной лен-
те. Общий коэффициент усиле-
ния должен быть порядка 10Б—
10е. Поэтому усилитель имеет
5—7 ступеней. Обычно в таком
усилителе различают три части,
несколько отличающиеся по ха-
рактеристикам: предваритель-
ный усилитель ПУ, основной
усилитель У по напряжению и
выходной ВУ — по мощности,
Кроме того, блок-схема электро-
энцефалографа (рис. 129) содер-
жит: входной коммутатор К для
подсоединения электродов к лю-
бому каналу записи, источник
калибровочного сигнала С, блок
питания БП и на выходе —
вибратор Г. Ступени усилите-
ля — это дифференциальные ба-
лансовые усилители, чаще элек-
тронно-ламповые.
Кроме различных отметчи-
ков аппарат обычно содержит
систему фильтров, позволяющих
Рис. 128
Рис. 130
139
выделить в процессе записи определенные частотные диапазоны, а тад-
же измерительные приборы, необходимые при настройке усилителей.
На рис. 130 показан четырехканальный электроэнцефалограф от-
носительно простого устройства (на рисунке обозначено: Г — регист-
рирующее устройство, Б лента, У — усилитель и К — электрон-
нолучевые трубки для визуального контроля); на рис. 131 — восьми-
канальный аппарат 1 в комплек-
те с приборами для анализа элек-
троэнцефалограмм (см. § 165):
частотного анализатора 2 (тип
АЭГ8-01М) и интегратора 3 (ти-
РиС. 131
Рис. 132
па ИЭГ8-0 1 М).
Электроннолучевой осцилло-
граф (см. § 52), приспособлен-
ный для наблюдения на экране
трубки низкочастотных процес-
сов, в частности электрокардио-л
граммы, называется электро*
кардиоскопом и применяется,
например, в операционных для
контроля работы сердца опери-
руемого.
Электрокардиоскоп, приспо-
собленный для наблюдения на
экране трубки вектор-электро-
кардиограмм, называется век-
тор-электрокардиоскопом. 'В на-
стоящее время выпускается два
типа таких аппаратов однока-
нальный ВЭКС-01М и трехка-
нальный ВЭКС-4М (рис. 132).
В последнем на экране большого
диаметра можно наблюдать или
электрокардиограммы одновре-
менно в трех отведениях, или
три вектор-электрокардиограм-
мы также одновременно в трех взаимно перпендикулярных плоско-
стях. (Заметим, что трубка в аппарате ВЭКС-4М является однолуче-
вой, а три изображения на экране образуются с помощью электрон-
ного коммутатора, распределяющего луч на три кривые).
§ 143. Электрическая регистрация неэлектрических величин.
Эндометрия. Радиотелеметрий
Высокая чувствительность и малая инерционность электрических
измерительных и регистрирующих приборов используется при элект-
рическом измерении неэлектрических величин. Эти методы широко
применяются в биологии и медицине для измерения и регистрации раз-
нообразных параметров, характеризующих состояние или деятельность
140
органов или систем организма: температуры, давления, раз-
личного рода движений, колебательных процессов и т. д.
Аппараты, применяемые для этой цели, имеют много общего с ап-
паратами для электрографии, отличаясь главным образом по устрой-
ству входной части, которая вместо электродов содержит специальное
устройство, называемое датчиком или измерительным преобразова-
телем. С помощью этого устройства какая-либо физическая величина
воспринимается и преобразуется в пропорциональный ей электричес-
кий сигнал. Таким образом, аппарат состоит из трех основных частей:
датчика Д, усилителя У и регистрирующей части Р (рис. 133, а). Во
многих случаях используется непосредственно один из каналов элек-
трокардиографа, к которому датчик подклю-
чается через особую приставку П (рис. 133, б),
согласующую выходные параметры датчика с
характеристиками входа усилителя электрокар-
диографа.
В зависимости от характера преобразуемых
величин датчики подразделяются на механиче- >
ские, звуковые, температурные, оптические ₽ис. из
и т.п. Некоторые из них — звуковые (микро-
фон), температурные (термистор и термопара), оптические (фотоэле-
менты) — уже рассматривались.'
В данном параграфе описываются механические датчики, в основ-
ном применяемые при различных методах исследования деятельности
сердечно-сосудистой системы, как, например, электроманометрии (из-
мерение давления крови в полостях сердца), электросфигмографии и
электрофлебографии (запись кривых артериального и венозного пульса)
баллистокардиографии (см. § 7) и др.
По принципу действия все датчики можно разделить на две группы:
1) генераторные, в которых вследствие механических воздействий воз-
буждается разность потенциалов. Это в основном пьезоэлектрический
и индукционный датчики; 2) параметрические, в которых под влиянием
регистрируемых механических усилий или перемещений изменяются
электрические параметры датчика: сопротивление (резистивные дат-
чики), индуктивность (индуктивные датчики) или емкость (емкостные
датчики). Эти датчики требуют отдельного источника питания.
В качестве примера пьезодатчика рассмотрим датчик для записи
пульса лучевой артерии ’(рис, 134, а, б). Основным элементом его
является пластинка П из сегнетоэлектрика, одним концом закреплен-
ная в держателе Д, который укреплен на манжете М, надеваемой при
исследовании на запястье. Свободный конец пластинки П посредством
пуговки К касается стенки артерии. Колебания ее стенки передаются
концу пластинки П и вызывают в ней деформацию изгиба. Возбуж-
дающаяся при этом на ее поверхностях переменная разность потен-
циалов, повторяющая по форме колебания стенки артерии, с помощью
электродов и проводов передается к усилителю, а затем к регистрирую-
щему устройству. Кривая, записанная при этом (рис, 134, в), называет-
ся сфигмограммой.
Индукционный датчик основан на том, что механические переме-
щения постоянного магнита, расположенного между двумя неподвиж-
ными катушками (или, наоборот, перемещение катушек по отношению
к магниту), вызывают в них индукционный ток, колебания которого
отражают характер колебаний магнита. В качестве примера опи-
шем датчик для прямой баллистокардиографии. Неподвижным эле-
ментом датчика является короткий
сильный постоянный магнит М
(рис. 135, а). Штатив Ш с магнитом
устанавливается на стол, на кото-
Рис. 13S
Рис. 134
ром лежит исследуемый, между его голенями (рис. 135, б). На голенях,
свободно лежащих на подставке П, располагается колодка К с двумя
катушками, между которыми и помещается магнит датчика. Ток, ин-
дуктируемый при смещениях катушек относительно магии-
та, передается на усилитель и реги-
стрирующее устройство. Записанная
таким образом баллистокардиограмма
показана на рис. 135, в.
Датчики сопротивления выпол-
няются или в виде тонкой проволоки
из специального сплава, или в виде
столбика из вещества, сопротивле-
Рис. 136
ние которого сильно изменяется при
растяжении или сжатии, например из кремнийорганической резины
(силикон), прессованной металлизированной смолы и т. п. Концы
проволоки или столбика скрепляются с основой и подвижным эле-
ментом датчика. На рис. 136 показана схема резистивного датчика
для измерения давления. Жидкость под давлением р, заполняющая
камеру /(, прогибает мембрану М, Мембрана в центре соединена
• 143
о движком Д, растягивающим при этом петлю R из тонкой проволо-
ки, концы которой закреплены в етойках С. При растяжении проволо-
ки изменяется ее сопротивление. Концы проволоки с помощью про-
водов П подключаются^. к измерительному (или регистрирующему)
прибору, в котором изменение сопротивления проволоки вызывает
отклонение стрелки, соответствующее давлению ня мембрану.
Индуктивный датчик состоит из электромагнита о незамкнутым
сердечником и замыкающим его подвижным якорем. В зависимости от
положения якоря изменяется индуктивное сопротивление катушки
электромагнита, которая подключается к измерительному или регист-
ру. *17
рируюшему устройству. К индуктивным датчикам относится транс-
форматорный датчик. Например, датчик давления (рис. 137), состоя-
щий из двух кагушек К (7 и Н), связанных общим сердечником С, сое- \
диненным с мембраной А1. На первичную катушку подается перемен-
ное напряжение (4—5 кГц). Измеряется напряжение, индуктируемое
во вторичной катушке, величина которого зависит от положения сер-
дечника (77 — провод).
Емкостные датчики представляют конденсатор из двух параллель-
ных пластин, одна из которых скрепляется с подвижным элементом
датчика. Изменение емкостного сопротивления конденсатора изме-
ряется или регистрируется с помощью соответствующего устройства.
Дальнейшее развитие методов электрического измерения иеэлек-
трических величин связано о миниатюризацией электронной аппара-
туры. Использование элементов микроэлектроники (см. с, 145) позво-
ляет не только уменьшить размеры и массу применяемых в медицине
приборов и аппаратов, но и создать принципиально новые приборы
и- датчики настолько малых размеров, что они могут безопасно вво-
диться внутрь полостей различных органов и даже вживляться в
ткани организма. Таким образом, появились новые диагностические
приемы, называемые эндорадиометрией.
Например, описанный выше датчик давления в миниатюрном ис-
полнении имеет диаметр'2—3 мм (рис. 138) и, будучи помещен на кон-
це полиэтиленового катетера, может быть введен в полость сердца
через впадающие в него вены. Такой прибор называется электромано-
метром.
*43
В качестве другого примера укажем метод исследования темпера-
туры, давления и кислотности (pH) среды в желудочно-кишечном трак-
те о помощью эндорадиозондов, имеющих форму пилюли (рио. 139, а),
которую исследуемый проглатывает. В пилюле (рис. 139, б) находится
микрорадиогенератор, содержащий источник питания 17 о включателем
В, транзистор Т, детали контуров/( и на открытом конце — датчик Д,
воздействующий на частоту генерируемых колебаний. Датчиком тем-
Рис. 139
пературы служит термистор, давления — катушка индуктивности ко-
лебательного контура генератора, связанная с мембраной М, датчиком
для определения кислотности (pH) среды — два платиновых электрода.
Источником питания генератора является щелочной микроаккуму-
лятор. Сигналы от эндорадиозонда Р принимаются с помощью распо-
ложенной снаружи антенны А (рис. 140) и после усиления (усилитель
У) передается к регистрирующему устройству П.
Рис. 140
С помощью радиоволн может быть передана на расстояние любая
информация, касающаяся физиологического состояния человека, на-
пример электрокардиограмма. Биопотенциалы сердца после усиле-
ния подаются в радиопередатчик и соответствующим образом моду-
лируют излучаемые волны. Таким образом, например, получается
информация о состоянии сердечной деятельности, дыхания и т. п.
у космонавтов во время их полета в космос.
144
В настоящее время этот принцип втал применятьвя для получения
физиологической информации в условиях, не допускающих исполь-
вования обычных методов непосредственного наблюдения, например
у спортсменов во время упражнений, у рабочих,
находящихся у станка, и т. п. Метод называется
радиотелеметрией. При этом исследуемый снаб-
жается транзисторным радиопередатчиком, из-
лучающим короткие радиоволны, модулируемые
соответствующими сигналами. В качестве при-
мера иа рис. 141 показана аппаратура для снятия
у спортсмена электрокардиограммы. Миниатюр-
ный передатчик вместе о антенной А помещается
в шлеме на голове испытуемого, источник пита-
ния—на спине в ранце. Сигналы регистрируют-
ся, принимаются и расшифровываются во вра-
чебном кабинете, находящемся на расвтоянии
нескольких сотен метров.
Область электроники, разрабатывающая вопросы
создания сверхминиатюрной аппаратуры, называется
микроэлектроникой.
Развитие микроэлектроники началось с применения
Рис. 141
бескорпусных диодоа
и транзисторов, изготовленных в виде кристалла полупроводника размером
1—2 мм, в котором образованы необходимые n-р-переходы. В настоящее время
основным элементом микроэлектроники является интегральная схема (ИО), пред-
ставляющая самостоятельный функцио-
нальный элемент ил и. узел электрон-
ного устройства, изготовленный в виде
взаимозаменяемого блока (микромоду-
ля). Размеры такого микромодуля из-
меряются миллиметрами, масса — грам-
мами.
При изготовлении деталей микро-
модуля используются сварка, легирова-
Рис. 142
+ЕСМ
Рис. 143
ние, испарение, осаждение (напыливание) и другие микропроцессы, осуществляе-
мые под вакуумом с помощью остросфокусированных электронных пучков.
Затем микромодуль герметизируется в общем корпусе.
Различают три основных принципа устройства микромодуля: пленочный,
полупроводниковый (монолитный) и гибридный. '
Пленочный принцип осуществляется путем осаждения на общую подложку
пленок из металла илн диэлектрика, применяется преимущественно при изго-
145
топлении пассивных элементов микросхем: сопротивлений, индуктивностей я
емкостей, а также соединений между ними
Полупроводниковый принцип применяется для изготовления активных эле-
ментов: диодов и транзисторов Для этого в едином кристалле полупроводника
путем точечного легирования соответствующих примесей изготовляется множест-
во р-п-переходов (сотни на 1 см2), которые образуют необходимую систему дио-
дов и транзисторов. При этом диоды и транзисторы используются также
в качестве сопротивлений и емкостей (т. I с. 187)
При смешанном принципе (гибридные микросхемы) пленочный метод при-
меняется для пассивных элементов, а активные выполняются в виде навесных
кристаллов
В зависимости от числа составляющих компонентов микросхемы разделя-
ются на схемы с низкой (10—20), средней (50—100), высокой (больше 100) сте-
пенями интеграции.
Интегральные микросхемы получают все большее распространение а элект-
ронной апаратуре, что позволяет значительно снизить ее размеры, массу и
расход энергии н в то же время повысить качество и особенно надежность работы.
На рис. 142 показано несколько интегральных схем. С помощью наружных
выводов микромодуль подключается к источнику питания и соединяется с дру-
гими элементами схемы В качестве примера на рис. 143 представлены микромо-
дуль (о) одноступенчатого усилителя и его принципиальная электрическая схе-
ма (б) Микромодуль имеет 9 выводов: к 1-му подаодится усиливаемый сигнал,
который через разделительный конденсатор Cj поступает на бйзу транзистора 7\.
Ко 2-му выводу подводится напряжение- смещения £’см, а к 4-му — напряжение
питания Резисторы /?« и являются нагрузочными. Усиленное напряжение
снимается с 3-го выхода Резистор 4 и конденсатор Ся служат для устранения
связи через источник питания с другими каскадами усиления, резистор Rj
(с конденсатором С£) — для стабилизации режима работы транзистора Выводы
6 и 1 заземляются (вывод 5 в данном случае не используется).
Глава 27
ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИЯ
§ 144. Электрические свойства тканей организма
Органические вещества (белки, жиры, углеводы), из которых со-
стоят плотные части тканей, в чистом и сухом виде являются диэлект-
риками. Однако все ткани и клетки в организме содержат или омы-
ваются жидкостями (кровь, лимфа, различные тканевые жидкости),
в состав которых кроме органических коллоидов входят растворы
электролитов. Поэтому эти жидкости являются относительно хороши-
ми проводниками.
Общая концентрация растворов электролитов в жидких средах ор-
ганизма эквивалентна 0,9%-ному раствору хлористого .натрия. По-
этому подобный раствор, называемый изотоническим, может служить
моделью при изучении прохождения тока в тканях организма.
Напомним-, что прохождение тока в цепи, содержащей раствор элек-
тролита, сопровождается рядом особых явлений, происходящих на
поверхности электродов или в растворе, их окружающем. Эти явле-
ния объединяются под названием электрохимической поляризации-, к
ним относятся, например, электролиз растворенного вещества, реак-
ции между продуктами электролиза и веществом электрода или раст-
ворителя (водой), образование местных концентрационных простран-
146
ственных зарядов и т. п. В результате этих явлений происходит из-
менение переходного сопротивления электродов, образование в цепи
потенциалов, противоположных по знаку приложенному напряже-
нию, и т. д. По мере накопления в цепи продуктов поляризации ток
(при постоянном приложенном напряжении) постепенно уменьшается.
Однако возможно и его внезапное увеличение, например, при отрыве
с поверхности электродов пузырьков газа, образовавшегося на них
в случае указанных процессов.
Для того чтобы исключить эти явления, например при физиологи-
ческих исследованиях, применяются неполяризующиеся электроды,
которые состоят из металла, погруженного в раствор его соли (напри-
мер, Zn — ZnSO4), или из металла, покрытого его же солью (напри-
мер, Ag — AgCl). В этом случае явления электролиза ограничиваются
только растворением (на аноде) или выделением (на катоде) металла,
из которого состоят электроды.
Продукты электролиза раствора хлористого натрия, образующиеся
на поверхности отрицательного электрода, содержат едкую щелочь
(NaOH), а образующиеся на поверхности положительного — соляную
кислоту (НО), т. е. вещества, имеющие прижигающее действие. По-
этому при любых условиях (включая и эксперименты на животных) нель-
зя при действии постоянным током накладывать непосредственно на
поверхность тела металлические электроды. ' Под электрод (между
электродом и кожей) обязательно должна помещаться прокладка из
ткани, смоченной изоюническим раствором (или практически водопро-
водной водой).
Различные среды и ткани организма имеют различную электро-
проводность. Наилучшую электропроводность имеют спинномозговая
жидкость и сыворотка крови, несколько меньшую — цельная кровь
и мышечная ткань. Значительно меньше электропроводность тканей
внутренних органов, а также мозговой (нервной), жировой и соедини-
тельной тканей. Плохими проводниками, которые следует отнести к
диэлектрикам, являются роговой слой кожи, связки и сухожилия и
особенно костная ткань без надкостницы.
Приведем примерные значения удельной электропроводности у
(Ом-’-см-1) различных тканей организма при постоянном токе (для
изотонического раствора при t = 37° Су — 0,019);
Спинномозговая жидкость................. 0,018
Сызоротка крови......................... 0014
Кровь....................:........... 0,006
Мышцы...................................0,005
Внутренние органы.................... 0,002—0,003
Мозговая н нервная ткань.............. 0,0007
Жировая ткань......................... 0,0003
Кожа сухая.............................. 10*’
Кость без надкостницы................... 10*9
При лечебных процедурах электроды с прокладками накладывают-
ся в определенных местах на поверхность тела. Электропроводность
тканей цлежду электродами в значительной степени обусловлена элект-
ропроводностью слоя кожи и подкожно-жировойГ клетчатки, находя-
147
щихся непосредственно под электродами, так как ток, пройдя через
этот слой, разветвляется и через более глубоко лежащие ткани проходит
множеством параллельных ветвей (или «петель» тока) по путям с наи-
меньшим сопротивлением. Такими путями являются, например, скоп-
ления и потоки тканевой жидкости, кровеносные и лимфатические
сосуды, оболочки нервных стволов и т. п. Поэтому разветвления тока
в тканях живого организма могут быть очень сложными и даже захва-
тывать области, отдаленные от места наложения электродов.
Электропроводность кожи, через которую ток проходит главным
образом по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от тол-
щины и состояния ее поверхностного слоя. Тон-
Рис. 144
кая, нежная и особенно увлажненная кожа, а
также кожа с поврежденным наружным слоем
эпидермиса довольно хорошо проводят ток,
Наоборот, сухая огрубевшая кожа яв'ляется
плохим проводником.
Ткани организма состоят из структурных
элементов — клеток, омываемых тканевой жид-
костью. Такой элемент представляет две среды,
относительно хорошо проводящие ток (тканевая
жидкость й цитоплазма клетки), разделенные
плохо проводящим Слоем — клеточной оболоч-
кой (мембраной). Такая система имеет электри-
ческую емкость (рис. 144, а). При прохождении
по тканям постоянного тока в подобных элемен-
тах происходит накопление по обе стороны
мембраны ионов различного знака, т. е. обра-
зуется система, подобная заряженному конден-
сатору (рис. 144, б).
В тканях встречаются и макроскопические образования, состоя-
щие из различных соединительнотканых оболочек и перегородок,
т. е. плохие проводники, по обе стороны которых находятся ткани,
обильно снабженные тканевой жидкостью, — хорошие проводники
(см. участки а, b на схеме рис. 167). Все это придает тканям организма
емкостные свойства.
Вещества, из которых состоят ткани организма, — преимущест-
венно диамагнетики, т, е. практически ткани организма немагнитны*
и заметной индуктивности не имеют.
Таким образом, эквивалентная электрическая схема участка тканей
организма, находящихся между наложенными на поверхность тела
электродами, должна содержать как электропроводные, так и емкост-
* Однако, как показывают соответствующие исследования, магнитное поле
(постоянное и особенно переменное) может оказывать влияние на процессы
жизнедеятельности как в клетках (например, иа тканевое дыхание), так и
в целостных организмах (действие на нервную, эндокринную и сердечно-сосу-
дистую системы). Изучением этих вопросов занимается наука, называемая
магнитобиологией. Однако отсутствие общепризнанной теории механизма пер-
вичного действия магнитного поля на ткани организма ограничивай* приме-
нение магнитного поля с лечебной целью в рамках клинического эксперимента,
148
ные элементы, т. е. она может быть составлена из резисторов и кон-
денсаторов, включенных между собой последовательно или па-
раллельно. Наиболее распространенными элементами в такой схеме
являются конденсатор С и резистор R', включенные последовательно
и совместно шунтированные резистором R (рис. 145, а) (например, для
слоя кожи и подкожной клетчатки вместе в контактным слоем
между кожей и электродом), или конденсатор С и резистор R, вклю-
ченные параллельно (рис. 145, б, для глубоко лежащих тканей).'
Общее сопротивление и общая емкость участка тканей организма,
находящихся между электродами, в значительной степени зависят
от их площади (площадь прокладок под электродами), плот-
ности прилегания к поверхности тела,
степени увлажнения прокладок и т. д.,
а также состояния самих тканей (степень
кровенаполнения, наличие отечности и
т. п.). В условиях лечебных процедур
это сопротивление при постоянном токе
имеет порядок 1000—50000м, емкость —
несколько сотых долей микрофарады
(при «точечных» электродах сопротивле-
ние увеличивается до десятков тысяч ом
и емкость снижается до тысячных долей
микрофарады).
При переменном токе в цепи о раствором электролита отсутствуют
поляризационные явления и общее сопротивление цепи (сравнительно
с постоянным током) значительно снижается, тем в большей степени,
чем выше частота переменного тока. Для тканей организма это явле-
ние усугубляется возрастанием емкостной проводимости. Поэтому,
например, при высокочастотных процедурах (см. § 151) полное со-
противление (импеданс) тканей организма между электродами сни-
жается до сотен и даже десятков ом.
Полное сопротивление (импеданс) эквивалентной схемы для тканей
организма с учетом их емкосгных свойств при последовательном соеди-
нении сопротивления R и емкости С рассчитывается по. формуле
Z = V/?24-(1/ojC)2 = (1/wC) V1 +(соС₽)2,
соответствующий угол разности фаз *
К
при параллельном соединении
Z = 1/K(i/K)a + W = RlV 1 + (соС/?)4; tg ф = =*м.
Импеданс, например, для схемы на рис. 145, а требует расчета по
еще более сложным формулам.
Поскольку параметры, характеризующие электрические свойст-
ва (электропроводность, емкость, диэлектрическая проницаемость,
импеданс и др.) органов и тканей, зависят от их физиологического
состояния, они могут служить его показателями, что и используется
149
при различных исследованиях. Например, импеданс участка тканей
зависит от интенсивности кровотока в периферических сосудах и
может служить показателем его состояния. Соответствующий метод
исследования называется реографией. При этом регистрируется изме-
нение импеданса определенного участка тканей (обычно на конечнос-
тях), на границе которого наложены электроды. Для измерения им-
педанса применяется переменный ток частотой 20—30 кГц. Зарегистри-
рованная кривая называется реограммой.
§ 145. Электростимуляция в физиологии и клинике
Раздражение электрическим током определенного характера и си-
лы у большей части органов и тканей вызывает такую же реакцию,
как и естественное возбуждение. Это явление широко используется
в физиологии при изучении-функции различных органов и систем,
преимущественно нервной и мышечной. Применение электрического
раздражения для изменения функционального состояния клеток, ор-
ганов и тканей называется их электростимуляцией.
Электрическое раздражение передается объекту с помощью элект-
родов, наложенных на него в определенных точках. Обычно при этом
применяют неполяризующиеся электроды (см. § 144), заканчивающие-
ся мягкой кисточкой, смоченной в изотоническом растворе, или элект-
роды в виде хлорированного серебряного стерженька или пластинки.
В основе действия электрического тока на ткани организма (под-
робнее см. § 148) лежит движение заряженных частиц, преимуществен-
но ионсв тканевых электролитов, в результате чего изменяется обыч-
ный состав ионов по обе стороны клеточной мембраны, в связи с чем
в клетке происходит ряд биофизических и физиологических про-
цессов, вызывающих ее возбуждение.
Опыт показывает, что постоянный ток при установившейся силе
тока (не выходящей из допустимых пределов) раздражающего действия
на ткани организма почти не оказывает. Раздражение вызывается при
изменении силы тока и зависит от скорости, с которой это изменение
происходит (закон Д ю б у а—Р е й м о н а ). Учитывая, что сила
тока i — dq/dt в растворе электролита зависит как от числа движущих-
ся ионов, так и от скорости их перемещения, скорость изменения силы
тока dildt — <Pqldt? следует сопоставить с их ускорением. Поэтому мож-
но считать, что раздражающее действие тока обусловлено ускорением
при перемещении ионов тканевых электролитов.
Наибольшее раздражающее действие тока наблюдается в момент
замыкания цепи под отрицательным электродом (катодом), меньшее —
под положительным электродом (анодом). Поэтому при электрости-
муляции катод является активным электродом.
Поскольку раздражающее действие свойственно быстрым измене-
ниям силы тока, для электростимуляции используются электрические
импульсы, представляющие кратковременное действие тока или на-
пряжения. Применяются одиночные импульсы, посылки (серии), со-
стоящие из определенного числа импульсов, а также импульсы, по-
вторяющиеся ритмически с определенной частотой.
150
Раздражающее действие одиночного импульса тока (рис. 146) за-
висит от его формы (преимущественное значение имеет крутизна на-
растания — tg а), длительности tu и амплитуды, которые являются его
основными характеристиками.
При физиологических исследованиях чаще применяются импуль-.
сы прямоугольной формы. Строго прямоугольная форма импульса —
это идеализация, в реальных условиях
имеют место те или иные нарушения ее,
которые ограничиваются допустимыми
пределами. В первом приближении этим
можно пренебречь.
Следует иметь в виду, что емкостные
свойства тканей могут вызвать изменение
формы импульсов тока (рис. 147, кривая 2)
по сравнению с формой импульсов напря-
жения (кривая /); подробнее см. § 147.
(Раздражающее действие прямоуголь-
ных импульсов в значительной мере за-
висит от их длительности, обусловливаю-
щей наибольшее смещение ионов за время
зависимость описывается уравнением
(рис. 148)
in = a/tB + b.
Рис. 146
действия импульса. Эта
Вейса — Лапика
где in — пороговая* сила тока (амплитуда импульса), — длитель-
ность импульса, а и b — коэффициенты, зависящие от природы возбу-
димой ткани и ее функционального состояния.
Рис. 147
Как видно из графика на рис. 148, предельно кратковременные
импульсы (вызывающие смещение ионов, соизмеримое с амплитудой
колебаний в тепловом движении) не оказывают раздражающего дейст-
вия. При достаточно длительных импульсах (правая ветвь графика)
раздражающее действие их становится независимым от длительности,
значение порогового тока при этом называется реобазой (R). Точка
С кривой, ордината которой равна удвоенной реобазе, определяет дли-
тельность импульса, называемую хронаксией (chr). Хронаксия и рео-
* Порогом в физиологии называется минимальная сила раздражения, вы-
зывающая реакцию возбудимой ткани.
151
база характеризуют возбудимость органа или ткани и могут служить
показателями их функционального состояния или диагностическим
признаком при их поражении.
Согласно закону Дюбуа—Реймона, раздражающее действие тока
зависит от скорости нарастания его мгновенных значений, т. е. от
крутизны переднего фронта импульса. Это связано со свойством воз-
будимых тканей повышать порог («приспосабливаться») к постепенно
нарастающей силе раздражения. Это свойство тканей называется-
аккомодацией и характеризуется снижением порогового тока in
при возрастании крутизны переднего фронта одиночных достаточно
длительных импульсов. Исследование аккомодации производится о
помощью треугольных или трапецеидальных импульсов о регулируе-
мой крутизной переднего фронта.
Способность к аккомодации у возбудимых тканей зависит от их
функционального состояния. Например, у патологически измененных
мышц способность к аккомодации снижается и для них более физиоло-
гическими являются постепенно (экспоненциально) нарастающие
импульсы (см. рис. 150).
Амплитуда импульсов, обусловливающая силу тока в цепи, зави-
сит главным образом от числа ионов, вовлеченных в движение. Из-
менением амплитуды импульсов при определенных их форме и дли-
тельности обычно регулируется сила раздражения при данной про-
цедуре.
Действие на ткани ритмически повторяющихся одиночных импуль-
сов называется частотным раздражением. Частотное раздражение
позволяет выявить особое свойство возбудимых тканей, названное
Н. Е. Введенским лабильностью или функциональной подвижностью,
которое характеризует способность ткани давать оптимальную реак-
цию только в определенных пределах частоты повторения раздражаю-
щих стимулов. Определение лабильности осуществляется путем на-
блюдения характера реакции, например, тетанического сокращения
мышц, при различной частоте раздражающих импульсов тока.
Из области физиологических исследований электростимуляция пе-
решла в клинику, где она используется в качестве лечебного воздейст-
вия при недостаточности или нарушении естественной функции тех
или иных органов или систем.
При лечебной электростимуляции, как правило, применяется час-
тотное раздражение, причем импульсы подаются в форме посылок
различной длительности, чередующихся с паузами для отдыха. Чтобы
электростимуляция имела хороший эффект, характеристики импуль-
сов —; длительность, форма и частота — должны соответствовать па-
раметрам электровозбудимости стимулируемых образований (например,
для пораженных мышц опорно-двигательного аппарата физиологичны
более длительные импульсы с постепенно нарастающим передним фрон-
том и значительно более низкой частоты, чем для здоровых
мышц, и т. п.).
Это соответствие в каждом отдельном случае устанавливается пред-
варительно с помощью электродиагностики. При электродиагностике-
наблюдается реакция (например, характер сокращения мышц) на
152
2ч
3
рис. 149
электрическое раздражение с различными параметрами (одиночные
v импульсы различной длительности и формы, ритмическое раздраже-
ние различной частоты и т. п.). Параметры импульсов, обеспечиваю-
щие оптимальную реакцию, используются затем для электрости-
муляции. Кроме того, так как эти параметры характеризуют функцио-
нальное состояние исследуемого органа, электродиагностика .помо-
гает установить характер их поражения (о этим связано и название
метода).
Наибольшее распространение в клинике имеет электростимуляция
мышц опорно-двигательного аппарата, применяемая для поддержания
их жизнедеятельности и предупреждения атрофии в период наруше-
, ния естественной иннервации, например при травматическом пора-
жении нервного ствола. Ритмические упражнения (сокращения и рас-
слабления) мышц, вызываемые
электрическим раздражением,
поддерживают их сократитель- \
ную способность, обеспечивают
I необходимый обмен веществ и
позволяют сохранить нормаль-
ное функциональное состояние
в период регенерации нервного
ствола. При неполных поражениях нервного ствола, когда функция
мышц частично сохраняется, электростимуляция применяется в фор-
ме активных упражнений, при которых электрическое раздражение
используется для поддержания и усиления активного движения, со-
вершаемого с участием пораженных мышц.
Электростимуляция проводится с помощью электродов с проклад-
ками, наложенных на поверхность тела. Один из электродов (актив-
ный) имеет небольшую площадь («точечный электрод»), что позволяет
сосредоточить раздражающее действие тока на небольшом участке
‘ тканей, и помещается в определенных точках, раздражение которых
является наиболее эффективным, например точки, в которых нервные
стволы расположены близко от поверхности тела, точки вхождения
нервного ствола в мышцу и др. Активный электрод 1 (рис. 149) обыч-
но имеет форму изогнутого стержня с «пуговкой» на конце, которая
прикрывается марлевым тампоном. Стержень вставлен в рукоятку 3,
в которую вделан кнопочный прерыватель 2 цепи тока. Другой элект-
род (неактивный) в виде пластины значительной площади распола-
гается в любом удобном месте.
На рис. 150 показаны примерные графики импульсного тока, при-
меняемого при электростимуляции мышц: а — кратковременные
(1—2 мс) импульсы частотой 80—100 Гц (так называемый тетанизи-
рующий ток), физиологичные для здоровых мышц; б, в — более
, х длительные (от 5 до 100 мс при частоте 50—5 Гц) экспоненциальной
формы импульсы для электростимуляции пораженных мышц. Имеет
значение также длительность посылок (соотношение посылка/пауза)
н постепенность нарастания амплитуд импульсов в посылке.
В настоящее время область использования электростимуляции в
клинике значительно расширилась. Электростимуляция применяется
153 •
при недостаточности мышц внутренних органов (кишечника, мочевого
пузыря, матки при родовой слабости и т.п.)*. С
Особое место занимает в клинике электростимуляция при наруше-
ниях деятельности сердца, которая имеет две разновидности: электро-
импульсную терапию и электростимуляцию.
Электроимпульсная терапия заключается в однократном (или не-
скольких повторных) действии на сердце электрического разряда от
конденсатора, заряженного до напряжения порядка 5 кВ, через ме-
таллические электроды, наложенные на поверхность тела или при
1> ДШ1 ИПь______________
_____Посылка___г t Пауза
Рис. 1S0
1
вскрытой грудной клетке непосредственно на сердце. Применяется ’
для устранения фибриляции желудочков сердца в условиях
экстренной помощи.
Электростимуляция — это систематическое воздействие на сердеч-
ную мышцу импульсами незначительной силы для поддержания ритма
ее сокращений в случаях его патологического нарушения. Сначала
такая электростимуляция -проводилась по обычной методике через lh
электроды, наложенные на поверхность тела. В настоящее время при-
меняется метод воздействия импульсами от небольшого генератора (о
собственным источником питания), который вживляется в удобном
месте под кожу и проводами соединяется с электродами, закрепленными
в сердечной мышцё^см. § 181).
К методам электростимуляции относят также воздействие импульс-
ным током на центральную нервную систему (головной мозг). При этом
в зависимости от характеристик и особенно силы тока может быть вы-
звано состояние, близкое к естественному сну («электросон»), сни-
жение болевой чувствительности («электроаналгезия») или состояние,
близкое к фармакологическому наркозу («электронаркоз»). Наиболь-
шее распространение в клинике получил электросон, вызываемый от-
носительно длительным действием импульсного тока весьма малой
силы при глазиично-сосцевндном (на отростках затылочной кости) рас-
положении электродов.
•См.: Ю. Ю. Бреди ке с. Очерки клинической электроники.—
М.: Медицина, 1974.
154
Ж § 146. Генераторы кратковременных импульсов
Основу устройства аппаратов для электростимуляции составляют
генераторы релаксационных колебаний, называемые блокинг-генера-
тором и мультивибратором.
•ч. Б докинг-генератор — это генератор кратковременных импульсов
<' напряжения формы, близкой к прямоугольной, о возможностью регу-
лировки частоты и длительности в широких пределах,
Рассмотрим блокинг-генератор в самовозбуждением, работающий
на трехэлектродной лампе. Принципиальная схема генератора (рио.151)
содержит лампу Л в нагрузочным резистором Rm анодная и сеточная
А Цепи которой связаны через трансформатор Т в небольшим коэффи-
Рис. <52
ah Рис-151
W* V
циентом трансформации и сильной связью между обмотками. Конны
| сеточной обмОтки подключены к лампе так, что при увеличении анод-
ного тока на сетке наводится положительный потенциал, а при умень-
J шении тока — отрицательный. Таким образом осуществляется поло-
-Д. жительная обратная связь на сетку, В сеточную, цепь включены
конденсатор С и резистор R утечки.
I При включении питающего напряжения в анодной цепи лампы по-
является ток и во вторичной обмотке трансформатора наводится э.д.с.
образующая на сетке лампы значительный положительный потен-
циал Ug (см. графики на рис. 152). При этом анодный ток лавинообраз-
но нарастает до тока насыщения, а конденсатор С начинает заряжать*
afc- ся сеточным током. В течение некоторого промежутка времени tB анод-
ный ток сохраняет примерно постоянное значение. По мере заряда кои-
денсатора С напряжение Uc на нем возрастает и потенциал сетки,
равный разности между электродвижущей силой S, наводимой во вто-
ричной обмотке трансформатора, и напряжением Uc (Ue = S — Uc),
снижается. Это вызывает уменьшение анодного тока. Э.д. с. во вто-
ричной обмотке трансформатора при этом меняет знак, и потенциал
' сетки, а вместе о ним и анодный ток быстро (лавинообразно) падают
до нуля, а лампа запирается отрицательным потенциалом заряженного
конденсатора С. Так образуется, примерно прямоугольный импульс
тока в цепи лампы. Ток создает аналогичный импульс напряжения на
нагрузочном резисторе /?н. Длительность импульса обусловлена вре-
менем заряда конденсатора С и может быть порядка от нескольких
микросекунд до миллисекунд.
Затем наступает пауза, в течение которой конденсатор С разря-
жается через резистор R и напряжение на нем U& а вместе с ним и
отрицательный потейциал U я на сетке постепенно уменьшаются. Ког-
да потенциал U s снизится до потенциала отпирания лампы, лампа от-
кроется и процесс образования импульса анодного тока повторится и
т. д. Продолжительность паузы между им-
пульсами обусловлена временем разряда
конденсатора.
Период Т (частота) импульсов зависит
в основном от постоянной времени сеточ-
ной цепи т = RC и может быть опреде-
лен по формуле Т = RCln (UcmlUg^,
где Ucm — максимальное напряжение, до
которого заряжается конденсатор С (зави-
сит от параметров схемы), Ug0 — потенциал
отпирания лампы.
Выходное напряжение снимается с на-
грузочного сопротивления в цепи лампы,
с анода лампы или со специальной обмотки (третьей), устраиваемой
для того на трансформаторе.
На рис. 153 показана принципиальная схема блокинг-генератора
на транзисторе. Рабочий процесс в нем имеет много общего с ламповым
вариантом. В начальный момент положительное смещение на базе
транзистора создается за счет базового тока от источника питания через
резистор R6. Импульс коллекторного тока образуется и поддерживает-
ся положительным потенциалом на базе, образуемым за счет э. д. е.
индукции в трансформаторе. При этом конденсатор С заряжается. В ре-
зультате заряда конденсатора транзистор будет заперт отрицательным
потенциалом на базе. Тогда наступает пауза, в течение которой кон-
денсатор С разряжается через резистор R6 и сопротивление источни-
ка питания. В результате разряда конденсатора транзистор отпирает-
ся и цикл образования импульса коллекторного тока повторяется
и т. д.
Мультивибратор представляет систему из двух параллельно вклю-
ченных усилителей на электронно-ламповых триодах или транзисто-
рах с перекрестной положительной обратной связью. Рассмотрим муль-
тивибратор с самовозбуждением, который является автоколебательной
системой, имеющей два крайних положения: один триод заперт, другой
—открыт, и наоборот. Между этими положениями система совершает
периодические колебания.
Принципиальная схема мультивибратора на электронных лампах
приведена на рис. 154. В цепях обратной связи (анод одной лампы с сет-
кой другой, и наоборот) включены конденсаторы и С2. Колебатель-
ный, процесс в мультивибраторе происходит так. При включении пи-
тающего напряжения через триоды Лг и Л2 протекают гоки /а1 и /а2
156
и конденсаторы Сг и С2 заряжаются до напряжений Ual и Ua2 на ано-
дах ламп. Если все детали мультивибратора, а также характеристики
ламп в обоих его плечах симметричны, то силы токов /а1, /а2 и напря-
жения иаЪ иа2 будут одинаковыми и мультивибратор будет находить-
ся в равновесном состоянии. Практически такое положение мало ве-
роятно и ток в одном из триодов будет, хотя бы незначительно, боль-
шим по величине, чем в другом. (Даже при равенстве средних значений
токов в лампах мгновенные значения каждого из них имеют неизбежные
флуктуации вследствие не-
равномерности эмиссии элек-
тронов, происходящей в про-
цессе их теплового движе-
ния.)
Рис. 155
Увеличение тока в одном из триодов нарушает равновесие мульти-
вибратора, и он переходит в режим колебаний. Допустим, что сила
тока /а1 в триоде Лх увеличилась до значения /а1 + Л/а1. Это вызовет
соответственно увеличение напряжения На резисторе Л?н1 и понижение
напряжения Ual на аноде этой лампы на Д1/а1. В связи с этим конден-
сатор (\ (заряженный предварительно до напряжения Ual) начинает
разряжаться через лампу Лг, образуя в цепи «лампа Лг — резистор
Т?с2» ток /с1, который протекает по Дс2 в направлении от катода к сетке
и на сетке лампы Л2 образуется отрицательный потенциал. -В лампе
Л2 сила тока /а2 и соответственно напряжение на резисторе /?н2 сни-
жаются. Напряжение Ua2 на аноде лампы Л2 повышается, и конден-
сатор С2 подзаряжается от источника питания током /са, который про-
текает по резисторам /?н2 и затем ДС1 в направлении от сетки к катоду,
образуя на сетке лампы Лг положительный потенциал. Это вызывает
дальнейшее увеличение силы тока /а1. В результате сила Тока /а1
нарастает до тока насыщения, а сила тока /а2 снижается до нуля. При
этом напряжение Ua2 повышается до максимума (графики анодных
напряжений Ual и Ua2 и сеточных потенциалов UC1 и Uci показайы
иа рис. 155). При достаточно крутых анодно-сеточных характеристи-
ках этот процесс происходит практически мгновенно. . .
Ш
Наступившее состояние мультивибратора сохраняется в течение
промежутка времени обусловленного скоростью разряда конден-
сатора С1( т. е. постоянной времени = ClRci, Когда в процессе раз-
ряда конденсатора Сх сила тока /С1 уменьшится настолько, что отрица-
тельный потенциал 1/са на ветке лампы Ла снизится до значения по-
тенциала отпирания иог, лампа откроется — в ней появится ток /аг.
С появлением этого тока снизится напряжение Ua2 и конденсатор
С9, подзаряженный в предыдущий период, начнет разряжаться через
лампу Ла и резистор Rcl. В связи с этим появится отрицательный по-
Pwc. 156
тении ал на сетке лампы JJt и весь описанный выше процесс повторится,
но лампы меняются ролями. Происходит «опрокидывание» мультивиб-
ратора и устанавливается его новое состояние при* токах /а2 = /шая
и 1ц — 0- Это состояние будет сохраняться в течение промежутка вре-
мени tt, обусловленного скоростью разряда конденсатора Сг, т. е.
постоянной времени т8 = Са/?с1, затем мультивибратор вновь вернется
в исходное состояние и процесс повторится.
В результате на анодах ламп поочередно образуются импульсы
напряжения, близкие по форме к прямоугольным и разделенные соот-
' ветствующими паузами (на рис. 155 промежуток 4 соответствует им-
пульсу на аноде Л2 и паузе на аноде Лх, промежуток /а, наоборот, —
импульсу на аноде Лг и паузе на аноде Л2). Импульсы с анода любой из
ламп могут быть использованы в качестве выходного напря-
жения (/вых-
Период Т колебаний и соотношение длительностей импульса tt
и паузы 1г у каждой из ламп, как указывалось, зависят от величины
и соотношения постоянных времени заряда и разряда конденсаторов
1Я
и С4 в цепях обратной связи в могут регулироваться в широких
пределах путем их изменения. Приближенно можно принять, что
Т == + /а « 2(R01 С2 4- RMCt).
Принципиальная схема и рабочий процесс в мультивибраторе на
транзисторах (рис. 156, а) аналогичны мультивибратору на электрон-
ных лампах, за исключением наличия источника напряжения смеще-
ния Ес. Самовозбуждение колебаний происходит за счет несимметрин
плеч схемы или флуктуации коллекторного тока. Поочередное отпи-
рание или запирание транзистора в процессе установившихся колеба-
ний обусловлено изменением знака напряжения Ue смещения на базе,
которое в данном случае равно алге-
браической сумме напряжения Еб и
напряжения на резисторе /?б2 от то-
ка /С1 разряда конденсатора С, или на
резисторе RC1 от тока /с2 заряда
конденсатора С2: U6 = Ес ± ICRC
(на рис. 156, а стрелками показаны
направления токов 7С1 и /02 при усло-
вии, что транзистор Т, открыт, а Т9
заперт).
Опрокидывание мультивибратора
произойдет, когда конденсатор С,
разрядится настолько, что напряже-
Рмс. 157
ние смещения на базе транзистора Tt станет положительным и он
откроется и т. д. Графики напряжений на коллекторах U„ и ба--
sax U(^ транзисторов (для отрицательной логики) показаны на
рис. 156, б. Импульсы UK имеют экспоненциально спадающую фор-
му. В случаях, где это нежелательно, импульсы формируются до-
полнительно (вие мультивибратора).
Период Т импульсов и соотношение длительностей импульса 4
н паузы f2 обусловлено постоянными времени цепей конденсаторов
Cj И б»2.
Существуют разновидности принципиальных схем мультивибра-
тора на транзисторах, из которых приведем только одну (рис. 157),
часто встречающуюся, которая отличается тем, что напряжение сме-
щения образуется базовыми токами транзисторов (см. § 56, рис. 190).
Рабочий процесс в нем принципиально не отличается от рассмотрен-
ного выше. Длительность импульсов и период колебаний опреде-
ляются по приближенной формуле:
Т = t, + 4 = + R61Q.
Во многих случаях для изменения формы прямоугольных импульсов
применяют дифференцирующую или интегрирующую цепь. Эти наз-
вания связаны с тем, что при подаче на вход напряжения, изменяю-
щегося от времени как некоторая функция U — f (/). напряжение на
выходе будет меняться приблизительно как ее-производная или как
интеграл от этой функции.
Простейшая дифференцирующа я цепь (рио. 158, а) со-
стоит из последовательно включенного конденсатора С и параллельно
включенного резистора R. Если на вход цепи подан прямоугольный
импульс напряжения (l/BX = const), то напряжение на выходе (7ВЫХ
= ICR, т. е. повторяет по форме экспоненциальные импульсы при
заряде и разряде конденсатора (см. § 36).
Форма импульса на выходе будет зависеть от соотношения постоян-
ной времени т цепи и длительности импульса tB. При т /и конденса-
тор заряжается в начале импульса и разряжается в его конце, на
выходе получаются два кратковременных остроконечных импульса
Рис. 158
противоположного знака (рис. 158, б). При т > (п конденсатор успе*
вает зарядиться только частично и импульс на выходе принимает фор-
му, показанную на рис. 158, в.
Простейшая интегрирующая цепь (рис. 159, а) содержит последо.
вательно включенный резистор R и параллельно включенный конден.
сатор С, Если на вход цепи подан прямоугольный импульс напряжа.
ния ((7ЬХ = const), то напряжением на выходе {/вых является напря-
Рис. 159
жение на пластинах конденсатора, которое при заряде имеет экспо-
ненциально нарастающую и при разряде экспоненциально спадаю-
щую форму (рис. 159, б). Такие импульсы применяются, например,
при электростимуляции. При достаточно большой постоянной времени
нарастание выходного импульса происходит по начальной части экспо-
ненты (пунктирная линия), которая приближается к прямой линии —
касательной к кривой в начальной точке (рис. 159, в). Угол наклона
этой линии tg а можно найти как производную от уравнения заряда
конденсатора (см. § 36):
tga=4 [l/BX (1 Um
При t = 0 tg а = UntRC. Тогда {/вых = {taIRC)Vw Этот случай
называется идеальным интегрированием,
160
§ 147. Электронные стимуляторы
Электронными стимуляторами называют аппараты, образующие
на выходе электрические импульсы с независимой регулировкой дли-
тельности, частоты, амплитуды, а иногда и формы импульсов в до-
статочно широких пределах и предназначенные для физиологических
или лечебных целей.
Наиболее широкие пределы изменения характеристик электричес-
кого раздражения требуются для физиологических исследований. Для
этого применяются одиночные импульсы преимущественно прямо-
угольной формы с регулировкой длительности в пределах от 0,01 _мс
до 1 с (от 0,01 мс до нескольких миллисекунд для поперечно полосатых
и от 10 мс до 1 с для гладких мышц), а также частотное раздражение
К осцилло-
скопу
Рис. 160
с регулировкой частоты в пределах от 0,1 Гц до нескольких тысяч герц.
При исследовании аккомодации требуются также трапецеидальные
(или экспоненциальные) импульсы с возможностью регулировки кру-
тизны переднего фронта.
Стимулятор должен обеспечивать воздействие на объект как оди-
ночными импульсами, так и посылками, содержащими определенное
число импульсов, с возможностью плавной регулировки силы тока.
Он снабжается также измерительными приборами и электроннолуче-
вой трубкой для визуального контроля формы импульсов.
Принципиальная электрическая схема электронного стимулятора
для физиологических исследований обычно состоит из следующих бло-
ков (рис. 160):
1. Задающий генератор; он обеспечивает частотный режим рабо-
ты стимулятора и дает кратковременные импульсы с частотой, регу-
лируемой в необходимых пределах (длительность и форма импульсов
вначения при этом не имеют). Задающим генератором обычно является
блокинг-генератор или мультивибратор с самовозбуждением.
2. Блок формирования импульсов; он обеспечивает прямоуголь-
ную форму и необходимую длительность каждого импульса в задан-
ных пределах регулировки. Основу этого блока составляет «жду-
щий» мультивибратор*, срабатывающий при поступлении к нему каж-
* «Ждущий» мультивибратор, или спусковая схема (см. рис. 287), опро-
кидывается под действием постороннего импульса, а затем самостоятельно
возвращается в исходное положение.
6 Н. М. Ливеицев
161
дого импульса от задающего генератора. При этом осуществляется
(независимая от частоты) регулировка длительности импульсов.
Если необходимо обеспечить определенную форму импульсов, то
блок включает соответствующие формирующие цепи.
При использовании одиночных импульсов (в стимуляторах для
физиологических целей) между зада!Ьщими генератором и блоком фор-
мирования импульсов включается блок задержки, обеспечивающий
некоторое запаздывание сформированного импульса относительно им-
пульса от задающего генератора. Это дает возможность наблюдения
формы импульса на экране осциллографа, развертка которого запу-
скается импульсом от задающего генератора.
Рис. 161
рис. 162
3. Выходной усилитель; он обеспечивает необходимую мощность
импульсов и имеет устройство И для регулировки и измерения силы
тока на выходе.
В выходном блоке стимуляторов для физиологических целей часто
устраивается разделительная приставка (в основном содержащая спе-
циальный импульсный трансформатор), позволяющая разделить цепь,
по которой на объект подаются раздражающие импульсы, и цепь, в
которой регистрируются биопотенциалы, возникающие на объекте,
В качестве примеров стимуляторов, применяемых для физиологи-
ческих исследований, можно указать:
аппарат ИС-01 (рис. 161); он дает импульсы напряжения прямо-
угольной формы с плавной регулировкой длительности в пределах
0,01—50 мс, как одиночные, так и в форме посылок с различным
числом импульсов, или непрерывного частотного раздражения со
ступенчатой регулировкой частоты в пределах от 1 до 1000 Гц н
с плавной регулировкой напряжения на выходе;
аппарат ЭИ-1 (рис. 162); он дает импульсы тока прямоугольной
формы (независимо от характера сопротивления нагрузки) длитель-
ностью в пределах 0,02—100 мс со ступенчатой регулировкой и частот-
ное раздражение в пределах от одиночных импульсов (0,5 Гц) до час-
тоты 2500 Гц также со ступенчатой регулировкой.
В аппаратах для лечебных целей, как правило, применяется час-
тотное раздражение — импульсный ток (одиночные импульсы приме-
162
няются только при электродиагностике) с различной формой импуль-
сов, причем пределы регулировки их длительности и частоты в зави-
симости от назначения аппарата могут быть значительно сужены
Рис. 163
а сама регулировка осуществляться ступенчато, что упрощает устрой-
ство аппарата. Однако последний должен иметь устройство для рит-
мической подачи импульсного тока при упражнении мышц. Это уст-
Регулировка:
частоты длительности амплитуды
Рис. 164
ройство представляет модуляторный каскад, в котором посылки фор-
мируются путем наложения модулирующего потенциала на импульс-
ный ток (см. блок-схему рис. 163, а). Основу модуляторного каскада
представляет лампа-смеситель, в которой на экранирующую сетку Э
подается модулирующий потенциал, а на управляющую С — основ-
6’ 163
ные импульсу. В анодной цепи лампы при этом образуется модули-
рованный импульсный ток^рис. 163, б). Характер посылок — длитель-
ность, частота и форма нарастания амплитуд — обусловлен парамет-
рами модулирующего потенциала.
В качестве примера укажем аппарат АСМ-3, предназначенный для
упражнения пораженных мышц, который дает экспоненциальные им-
пульсы (см. рис. 150) различной длительности и частоты, регулируе-
мые посылками различной продолжительности для ритмических или
произвольных упражнений, и «универсальный электростимулятор»
УЭИ-1, применяемый как для физиологических исследований, так и
электродиагностики и лечебной электростимуляции. Аппарат дает
Рис. 16$
импульсы напряжения прямоугольной и экспоненциальной формы
с широкими пределами регулировки Длительности (0,01—300 мс) и
частоты (0,5 — 1200 Гц). Для лечебных процедур обеспечиваются
ритмические посылки тока с различной частотой и соотношением дли-
тельностей посылка/пауза, а также посылки произвольной длитель-
ности для активных упражнений (основу модулятора в нем состав-
ляет мультивибратор с низкой частотой срабатывания). Аппарат снаб-
жен осциллографической трубкой и измерительным устройством;
блок-схема аппарата приведена на рис, 164, общий вид —
на рис. 165,
Глава 28
ЭЛЕКТРОТЕРАПИЯ
§ 148. Гальванизация и лечебный электрофорез
К физическим методам лечения в основном относят термотерапию
(лечение нагретыми средами, см. § 16), гидротерапию (водолечение),
ультразвуковую терапию (см. § 31), фототерапию (лечение светом,
см. § 112) и электротерапию (лечение электричеством), которая и рас-
сматривается в данном разделе.
При электротерапии используются: а) постоянные ток и поле,
б) импульсные токи, в) переменные токи и поля высокой и ультра-
высокой частоты.
Лечебный метод, при котором используется действие на ткани ор-
ганизма постоянного тока малой силы (до десятков миллиампер), на-
U4
зывается гальванизацией. При гальванизации постоянный ток от соот-
ветствующего источника подводится к тканям организма с помощью
проводов и металлических электродов, изготовляемых из свинцовых,
луженных оловом пластинок. Как уже указывалось в § 144, наложение
металлических электродов непосредственно на кожу недопустимо, так
как образующиеся на их поверхности продукты электролиза раствора
хлористого натрия, содержащегося в тканях (а также находящегося
на поверхности кожи в Составе пота), обладают прижигающим дейст-
вием. Для предупреждения этого на поверхность кожи под электрод
Э укладывают достаточно толстую прокладку П из гигроскопической
материи (рис. 166), смоченную изотоническим раствором или водопро-
Рис. 166
водной водой, в которой и накапливаются продукты вторичных реак-
ций, происходящих иа электродах. Прокладку с электродом укреп-
ляют на месте при помощи эластичных бинтов Б. После процедуры
прокладка-отмывается, стерилизуется кипячением и может приме-
няться повторно.
Первичное действие постоянного тока на ткани организма обуслов-
лено перемещением (вдоль силовых линий поля) имеющихся в них за-
ряженных частиц, главным образом ионов тканевых электролитов.
При этом-вследствие различной подвижности ионов, а главным обра-
вом задержки и накопления их у полупроницаемых мембран в
тканевых элементах и прежде всего внутри клетки и в окружающей
ее тканевой жидкости (см. рис. 144, б) происходит изменение обычной
концентрации ионов той или иной природы. Изменение ионной-среды
может вызвать изменение функционального состояния клеток в сто-
рону возбуждения или торможения их деятельности. В этом отноше-
нии значение имеют также и другие поляризационные явления
(см. § 144), происходящие в тканях организма вследствие их неодно-
родного строения, а также наличия в их среде плохо проводящих ток
перегородок (см. рис. 167).
Местные изменения концентрации ионов могут влиять на кислот-
ло-щелочное равновесие, водосодержание и другие физико-химические
свойства тканей.
Таким образом, в основе первичного действия постоянного тока на
ткани организма лежат главным образом поляризационные явления.
Изменение функционального состояния клеток тканей и особенно
'нервных рецепторов, находящихся Непосредственно в зоне дейст-
вия тока, нервно-гуморальным или рефлекторным путем вызывает no-
us
следующие зйенья реакции организма, распространяющиеся на опре-
деленные органы и системы и, наконец, в той или иной степени на ор-
ганизм в целом. Обычно гальванизацию совмещают с введением при
помощи достоянного тока в ткани организма лекарственных веществ,
образующих в растворе ионы или заряженные частицы. Растворами
этих веществ смачиваются прокладки под электродами. Процедура
называется лечебным, электрофорезом. ?
Из прокладки под положительным электродом в ткани организма
вводятся ионы металлов ( из растворов их солей), а также положи-
тельно заряженные частицы более сложных веществ; из прокладки
под отрицательным электродом—кислотные радикалы, а также отри-
цательно заряженные частицы сложных соединений. Некоторые ве-
щества, вводимые путем электрофореза, приведены в таблице;
С положительного электрода
Кальций
Магний
Натрий
Новокаин (из хлористой соли)
Хинин » » »
С отрицательного электрода
Хлор
Бром
Иод
Пенициллин (из натриевой или
калиевой соли)
Радикал салициловой кислоты
» фосфорной »
При лечебном электрофорезе между электродами образуется слож-
ная цепь, состоящая из растворов лекарственных веществ, которыми
смочены прокладки, и растворов электролитов, входящих в состав
тканей организма. На рис. 167 условно показан некоторый объект
(электропроводные ткани организма, содержащие раствор хлористого
натрия), на который наложены прокладки П, смоченные под поло-
жительным электродом раствором хлористого кальция и под отрица-
тельным—йодистого калия (направление движения ионов показано
стрелками). На участках а — е имеют место поляризационные явле-
ния — скопление ионов по обе стороны плохо проводящих ток ткане-
вых перегородок.
Для проведения процедур гальванизации и лечебного электро-
фореза необходим источник постоянного напряжения (40 — 60 В),
снабженный потенциометром для регулировки силы тока при различ-
ных процедурах и измерительным прибором. В качестве такого источ-
ника, как правило, используется электронно-ламповый или полупро
166
водниковый выпрямитель переменного тока осветительной сети. На-
пример, аппарат АГН-2 (принципиальная электрическая схема —
Л1а рис. 168) содержит трансформатор 3, выпрямитель 4 на двух дио-
дах, сглаживающий фильтр из двух резисторов 6 и трех конденсаторов
5, регулировочные потенциометр 7 и миллиамперметр 8 с шунтом 9
Рис. 168
и переключателем 10 для измерения тока в цепи больного. К выход-
ным клеммам 11 присоединяются провода от электродов, накладывае-
мых на больного. Переключатель 2 позволяет подключать аппарат
к напряжению 127 или 220 В (/ — включатель сети). Лампочка 12
сигнализирует включенное состояние аппарата.
Трансформатор в аппарате для гальванизации дает напряжение,
’ необходимое для работы выпрямителя, кроме того, его наличие обя-
эательно для безопасности больного. Ин-
дуктивная связь между первичной и вто-
’ ричной обмотками трансформатора исклю-
чает возможность непосредственного сое-
динения между цепью, содержащей элек-
троды, наложенные на тело больного, и
сетью переменного напряжения, к которой
подключен аппарат. В противном случае
при некоторых условиях (например, при
случайном заземленйи больного) может
произойти электротравма.
Общий вид аппарата АГН-2 показан на
рис. 169. Аппарат смонтирован в корпусе
из пластмассы. На лицевой панели распо-
ложены следующие детали: 1 — выключа-
Рис. 169
тель сети, 2 — переключатель напряжения сети, 3 — глазок сигналь-
ной лампочки, 4 — ручка регулировочного потенциометра, 5 — мил-
лиамперметр, 6 — переключатель его шунта, 7 — выходные клеммы.
На боковой стенке корпуса выведен шнур о вилкой для включения
аппарата в сеть.
§ 149. Импульсные токи в электротерапии
Электростимуляция о лечебной целью может считаться- методом
электротерапии. Однако как метод физиологического эксперимента
она получила широкое распространение значительно раньше, чем ‘
167
#
AAAAWWWWVWWV
стала использоваться с лечебной целью. Поэтому ее часто рассматри-
вают как самостоятельный метод, применяемый в различных клини-
ках (неврологической, кардиологической, гинекологической и др.).
Однако в современной электротерапии импульсные токи различ-
ного характера занимают значительное место и имеют более широкие
показатели, чем электростимуляция в ее прямом назначении, в част-
ности при нервных заболеваниях, заболеваниях, связанных с нару-
• шением обмена веществ, суставных
Л Л Л Л Л Л Л заболеваниях, расстройствах пери-
ферического кровообращения, бо-
левых явлениях и т. п.
Для этих , целей кроме рассмот-
ренных выше более простых форм
импульсного тока (тетанизирую-
щего, прямоугольного и экспонен-
циального) получили распростра-
нение еще два вида тока: сину-
соидально-импульсный низкой ча-
стоты и синусоидально-модулиро-
ванный повышенной частоты.
Синусоидально-импульсный ток низкой частоты (называемый так-
же диадинамическим током) представляет импульсы постоянной по-
лярности, по форме близкие к синусоидальным с длительностью им-'
пульса 0,02 с при частоте 50 Гц (рис. 170, а) и 0,01 с при 100 Гц
ААЛ МААМ А.А.Л.
Рис. 170
Рис. 171
(рис. 170, б), из которых образуются посылки различной длительно-
сти и в различном сочетании ( рис. 170, в, г). Подобный ток можно
получить от аппаратов СНИМ-1 и ТОНУС-1.
Блок-схема аппарата СНИМ-1 (рис. 171) содержит выпрямитель
переменного напряжения сети, с помощью которого образуются сину-
соидальные импульсы, и блок образования посылок, состоящий из
генератора прямоугольных импульсов, обусловливающих длитель-
168
© © ©
к
Рис. 172
ность посылки, и формирующего каскада. На панели аппарата
(рис. 172) имеется электроннолучевая трубка для наблюдения формы
тока.
Синусоидально-модулированный ток представляет переменный или
выпрямленный ток частотой 4 — 5 Гц, модулированный по амплитуде
синусоидальными импульсами частотой от 50 до 150 Гц в различных
комбинациях (рис. 173). Ап-
параты носят общее название
«Амплипульс» (имеется не-
сколько их модификаций).
Блок-схема аппарата «Ампли-
пульс-3» (рис.. 174) подобна
предыдущей. Основу ее со-
ставляют генератор синусои-
дальных колебаний и гене-
ратор модулирующих коле-
баний, которые объединяются
в модуляторном каскаде И\об-
разуют посылки соответст-
вующей формы. Аппарат
(рис, 175) имеет на выходе
электроннолучевую трубку
и измерительный прибор (на
схеме они не показаны).
Переменный ток низкой
частоты, включая и 50 Гц
(ток в осветительной и тех-
нической сети), может рас-
сматриваться как ток, состоя-
щий из импульсов синусои-
" дальней формы с поочередно
вменяющейся пол я рностью.
W’ Он отличается сильным раз-
дражающим действием и для
.^’Электростимуляции или дру-
5?‘"гих лечебных целей не при-
л^йеняется. Наоборот, он мо-
^^йет быть причиной бытовой
г*<*г'“!яя производственной элек-
ютравмы.
С повышением частоты переменного тока уменьшается длительность
его импульсов и соответственно снижается раздражающее действие.
• ^^Эта зависимость была установлена Н е р н о т о м:
пределах частот 100—3000 Гц пороговый ток увеличивается про-
4^ йорционально корню квадратному из частоты:
lllllllllllllllillf
* Рис. 173
Ж;
Рис. 174 /
в пределах частот 50—300 кГц пороговый ток увеличивается про-
порционально первой степени частоты:
где /?х и /?2 — постоянные.
Переменный ток частотой 10 — 20 кГц применяется для -измерения
электрических параметров тканей
организма, например импеданса
при реографии (см. § 144).
При частоте порядка сотен ки-
логерц, когда максимальное смеще-
ние ионов в колебательном дви-
жении, образующем переменный
ток, делается соизмеримым со сме-
щением ионов в тепловом движе-
нии, переменный ток уже не ока-
зывает на ткани организма ника-
кого раздражающего действия и
вызывает только тепловой эффект.
Поэтому переменный ток частотой
рис. 175
свыше 100 кГц применяется для лечебных процедур, назначением
которых является прогревание глубоко лежащих тканей (см. § 151),
§ 150. Статдуш. Аэроионотерапия
Положительные, отрицательные ионы и электроны, образующиеся
при первичной ионизации газа (см. § 37), Называют простыми
газовыми ионами. Они могут присоединяться к нейтральным молеку-
лам или группам молекул и образовывать-с ложные газовые ио-
ны. Простые и сложные газовые ионы называют легкими ионами.
170
Легкие ионы могут присоединяться к различным взвешенным в газе
частицам вещества (пылинки, мельчайшие капельки влаги и т. п.)
и образуют тяжелые ионы. 4
Находящиеся в атмосфере газовые ионы обоих знаков и свободные
электроны называются аэроионами. В природных условиях аэро-
ионы образуются главным образом при атмосферных электрических
разрядах, в результате ионизации газов воздуха солнечным, радио-
активным и космическим излучением, а также при распыливании во-
ды* (например, при падении дождя,
около водопадов, фонтанов и т, п.).
В среднем в 1 см3 городского воздуха
содержится несколько сотен легких и
до нескольких десятков тысяч тяжелых
аэроионов. В чистом загородном воздухе
число легких аэроионов увеличивается
до нескольких тысяч, а тяжелых сни-
жается почти до нуля.
Легкие и преимущественно отрица-
тельные аэроионы действуют положи-
тельно на организм. В естественных
условиях они являются фактором кли-
матолечения. В городских условиях
вдыхание воздуха, искусственно обога-
щенного легкими аэроионами, исполь-
зуется в качестве профилактического,
а также лечебного мероприятия, назы-
ваемого аэроионотерапией.
Тяжелые аэропоны действуют вред-
но на организм, и воздух от них дол-
< жен очищаться с помощью специальных
фильтров.
Для искусственного обогащения воздуха легкими аэроионами при-
меняются аппараты, называемые аэроионизаторами. Их действие
основано преимущественно на тихом электрическом разряде, которой
образуется между электродами, находящимися под высоким постоян-
ным напряжением.
Постоянное электрическое поле высокой напряженности оказывает
положительное действие на организм, и воздействие им также при-
меняется для лечебных целей. Соответствующая процедура называется
.статдушем. Больной при этом помещается в зоне электрического
поля, образующегося между двумя электродами, соединенными сйсточ-
Ником достаточно высокого постоянного напряжения. Один электродД
в форме звезды, на лучах которой имеются небольшие острия, на-
правленные к больному, располагается над его головой на расстоянии
10 —15 см (рис. 176), другой электрод в форме металлического листа —
под ногами на изолированной подставке. Под действием электрического
• Это явление, механизм которого недостаточно изучен, называется бал-
\ » лоэмктрическим аффектом.
171
Рис. 177
поля в тканях-диэлектриках происходит поляризация, в проводя-
щих тканях возникают микротоки, а на поверхности тела образуются
статические заряды. Возникающий около остриев головного электрода
тихий электрический разряд создает поток ионов, направленный к
телу больного, преимущественно в области его головы и шеи. Аэро-
ионы действуют на нервные окончания, заложенные в кожных покро-
вах этой области, а также и на рецепторы слизистых оболочек при вды-
хании ионизированного воздуха. Эти явления и лежат в основе пер-
вичного действия электрического
поля высокого напряжения на ор-
ганизм.
Аппарат для статдуша и аэро-
ионотерапии представляет источ- ч
ник постоянного напряжения по-
ряка 40 — 50 кВ.
В настольном аэроионизаторе
(рис. 177, а) тихий разряд возни-
кает на нескольких электродах —
остриях И, находящихся под вы-
соким отрицательным потенциалом
(около 3000 В) по отношению к
корпусу прибора. Образующиеся
при этом электроны и отрицатель-
ные ионы, обозначенные черными
кружками, отталкиваются от острия (рис. 177, б), а положительные
ионы (белые кружки) притягиваются к нему и нейтрализуются. Ион-
ный поток выходит наружу через отверстия О в крышке корпуса
прибора, перед которыми располагается больной. Напряжение на
электродах образуется с помощью повышающего трансформатора
и выпрямителя из переменного тока осветительной сети.
Применяется также электроаэрозольтерапия. Аэрозоль — это мелко
распыленная в воздухе лекарственная жидкость, которая вдыхается
больным. При электроаэрозольтерапии частицам золя путем осаж-
дения на них аэроионов сообщается заряд того или иного знака. Вды-
хание таких частиц дает особый лечебный эффект.
§151. Использование высокочастотных колебаний
с лечебной целью
Электрические колебания делятся по частоте на несколько диапа-
зонов,'которые используются при различных лечебных методах:
Низкой частоты..............' до 20 Гц
Звуковой » .......... 20 Гц — 20 кГц
Ультразвуковой частоты (УЗ) 20—200 кГц (и выше)
Высокой » (ВЧ) 0,2—30 МГц
Ультравысокой » (УВЧ) 30—300 МГц
Сверхвысокой » (СВЧ) свыше 300 МГц
Первыми методами высокочастотной терапии, вошедшими в прак-
тику еще в начале XX столетия, были дарсонвализация (предложена
французским физиологом и врачом Д'Арсонвалем) и диатермия.
172
При дарсонвализации используется воздействие через кожу и
доступные слизистые оболочки слабым высокочастотным разрядом,
который образуется между поверхностью тела и специальным электро-
дом в виде фигурного стеклянного баллона с разреженным воздухом.
Электрод присоединяется к аппарату (однополюсно), а цепь высоко-
частотных колебаний замыкается через емкость между телом болЬно-
j. го и окружающими предметами. К электроду подводится перемен-
£' ное высокочастотное напряжение (несколько киловольт), которое
имеет характер отдельных резко затухающих серий высокочастотных
р- колебаний.(порядка 500 кГц); ток при этом незначительный, не вызы-
•£Ь‘ Бающий теплового эффекта в тканях, ~ ~
Рис. 178
-
КНа рис. 178, а показана процедура дарсонвализации кожного по-
Ж крова на волосистой части головы с помощью гребешкового электро-
да, на рис. 178, б — электроды для различных процедур.
жА Лечебный эффект при дарсонвализации связывают о действием
^легкого раздражения нервных рецепторов кожи или слизистых обо-
^%дочек, находящихся в зоне разряда.
При терапевтической диатермии (в переводе— сквозное прогре-
вание) используется джоулево тепло, выделяющееся при прохбжде-
В*' 1Ьнии по тканям организма высокочастотного тока (частота порядка
,/<1 —2 МГц, сила тока до 1,0 — 1,5 А). При этом электроды в виде
свинцовых пластин накладываются непосредственно (без прокладок)
‘•На обнаженную поверхность тела и проводами соединяются с выводами
^^терапевтического контура аппарата.
Ж1?’ В течение многих лет диатермия была основным методом высоко-
7^.’Частотной терапии, обеспечивающим непосредственное прогревание
Тканей и органов, находящихся в глубине тела. Однако контактное
-^ -наложение электродов имело ряд неудобств и в настоящее время
диатермия заменяется более совершенным и не требующим контакт-
/^Иого наложения электродов методом индуктотермии (см. далее).
‘'Сохранила свое значение лишь.так называемая хирургическая
диатермия, при которой теплота, выделяющаяся при прохождении
Й-. . 173
по тканям организма высокочастотного тока, используется для разру-
шения тканей, подлежащих удалению из организма. Для обеспечения
необходимой при этом высокой плотности тока один из электродов,
называемый активным, имеет незначительную площадь. Второй элек-
трод—неактивный—большую площадь. К хирургической диатермии
относятся в основном диатермокоагуляция, или, свертывание (свари-
вание) тканей действием тепла, выделяющегося под точечным элект-
родом ( рис. 179, а), и электротомия, или рассечение тканей искрой
при помощи электрода в форме лезвия (рис. 179, б).
При индуктотермии ткаНи организма подвергаются действию
высокочастотного магнитного поля, которое образуется током, про-
Рис. 179 Рис. 180
текающим по спирали из гибкого кабеля, охватывающей соответст-
вующую область тела. Эта спираль и служит своеобразным электро-
дом. Концы спирали присоединяются к выводам терапевтического
контура (см. § 152). аппарата. Частота колебаний 10 — 15 МГц. Вы-
сокочастотное магнитное поле вызывает в тканях вихревые электри-
ческие токи (рис. 180; пунктиром показаны линии магнитного поля,
а сплошными линиям— вихревые токи), энергия которых переходит
в теплоту. Вихревые токи образуются преимущественно в токопро-
водящих тканях, содержащих растворы электролитов.
Пусть раствор электролита с удельной электропроводностью у
помещен в однородное переменное магнитное поле с индукцией В
и частотой со. Найдем количество теплоты AQ, выделяющееся при этом
в единице объема раствора в единицу времени. На основании законов
Фарадея и Ома мгновенное значение силы вихревого тока, отне-
сенной к единице объема* раствора,
iB = k'ygt = k'ydWdt — k'"ydB/dt, ,
где — э. д. с. индукции. Если индукция В изменяется по гармо-
ническому закону В = Вт sin at, то
dB/dt = (оВт cos ш/,
, 174
тогда tB — k"'yctBm cosco/, а эффективное значение тока /в =»
— к'"у<оВЭф, где Веф — эффективное значение индукции. Мощность
джоулевых потерь в единице объема
ДР = Щу = Лау(о2В1ф,
где — коэффициент пропорциональности. На этом основании можно
считать, что и количество теплоты AQ, выделяющееся при индукто-
термии в единице объема тканей в единицу времени, пропорционально
их электропроводности, квадрату ча-
стоты и квадрату магнитной индук-
ции поля.
Отсюда следует, что чем выше ча-
стота переменного магнитного поля
тела, тем эффективнее метод индукто-
термии.
Для воздействия на конечности
применяют цилиндрическую спираль
(рис, 180), ид туловище — плоскую,
накладываемую на соответствующую
область. На рис. 181 показана проце-
дура индуктотермии грудной клетки.
Рис. 182
х Рис. 181
На рис. 182 показан аппарат для индуктотермии (частота 13,56 МГц)
мощностью 250 Вт (тип ДКВ-2М). К корпусу аппарата укреплен по-
воротный рычаг 1 с дисковым индуктором 2. Последний представляет
пластмассовую коробку, в которой находится плоская спираль, обте-
, каемая высокочастотным током; индуктор прикладывается к телу
больного так же, как плоская спираль из кабеля.
Метод высокочастотной терапии с использованием электрического
поля УВЧ имеет наибольшее распространение. При этом методе, на-
зываемом терапия электрическим полем УВЧ (или просто УВЧ*
терапия), соответствующая область тела помещается между двумя
плоскими изолированными электродами, образующими конденсатор
и подключенными к выводам терапевтического контура аппарата.
При этом ткани организма подвергаются действию высокочастотного
(с частотой колебаний порядка 40 — 50 МГц) электрического поля,
17S
образующегося между электродами. В качестве примера на рис. 183
показана процедура лечения электрическим полем УВЧ области ко-
ленного сустава (Э — электроды).
Для выяснения эффекта от действия высокочастотного электри-
ческого поля на ткани организма рассмотрим предварительно действие
поля на растворы электролитов и диэлектрики.
В растворах электролитов высокочастотное поле вызывает ток
проводимости, сопровождающийся выделением тепла. Количество
теплоты AQ, выделяющееся в единице объема раствора электролита
в единицу времени, пропорционально
сти
сти
удельной электропроводно-
у и квадрату напряженно-
£2 электрического поля;
AQ = k2yE2\
k2 — коэффициент пропор-
Рис. 183
где
циональности.
В диэлектриках под дейст-
вием электрического поля про- -
исходит ориентационная и
структурная поляризация моле-
кул (см. § 34). Вращательные
колебания поляризованных мо-
лекул, вызываемые переменным
высокочастотным полем, сопро-
вождаются потерями энергии,
связи между молекулами, удер-
затрачиваемой на преодоление сил
живающих молекулы в равновесном положении. Эти потери, называе-
мые диэлектрическими, зависят от природы диэлектрика^ и характе-
ризуются тангенсом угла потерь tgft, под которым понимается угол
отставания по фазе колебаний молекул от колебаний напряженности
электрического поля. (Угол 6 есть угол так называемого диэлектри-
ческого гистерезиса.)
Количество теплоты AQ, выделяющееся в единице объема диэлек-
трика в единицу времени вследствие диэлектрических потерь, пропор-
ционально относительной диэлектрической проницаемости е,''часто-
те v изменения знака поля, квадрату его напряженности Е2 и танген-
су угла потерь tg6 :
AQ = fe3ev£2,
где k3 — коэффициент пропорциональности.
Соотношение между количествами теплоты, которые выделяются
в растворе электролита и диэлектрике под действием высокочастот-
ного электрического поля, зависит как от их природы (для раствора
электролита еще и от концентрации), так и от частоты поля.
При частоте поля, принятой в терапевтическом методе, при не-
высокой концентрации тканевых электролитов и при относительно
значительных потерях в тканях-диэлектриках нагревание последних
происходит более интенсивно, чем токопроводящих тканей. Этим» на-
|'l76
С
Ж'
it
Пример, тепловой эффект при УВЧ-терапии отличается от индукто-
термии.
' Вращательные колебания полярных молекул или отдельных ча-
стей органических макромолекул, возникающие в переменном (УВЧ)
Электрическом поле, оказывают значительное влияние на физиологи-
ческое состояние клетки (это действие поля называют осцилляторным),
поэтому при УВЧ-терапии тепловой эффект не всегда является глав-
ной целью процедуры и во многих случаях органичиваются только
«слаботепловой» дозировкой.
Для усиления «оснилляторного» эффекта при УВЧ-терапии ис-
пользуется импульсный режим воздействия электрическим полем,
при котором кратковременные (микросекунды) импульсы поля доста-
точно высокой напряженности разделены в тысячи раз более длитель-
Ными паузами. В этом случае сохраняется необходимое осцилляторное
^ действие, а тепловой эффект снижается до ничтожной величины. Для
УВЧ-терапии в импульсном режиме применяются особые аппараты.
§ 152. Аппараты для УВЧ-терапии
...
$Й-'- -Основу устройства' аппаратов для высокочастотной терапии (ин- .
Ж дуктотермии и "УВЧ-терапии), составляет >енерат^~Г1рмошГЧеских ’
Я, колебаний соответствующей частоты и мощности. ‘
^£кобеннрстью, общей для всех этих. аппаратов, является наличие
fy..лмдедьнош-ко,^ к которому подключаются элек-
йр ' так_как В самом генера-
3*Ьч.яоре кроме выео.кпнастотщлх колебании дёй-
ствуетта.кже относительно высокое напряже-
*fWj ние (постоЯнное, выпрямленное или перемёй-
2
Рис. 184
'Ж-’ НОЙ ни при каких условиях не мог подверг-
'Ш^/нуться действию этого напряжения, электро-
Ж'ДЫ Э, с которыми он соприкасается, вклю-
j^^iSaioTCH в отдельный колебательный контур
W
Ж- . - -
(рис. 184), индуктивно связанный о
контуром генератора. С связи с тем, что в те-
рапевтический контур включаются объекты
(например, различные части тела больного), имеющие различные элек-
трические параметры, этот контур должен подстраиваться в резонанс
при каждой' процедуре. Для этого конденсатор в нем имеет перемен-
ную емкость.
? Аппараты для УВЧ-терапии делятся по мощности на три типа:
1) малые мощностью 30 Вт (УВЧ-62 и УВЧ-30), 2) средние — 8Q Вт
(УВЧ-4 и УВЧ-66) и 3) большие—300 Вт (УВЧ-300 и «Экран-1»).
В качестве примера опишем кратко аппарат УВЧ-4 (принципи-
ьная схема дана на рис. ’185). Аппарат представляет двухтактный
цератор с самовозбуждением, работающий на лампах Г-811 (Лх и
д). Анодный 'контур генератора представлен катушкой индуКТцвно-
177
сти L2; необходимая емкость в нем обеспечивается междуэлектродной
(анод-катод) емкостью ламп и подстроечным конденсатором С 3. Сеточ-
ный контур состоит из катушки Lt и емкостей сетка — катод ламп.
Сеточный и анодный контуры связаны между собой через емкости
между анодами и сетками ламп. К средней точке катушки Lx подклю-
чен резистор смещения. С катушкой £2 анодного контура индуктив-
но (через промежуточный контур 18 и ) связана катушка Lb —
Рис. 185
L6 терапевтического контура, содержащего конденсатор С4 перемен-
ной емкости для настройки в резонанс, а также два подстроечных
конденсатора С2 и С6. К выходным клеммам и подключаются
электроды, накладываемые на тело больного.
Питание генератора осуществляется переменным током от транс-
форматора 21. Поэтому колебания, которые дает аппарат, модулиро-
ваны синусоидальным током частотой 50 Гц, но это не сказывается на
лечебном эффекте. Аппарат имеет две ступени выходной мощности 80
и 40 Вт, переход между ними осуществляется изменением напряжения
питания генератора ( обмотка 11 — 13 или обмотки 11 — 13 и 13 —
14 совместно), с помощью переключателя Пх. Измерительный прибор К
является индикатором настройки терапевтического контура в резо-
178
нанс ( по максимуму тока, питающего генератор), а также исполь-
4 зуется для контроля питающего напряжения ( переключатель 772).
Колебания напряжения сети компенсируются с помощью дополни-
- тельной обмотки трансформатора с выводами 1 — би переключателем
( 25. Включение аппарата в сеть сигнализируется лампой Л3, подклю-
ченной к обмотке питания накала генераторных ламп.
Рис. 186
ЭД
Рис. 187
На рис. 186, а приведен общий вид аппарата: на панели управле-
, ния в середине расположен измерительный прибор 5 с переключателем 3
(по схеме рис. 185 — /7г), над ним сигнальная лампочка 4 и под ним
ручка 6 компенсатора напряжения (по схе-
ме — переключатель 25). Слева расположена
. ручка 8 переключателя (по схеме—/7х)мощ-
. ности и справа ручка 7 конденсатора С4 на-
стройки терапевтического контура. На правой
стенке корпуса укреплены коленчатые рыча-
' ги —электрододержатели /, к которым крепит-
. ся сменные электроды 2 различного размера.
7 На рис. 186, б показано внутреннее устрой- ,
ство аппарата. Детали анодного контура:
1 — конденсатор С3; 2— катушка £г; 3 —
генераторные лампы Лг и Л2; 4 — контур
связи £3; 5 — экранирующая перегородка;
£‘.6 — конденсатор С4 терапевтического конту-
, ‘ ра; 7—катушки £4, £6 и Le; 8 — пластина
- конденсатора Са; 9 — экранирующая перего-
р родка; 10, — экранированная коробка с ка-
тушкой сеточного контура и резистором Дх
9«щения; 11 — трансформатор, питающий
Генератор; 12 — щиток для предохранителя
ЭД-В перемычек для переключения трансформатора
’ сети 127 или 220 В.
< , На рис. 187 показан аппарат «Экран-1».
Г'!?; В заключение коснемся вопроса об излучении электромагнитных
Й* Волн при работе лечебных высокочастотных аппаратов. Излучение
при напряжении
179
воли происходит главным образом от «Открытых» элементов высоко-
частотной цепи: электродов, подводящих к ним ток проводов, а также
и от тела человека, которому проводится процедура и который, та-
ким образом, становится частью высокочастотной колебательной си-
стемы. Наиболее интенсивно излучение волн происходит при УВЧ-
терапии, так как при этом значительная часть электрического поля
рассеивается в пространстве, окружающем электроды.
Эти волны могут действовать на находящиеся поблизости устрой-
ства радиосвязи, вызывать в них паразитные сигналы и таким образом
мешать их работе. Такие сигналы называют радиопомехами. Для пре-
дупреждения радиопомех для работы медицинских высокочастотных
аппаратов выделены определенные частоты, котрые должны выдер-
живаться с заданной степенью точности и на которых уже не работают
устройства радиосвязи: для диатермии —1760 кГц ±2,5%, для индук-
тотермии—13,56 МГц ± 0,05% и для УВЧ-терапии — 40,68 МГц ±
± 2,0%.
§ 153. Микроволновая терапия
Воздействие на ткани организма с лечебной целью электромагнит-
ными волнами в сантиметровом диапазоне называется микроволновой
терапией (MB-терапия). Вы-
деленная длина волны 1 =
'-=5'12,6 см (частота 2375 МГц
± 2%).*. Воздействие осу»
ществлястся . путем -облуче-
’ ния поверхности—соответст-
вующей- области 'тела
* Разновидностью МВ-тера-
пии является ДЦВ-терапия при.
длине волны 65 см (частота
460 ± 1% МГц).
рис. 188
Рис. 189
|* *(рис. 188.— облучение области плеча) направленным потоком волн,
-Я'-который образуется с помощью специальнбгбЧШучателя, называй
J^-RTOtO волноводом, .7. . ... „
^^’’Вёлновод^-.устройство.для передачи ультракоротких волн. (УКВ)
|<'"начиная с дециметрового диапазона —представляет.-металлическую
ТУубу (или короб) определенной формы и размеров, заполненную
диэлектриком (в. частности., воздухом). Волноводом может служить
|г~ такжё стержень соответствующих размеров из твердого диэлектрика.
S'-Волна, распространяющаяся внутри'вдлнбвбд^," не "Выходит за его
^границы. Возбуждается волна с помощью штыря или петли; располо-
женной в начале волновода и соединенной коаксимальным кабелем
с с выводами генератора колебаний СВЧ, который работает на особых
& электронных лампах, называемых магнетронами?"
На'рис» 189, а показан аппарит*для MB-терапии «Луч-2» мощно-
SC стью 20 Вт с комплектом излучателей ( рис. 189, б) для различных про-
£ цедур.
-Сантиметровые волны.,„в поверх-
нпстныу слову туяней организма (глубина проникновения несколько
Первичное действие их обусловлено..код£баниями (ос-
‘сантиметров).
£ цилляцией) ионов в растворахэлектдалитов.а такжсдюлярных моле
*уХ~в. Д11электриках, которые вызываются электрической составляю-
ДЦСЙ.поля волны, проникающей в ткани- При этом выделяется теплота
t'B этом отношении действие микроволн сходно с действием электри-
?;• ческого поля УВЧ. Однако при колебаниях СВЧ, используемых в
этом методе, преимущественное значение получают диэлектрические
^. свойства самих молекул воды, которые принимают участие в ориента-
" циоЯных колебаниях. Поэтому наибольшее поглощение энергии волны
. и, следовательно, выделение .теплоты происходит в водосодержащих
£ тканях, например мышечной ткани и крови, наименьшее—в жировой
ткани и подкожной клетчатке. Этим MB-терапия отличается от тера-
st пии электрическим полем УВЧ,
Часть VII
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Глава 29
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ [ЭЦВМ)
§ 154. Общее устройство ЭЦВМ
Электронные вычислительные машины (ЭВМ) — это устройства, 3
предназначенные для автоматической обработки информации и, в
частности, решения задач в области организации и управления объек- :
тами народного хозяйства, а также научно-исследовательских задач 1
в различных областях человеческой деятельности. ;
По форме представления обрабатываемой информации ЭВМ делятся
на электронные цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ) для об-
работки дискретно-цифровой информации и электронные аналоговые
вычислительные машины (ЭАВМ) для обработки информации в непре-
рывной форме. Цифровые и аналоговые ЭВМ значительно различаются
и по устройству. •
В первую очередь рассматриваем устройство ЭЦВМ.'
Особенностью решения вычислительных задач с помощью ЭЦВМ I
является предварительное расчленение этого решения на множество
элементарных арифметических и логических операций, которые и
выполняются машиной в соответствии с предварительно составленной
и введенной в нее программой*. Программа состоит из команд, ука-
зывающих действия, которые необходимо произвести для решения
задачи, а также их последовательность. Совокупность всех действий,
возможных для данного типа машины, устанавливается при проекти-
ровании и зависит от ее назначения
Характерной чертой ЭЦВМ является наличие в них «памяти»,
или запоминающего устройства (ЗУ), в котором информация, необ-
ходимая в работе машины, записывается и сохраняется в течение лю- I
бого времени.
ЭЦВМ — это сложная система из электронных блоков или узлов,
имеющих общее управление и в свою очередь состоящих из функцио-
нальных элементов, представляющих электронную схему, выполняю-
щую некоторую элементарную операцию. К функциональным элемен-
там в основном относятся диодные и транзисторные ключи, коммута-
торы, триггеры, ферритовые элементы и т. д. (см. § 156). Из этих эле-
ментов составляются типовые узлы, выполняющие самостоятельные
операции в процессе обработки информации: регистры, дешифраторы,
* Имеются специальные типы ЭЦВМ, работающие не по жесткой програм-
ме, — так называемые обучаемые, самообучающиеся и самосовершенствующиеся
(см. § 169).
182
№
счетчики и сумматоры (см. § 157), а из них более крупные блоки, обес-
печивающие работу машины в целом и называемые устройствами
ЭЦВМ.
Перечислим основные устройства ЭЦВМ (блок-схема — на рис. 190;
стрелками показана функциональная связь между ними):
Устройство ввода (УВв). В нем информация, подлежащая вводу
в машину (программа решения задачи, исходные данные и т. п.), под-
готовленная На перфокартах или на перфоленте (см. § 160), считывается,
т. е. преобразуется в электрические сигналы, поступающие в прочие
блоки машины и в первую очередь в запоминающее устройство.
Рис. 190
—Движение информации
Сигналы управления
I Запоминающее устройство (ЗУ), или память машины. В его ячей-
ках* записываются и сохраняются команды программы, данные, с ко-
торыми производятся вычисления, а также промежуточные и оконча-
тельные результаты. Каждая ячейка в ЗУ имеет номер, который слу-
жит ее адресом. По этому адресу записанные в ЗУ данные могут быть
в любое время затребованы для использования в других устройствах
, Машины.
у Запоминающее устройство обычно состоит из двух частей—опе-
ративного (ОЗУ) для материалов, часто используемых в текущей ра-
боте, и долговременного (ДЗУ) для вспомогательных и более редко тре-
бующихся материалов. ОЗУ составляет неотъемлемую часть ЭЦВМ,
8 ДЗУ — обычно отдельное устройство.
Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) представляет блок,
котором непосредственно производятся вычислительные операции,
д&Хт. е. информация, введенная в машину, преобразуется в соответствии
заданной программой. Данные, участвующие в вычислении, посту-
пают в АЛУ из ячеек запоминающего устройства, куда заносятся так-
же и результаты. Характер вычислительной операции указывается
командой, поступающей из устройства управления.
* Ячейкой называют участок накопителя в ЗУ (см. § 158), предназначен-
«Зу.иый для записи и хранения одного машинного слова (см. с. 190).
183
Центральное устройство управления (ЦУУ) — это главный блок
машины, управляющий работой всех остальных блоков и обеспечи-
вающий необходимую последовательность их действий при выполне-
нии команд программы. Для этого в нем вырабатываются соответст-
вующие электрические сигналы, которые поступают во все блоки и
элементы машины. Таким образом, ЦУУ управляет движением инфор-
мации внутри машины и организует весь вычислительный процесс,
С устройством управления связан пульт управления (П), с помощью
которого оператор ведет наблюдение и контроль за работой машины,
а также производит ее включение и выключение.
Устройство вывода (УВыв) выполняет функцию, обратную устрой-
ству ввода. Оно считывает из запоминающего устройства результаты
вычислений, преобразует их в форму, удобную для практического-
использования, и выдает из машины.
Все устройства ЭЦВМ, входящие в их состав узлы и элементы,
связаны между собой в единую систему с помощью шин и соединитель-
ных линий, которые по назначению делятся на кодовые для передачи
сигналов, несущих перерабатываемую информацию*, и вспомогательные
для управляющих сигналов.
Кроме того, ЭЦВМ содержит различные вспомогательные элемен-
ты: генераторы управляющих сигналов, цифровые усилители (уси-
лители и повторители для формирования и усиления рабочих и
управляющих сигналов), реле, коммутаторы, электродвигатели
(в устройствах ввода и вывода) и источники питания различных
цепей.
По назначению, от которого зависит сложность устройства, ЭЦВМ
делятся на универсальные и специализированные.
I. Универсальные," или общего назначения, используются для ре-
шения широкого круга различных научных, инженерных и экономи-
ческих задач. Это самостоятельные установки для обработки инфор-
мации, подготовленной заранее в цифровой (или текстовой) форме,
различаются они в основном по производительности, т. е. числу опе-
_раций, реализуемых в одну секунду, (Весьма условно машины с быстро-
действием свыше 1 млн. операций в 1 с называются большими,
от десятков до сотен тысяч — средними, несколько тысяч —
малыми.)
II. Специализированные предназначаются для решения узкого
круга задач в определенной области (например, -военного дела, ме-
дицины), для управления производственными процессами и т. п. Эти
машины значительно проще по устройству и меньше по размерам (мало-
/ габаритные). Они могут работать в самостоятельном режиме или в ком-
плексе с большими универсальными машинами, разгружая их от ре-
шения частных задач. Эти машины часто входят в состав системы ав-
томатического управления какими-либо объектами. В этом случав
информация поступает в машину от соответствующих приборов или
* Как показано ниже, вся информация, перерабатываемая ЭЦВМ, имее'1
также форму электрических сигналов, передаваемых между узлами и элемен*
тами машины.
184
?•- датчиков, а результаты ее обработки передаются в виде сигналов He-
Д.посредствен но объекту управления.
Д , Развитие ЭЦВМ характеризуют, выделяя три поколения, различа-
f ющиеся по технической основе функциональных элементов, обуслов-
ливающей конструктивно-технологические особенности всей машины.
Первое поколение (выпуск 1940— 1950 гг..) было основано нй ис-
£., пользовании электронных ламп, в связи с чем ЭВМ имели значитель-
ЧуРые размеры (занимаемая площадь — несколько сотен квадратных
v метров), малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти,
- относительно невысокую надежность и потребляли значительную мощ-
,ность.
Рис. 191
К К первому поколению относятся такие ЭЦВМ, как БЭСМ-1, БЭСМ-2,
/«Стрела», «Минск-1, «Урал-1», «Урал-2», «Урал-4», М-20 и др?
Второе поколение (выпуск 1950 — 1955 гг.). Техническая база —
транзисторная. Это позволило значительно уменьшить размеры ма-
шины и потребляемую мощность, повысить надежность и быстродей-
ствие (до миллиона опер./с). Значительно увеличена емкость ЗУ.
Появились специализированные ЭЦВМ.
'• Из второго поколения следует упомянуть машины для научно-
технических расчетов: БЭСМ-4, БЭСМ-6, «Минск-2», «Раздан-2, «Раз-
дан-3», М-220; машины универсального назначения: «Урал-14», «Урал-
6», «Минск-22»,—Минск-23», «Минск-32» и др.; малые ЭЦВМ: «Мир»
i «Наири».
„На рис. 191 показана ЭЦВМ «Минск-32» (на рисунке обозначено:
Л— устройство ввода о перфоленты, 2 — то же, С 'перфокарт, 3 —
УУ и АЛУ, ОЗУ и блок питания, 4 — пульт управления, 5 —
стройство вывода, 6 — ДЗУ на магнитных лентах).
« Третье поколение (выпуск начала 70-х годов). В них отдельные
Олу проводниковые элементы заменены интегральными схемами
§ 143). Каждая микросхема представляет полностью один или не-
сколько самостоятельных функциональных блоков (счетчик, сумма-
*Sp, дешифратор и т. п.), из которых на печатных схемах собираются
яовные устройства машины. Это позволяет еще уменьшить размеры
Повысить быстродействие машины и надежность в эксплуатации.
I- ’185
, Машины этого поколения имеют большой набор внешних устройств
(см. с. 252), вместе с которыми они представляют единый универсаль-
ный^комплекс.
Рис. 192
Странами-участницами СЭВ разработан ряд таких машин, состав-
ляющих единую серию (ЕС) : ЕС-1010, ЕС-1020, ЕС-1030, ЕС-1040,
ЕС-1050 и др. Это семейство универсальных машин, работающих по
аналогичным программам и предназна-
ченных для решения любых научно-тех-
нических и экономических задач в рам-
ках отдельных вычислительных центров
или в составе АСУ (автоматизирован-
ная система управления) производствен-
ных предприятий/ учебных заведений
или органов управления целыми отрас-
лями народного хозяйства.
На рис. 192 показана ЭЦВМ ЕС-1020
(на рисунке обозначено: ’ 1 — ЦУУ и
АЛУ, ОЗУ, 2 — пульт управления,
3 — устройства ввода и вывода, 4 —
ДЗУ на магнитных дисках, 5 — ДЗУ
на магнитных лентах).
На рис. 193 — малая ЭЦВМ «Сара-
тов»; на рисунке обозначено: 1 — уст-
ройство вывода на перфоленту, 2 —
устройство ввода (также с перфоленты),
3 — блок внешних устройств (в данном
случае выход на электрическую пишу-
щую машинку 7), 4 — панель пульта контроля и управления,
5 — ОЗУ, 6 — блок питания, 8 — АЛУ и ЦУУ.
В настоящее время разрабатываются ЭЦВМ на больших интег-
ральных схемах (БИС), у которых на общей подложке реализуется
186
полная схема функционального узла, например АЛУ машины. Эти
машины называютя ЭЦВМ четвертого поколения.
В перспективе планируется разработка ЭЦВМ (пятое поколение)
Ута принципиально новой оптико-электронной основе, где носителями
информации будут оптические сигналы, а элементная база состоит из
лазеров, светоизлучающих диодов, световодов и фотоэлементов.
§ 155. Форма представления информации в ЭЦВМ
Информация подлежащая обработке с помощью ЭЦВМ, может иметь
форму буквенного текста, цифровых данных (в обычной десятичной
системе счисления) и некоторых условных знаков. Внутри машины
вся обрабатываемая (или вспомогательная) информация имеет цифро-
вую форму с использованием кода, основанного на двоичной системе
счисления. Преобразование информации из одной формы в другую
В обратно производится автоматически в устройствах ввода и вывода.
Удобство двоичной системы в том, что в ней имеются только два
цифровых знака: 0 и 1. Это значительно упрощает устройство машины,
-так как позволяет применять для представления этих цифр любые
устройства, работающие в два такта (одно положение —. «О», другое
«1»), например замкнутый или разомкнутый контакт, запертое или от-
крытое состояние электронной лампы, полупроводникового диода,
транзистора.
» В двоичной системе любое число обозначается цифрами 0 и 1, ко-
торые располагаются в порядке возрастания разрядов справа налево.
Цифра 0 означает незанятый разряд, а единица получает значение в за-
висимости от разряда, в котором она находится. Каждый разрядсоот-
^ветствует основанию системы, т. е. числу 2, в степени, на единицу мень-
шей порядкового номера разряда:
Разряды двоичного числа 6 5 4 3 2 1
Переход от двоичной си- стемы к десятичной 28 24 2® 2® 21 2» 2-1 2-® 2-®
Значение в десятичной системе 32 16 ' 1 8 4 2 1 1/2 .1/4 1/8
Числа от 1 до 10 в десятичной и двоичной системах обозначаются
так:
Десятичная 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Двоичная 1010 1001 1000 111 но 101 100 11 10 1 0
Например, десятичное число 215 в двоичной системе пишется так:
11010111, а двоичное число 11001 в десятичной системе означает 25
?и т. д.
Перевод дробной части числа из десятичной системы в двоичную
’«Сколько сложнее, так как может требовать большого числа разря-
187
дов цифр и тогда делается соответствующее округление. Например,
переведем в двоичную форму: 0,75 = 1/2 + 1/4 = 0,11, а 0,6 = 1/2 4*
4- 1/16 + 1/32 + 1/264 4- 1/528 = 0,5995 (для точного ответа надо
добавить еще 1/2012). Ответ: 0,6 = 0,100110011 (точно 0,10011001 101 j.
' В ЭЦВМ применяются также десятичная и восьмеричная (с осно-
ванием 8) системы или переходные коды, в которых не все число цели-
ком переводится в двоичную систему, а каждая цифра исходного числа
представляется отдельно двоичным эквивалентом. Например, в двоич-
но-десятичном коде десятичное число 215 представлено так: 010 001 101.
Это же число в восьмеричном коде представлено как 327, а в двоично-
восьмеричном — как ОН 010 Н1.
Арифметические операции, реализуемые в ЭЦВМ, — это сложение,
вычитание, умножение и деление. К этим действиям при составлении
программ сводятся все более сложные математические операции, ко-
торые могут встретиться при решении поставленной задачи.
Сложение при двоичной системе Счисления производится по пра-
вилам, аналогичным десятичной системе, причём учитывается, что:
04-0= 0 Пример: 11014-101= 1101
04-1= 1 + 101
14-0= 1 10010
14-1 = 10
Реализуется сложение с помощью узла, входящего в состав АЛУ
и называемого сумматором (см. § 157, 168).
Вычитание в принципе происходит так же аналогично десятичной
системе. Однако практически путем представления чисел в особых
кодах — обратном и дополнительном (подробности опускаем) — вычи-
тание заменяется операцией сложения и реализуется также с помощью
сумматора.
Умножение производится по правилам, подобным десятичной
системе, причем учитывается, что:
0Х 0 = 0; 0Х 1=0; 1X0 = 0; IX 1=1.
При умножении множимое поразрядно умножается последовательно
на каждую цифру множителя; при этом умножение на 1 требует по-
вторения множимого со сдвигом влево соответственно разряду, в ко-
тором эта 1 стоит в множителе (умножение на 0 дает 0 во всех раз-
рядах), затем все частные произведения суммируются.
Пример: 1101x1011= 1101
X
1011
1101
1101
1101
10001111
188
hV- При операции умножения сдвиг множимого производится с помо-
А';щью входящего в состав АЛУ регистра (см. § 160), затем оно перепи-
сывается в сумматор и последний осуществляет сложение.
Деление—наиболее сложная операция, но и она в основном сводится
: к многократному сдвигу делителя и вычитания его из предыдущего
остатка, к которому сносятся цифры очередного разряда делимого,
к.т. е. в конечном итоге также к сдвигу и сложению. '
а Все вычислительные операции в ЭЦВМ производятся со знача-
% шей частью числа независимо от положения запятой, отделяющей
£ целую часть числа от дробной, которое учитывается отдельно. Для
этого существует два способа представления чисел для ввода в машину:
ЙГ) в естественном виде, или «с фиксированной запятой», 2) в нормаль-
ном виде, или «с плавающей запятой». Способ, принятый в данной
(ЭЦВМ, учитывается при составлении программ (см. § 162) и указы-
вается в паспортных данных машины.
В обоих случаях на первом месте в разрядной сетке (риег 194) ста-
вится код знака числа: 0 для положительного и 1 для отрицательного.
**атем указывается само число.
В первом случае считается, что запятая, отделяющая целую часть
ела от дробной, имеет в разрядной сетке постоянное место между
рвым и вторым разрядами слева (рис, 194, а), т. е. заданное число
писывается в виде правильной дроби. Для этого оно предварительно
шожается на соответствующий масштабный коэффициент, который
поминается и затем учитывается в^ полученном результате. Напри-
p. число 10, 1 ...1 записывается как 0,101...! (рис. 194, б). Масшта-
роваиие затрудняет обработку материала — в этом основной не-
статок метода.
Во втором случае значащая часть числа (называемая мантиссой)
писывается в левой части сетки также в биде правильной дроби,
правой части записывается порядок числа (разряды для которого
таются как обычно справа налево), указывающий, на сколько
рядов надо перенести запятую, чтобы получить заданное число
с. 194, в). (Например, указанное выше число 10,1...1 запишется
:, как показано на'рис. 194, г.) Запись чисел с плавающей запятой
189
f
усложняет вычисления, так ка^ арифметические действия при ней
производятся отдельно с мантиссами и с порядками чисел, но не тре-
бует масштабирования чисел.
В некоторых ЭЦВМ («Минск-32», серия ЕС) возможно представ-
ление информации в обеих формах.
ЭЦВМ производят обработку информации, представленной не
только в цифровой форме, но и в буквенной, которая внутри машины
записывается также двоичным кодом.
Кодовые знаки (0 или 1) записываются в памяти машины, а также
передаются между ее устройствами стандартными группами, каждая
из которых состоит из восьми знаков и называется байтом. Полная
запись числовых данных или кодовых знаков команды программы
называется машинным словом и обычно составляется из целого числа
байтов. Максимальное число байтов или двоичных разрядов, допу-
стимое в машинном слове, называется разрядностью ЭЦВМ и является
одной из ее основных рабочих характеристик.
Вычислительные операции, реализуемые в ЭЦВМ, состоят из ариф-
метических (рассмотренных выше) и логических. Логические операции
относятся к следующим группам: а) осуществляемые по правилам
математической логики* (см. § 156), б) вспомогательные при арифме-
тических вычислениях, например сдвиг числа в разрядной сетке при
умножении, и в) необходимые при решении некоторых вычислитель-
ных задач, например определение знака числа, сравнение двух чисел
по знаку или величине, проверка наличия данного числа определен-
ных признаков и т. п.
/
§ 156. Логические элементы ЭЦВМ
В пределах ЭЦВМ (от устройства ввода до устройства вывода)
вся перерабатываемая информация имеет форму электрических сиг-
налов, соответствующих цифрам 1 и 0, в которых она закодирована.
Эти сигналы образуются в устройстве ввода одновременно с кодиро-
ванием информации в двоичной системе счисления и служат для пере-
дачи ее между всеми устройствами машины.
\ Сигналы, с помощью которых передается информация, могут иметь
двоякую форму: импульсную и потенциальную.
Импульсный сигнал передается кратковременным скачком напряже-
ния (или тока) на входе или выходе функционального элемента ЭЦВМ
(рис. 195, а): наличие импульса—сигнал 1, отсутствие—сигнал О,
Потенциальный сигнал передается уровнями постоянного напря-
жения на входе или выходе элемента ЭЦВМ, которые в зависимости
от условий действия сигнала сохраняются в течение промежутка
времени, равного длительности одного (рис. 195, б, в) или нескольких
(рис. 195, г) тактов работы узла или1 элемента ЭЦВМ. Тактом назы-
* Математическая логика — это раздел математики, в котором изучаются
свойства функций, у которых как независимые переменные, так и сама функция
могут принимать значения [только из определенного множества значений.
В данном случае это функция двух переменных, которые, как и сама функция,
могут принимать только два значения 0 или 1.
190
J/jy вается время, необходимое для завершения простейшей вычислитель^
Йй* ной операции, оно одинаково для всех устройств данной машины и
® - обусловливает ее быстродействие.
Обычно высокому уровню напряжения С/выс присваивают значение
К сигнала 1, низкому (7ННЗ (практически близкому к нулю)—значе-
Ж ние сигнала 0. Высокий уровень потенциала может быть положитель-
Ж ного знака (+^ВыС; см. рис. 195, б) или отрицательного (— С7выс;
Ж“ см- РИСф 1^» знака по отношению к заземленным точкам схемы, что
Ж зависит от типа применяемых транзисторов. В первом случае, который
ж называют положительной логикой, — это транзисторы п-р-п (на кол-
К лекторе плюс, заземлен минус); во вто-
К ром, который называют отрицательной а)
№. логикой, — транзисторы р-п-р (на кол-
лекторе минус, заземлен плюс).
Потенциальные сигналы чаще исполь-
зуются для кодирования перерабатывав- '
ИГ мой информации, а импульсные—в ка-
честве управляющих, которые обеспечи-
В" вают согласованную работу всех уст- ''
ж ройств ЭЦВМ, а также автоматическую
Sj последовательность операций, выпол- .
няемых узлами и отдельными элемен- у
тами машины. Основными управляющи-
ми ми сигналами являются синхронизирую-
щие импульсы — это импульсы напря-
жения постоянного знака со стабилизи-
рованной частотой порядка 60—100 кГц
(у разных машин). Они вырабатываются
специальным генератором, имеющимся в
управления (ЦУУ) и распределяются по вс
Кроме того, в местных устройствах управления, которые имеются
В Ж) всех основных устройствах, специальные датчики вырабатывают
тактовые импульсы, обеспечивающие последовательность действия
элементов внутри самого узла. Тактовые импульсы представляют
прямоугольные импульсы (или уровни напряжения), различные по
длительности и имеющие определенный сдвиг по времени между собой.
; Как показано в § 15§, поступление сигналов, несущих обрабатыва-
^К’.емую информацию, на входы или с выходов различных узлов и эле-
ментов ЭЦВМ согласуется с поступлением Синхронизирующих или
сЕ^тактовых управляющих сигналов с помощью специальных логических
схем — конъюнкторов.
Вввод машинных слов в различные устройства ЭЦВМ, а также пе-
^И&^редача слов между ними могут производиться параллельным (много-
анальным) или последовательным (одноканальным) способом. В пер-
яИГвом случае все кодовые импульсы слова передаются одновременно в те-
ЛЯрЗгение промежутка t (рис. 196, а), поэтому для каждого разряда слова
^^Вйюлжен быть отдельный канал связи (провод) и соответствующий ему
ЗИИ^Вход в устройство. Во в гором случае кодовые импульсы слова пере-
ifflh Даются последовательно разряд за разрядом по одному и тому же ка-
центральном устройстве
устройствам машины!
191
налу связи в промежутки времени /t, t2, соответствующие синхро-
низирующим импульсам (рис, 196уб). В обоих случаях (на рисунке)
передается число 1011.
Для образования электрических кодовых сигналов 0 и 1 при-
меняется устройство типа «ключа», имеющее два крайних устойчивых
положения «включено» и «выключено» с мгновенным скачкообразным
переходом между ними. Допустим, что к источнику напряжения Е
подключены ключ К и нагрузоч-
ный резистор RH, с которого сни-
мается выходное напряжение
t/BbIX (рис. 197, а). При разом-
кнутом ключе напряжение
£/вых = 0 — сигнал 0. Если
ключ д замкнут, то в цепи про-
ходит ток и выходное напряже-
ние можно считать равным на-
пряжению Е источника — сиг-
нал 1 (рис. 197, б).
В качестве ключей могут
быть использованы реле, маг-
нитные элементы (см. § 158),
устройства на электронных лам-
пах и‘т. д. Чаще всего для этого
применяется полупроводниковые диоды и триоды. Если диод Д вклю-
чен по схеме, аналогичной рис, 197, то при прямой полярности по от-
ношению к источнику сопротивление его ничтожно мало и выходное
напряжение практически равно напряжению источника—сигнал 1
(рис. 198, а); при обратной полярности, пренебрегая падением.напря-
жения от обратного тока на резисторе RB, выходное напряжение
можно считать равным нулю — сигнал 0 (рис. 198, б),
Рис. 198
В качестве электронного ключа может быть использован также и
транзистор, включенный по схеме усилителя (см. § 56). Если транзи-
стор заперт, то сопротивление коллекторного перехода настолько ве-
лико, что соответствует разомкнутой цепи. Если транзистор открыт
и находится в режиме насыщения ( с максимальным базовым током),
то сопротивление коллекторного перехода ничтожно, что соответствует
короткому замыканию цепи.
192
Функциональные элементы ЭЦВМ по назначению делятся на ло-
гические, запоминающие и вспомогательные. Логическими называют
элементы, реализующие элементарные операции математической ло-
гики, на которых построена вся вычислительная работа ЭЦВМ.
' Основными функциями математической логики являются конъюнк-
ция, дизъюнкция и отрицание (инверсия), которым соответствуют три
одноименных логических элемента: конъюнктор, дизъюнктор и инвер-
тор.
Характеристикой функции или соответственно операции, выполня-
емой логическим элементом, является таблица состояний, в которой
указывается значение функции в зависимости от значений ее аргу-
ментов.
Рис. 199
Л-П_П_»,
n_rLFL-.z
Л___
Конъюнкция (обозначается: А А В = Р, читается: Р есть Л и В)
дает, результат, равный единице; Р = 1 только в том случае, когда
каждое из переменных одновременно равно единице: A «« 1 и В « 1
(см. таблицу):
Конъюнкция
А В Р
ООО
0 10'
10 0
' 111
Поэтому конъюнкцию называют операцией И, а выполняющий ее эле-
; мент — схемой совпадения или конъюнктором. Как видно из таблицы,
i вначение результата Р соответствует арифметическому умножению
"Значений Л и В. Поэтому конъюнкцию называют также логическим
умножением,
: Конъюнктор имеет один выход и два (в общем случае любое число)
входа. Сигнал Г на выходе появляется только при условии совпадения
сигналов 1 на всех входах. Простейшая схема цепи, реализующая это
условие, состоит из нескольких включенных последовательно ключей
(рис, 199), Сигнал 1 на выходе появляется только при одновременном
замыкании всех ключей.
Конъюнкция обычно реализуется с помощью диодно-резисторной
‘". схемы (рис, 200, а — для положительной логики), состоящей из не-
Н. М. Ливенцев - •
-f
л.
О)
. Л
Л
рис. 201
скольких (по числу входов) параллельных цепей, в каждую из которых
включен диод Д. По этим цепям может проходить ток от источника Е
через общий нагрузочный резистор /?н значительного сопротивления
(а также входные резисторы и /?а с незначительным сопротивлением).
Если на входы не поступают импульсы (сигнал 0), то диоды открыты,
через них проходит ток и на нагрузочном резисторе RH образуется
падение напряжения. Напряжение на выходе схемы будет низким, что
соответствует сигналу 0. Положение практически не изменится, если
на один из входов поступил положительный импульс и соответствую-
щий диод будет заперт. Если же по-
ложительные импульсы поступят на
оба входа одновременно и оба дио-
да будут заперты, то тока в цепи не
будет и на выходе окажется высо-
кое напряжение, близкое к напря-
жению Е источника (сигнал 1),
Напряжение сигнала, которое на
рис. 200, а условно показано пунк-
тиром, при этом должно быть близ-
ким к напряжению Е источника.
На рис. 200,6 показана временная
диаграмма работы конъюнктора: импульс (сигнал 1) на выходе появ-
ляется только при совпадении обоих входных импульсов.
Аналогичная схема, реализующая конъюнкцию при отрицательной
логике, дана на рис. 201, а; условное обозначение на логических схе-
мах (конъюнктор на два входа) — на рис. 201, б.
Конъюнкторы широко применяются в ЭЦВМ для согласования
действия различных сигналов, например для согласования кодовых
сигналов с синхронизирующими импульсами. Предположим, что на
входы А и В конъюнктора на три входа ( рис. 202, а) поступили рабо-
чие импульсы различной длительности, а на вход С — синхронизирую-
щие импульсы, тогда сигнал на выходе конъюнктора появляется в те-
чение времени совпадения всех трех входных импульсов, т. е. только
одновременно с синхронизирующим импульсом (рис. 202, б).
Дизъюнкция (обозначается: A \J В = Р, читается: Р есть А или
В) дает результат, равный единице; Р = 1 в том случае, когда хотя
бы одно из переменных А или В (или оба одновременно) равно I
(см. таблицу):
Дизъюнкция
А В Р
0
О
1
1
О
1
О
1
о
1
1
1
Поэтому дизъюнкцию называют операцией ИЛИ, а выполняющий ее
элемент — собирательной схемой или дизъюнктором. Как видно из таб-
лицы, значение результата Р соответствует арифметическому сложению
1М
вначений А и В. Поэтому дизъюнкцию называют также логическим сло-
жением.
Дизъюнктор имеет один выход и два (в общем случае любое число)
входа. Сигнал 1 на выходе появляется при наличии сигнала 1 на любом
одном (или обоих) из входов. Простейшая схема цепи, реализующая
Рис. 203
это условие, состоит из двух включенных параллельно ключей
(рис. 203). Сигнал 1 на выходе появляется при замыкании хотя бы
одного ключа.
Дизъюнкция обычно реализуется с -помощью диодно-резисторной .
схемы (рис. 204, а — при положительной и рис. 205, а — при отрица- _
тельной логике). Если на входе сигналов нет, то напряжение на вы-
ходе равно нулю (сигнал 0). Если на одном из входов (или на обои/)
появился импульс напряжения, то через соответственно открытый
диод ток пройдет и на выходе образуется высокое напряжение (сиг-
нал 1). На рис. 204, б и 205, б показаны временные диаграммы работы
Рис. 204
дизъюнктора. Высокий потенциал на выходе ( сигнал 1) появляется
одновременно с поступлением сигнала 1 на любом из входов и имеет
соответствующую длительность, так как в отличие от конъюнкции сиг-
нал на выходе образуется за счет тока самих входных сигналов.
Условное обозначение дизъюнктора на два входа на логических
схемах показано на рис. 206, а.
Дизъюнкторы применяются в ЭЦВМ для распределения сигналов
по различным цепям, например для передачи на вход какого-либо уст-
ройства-машины сигналов из нескольких независимых между собой
7*
195
цепей или наоборот, для распределения выходного сигнала между
несколькими независимыми цепями*.'
Операция Отрицание или инверсия (обозначается: Р = А, чи-
тается: Р есть не А) называется также операцией НЕ, а реализующий
ее элемент—обратной схемой или инвертором. Обозначение дано на
йен 2
Увык
Я
U U LT*7
-и
Рис. 205
рис. 206, б. Сигнал 1 на выходе образуется только при отсутствии сиг-
нала, т. е. 0, на входе, при поступлении сигнала 1 на вход сигнал на
выходе не появляется—сигнал 0 (см. таблицу):
Инверсия
А Р=А
0 1
1 0
Электронная схема НЕ чаще всего представляет транзистор в клю-
чевом режиме. Знак напряжения на входе С/вых, так же как и сигнал,
который при этом должен подаваться на базу, зависят от типа тран-
зистора. В случае транзистора
п-р-п, т. е. при положительной
логике (рис. 207, о) и при отсут-
ствии на базе управляющего
сигнала (код 0), транзистор за-
перт независимым отрицатель-
ным смещением — Напря-
жение ' на выходе высокое,
положительное: Двых = 4- £н
(код lj. При подаче на базу положительного напряжения L/BX (код 1)
транзистор отпирается н напряжение на выходе снижается до нуля:
Uвых ~ О’ (К°Д 0). Временная диаграмма работы инвертора дана на
рис. 207, а. -
Для случая транзистора р-п-р, т. е. при отрицательной логике
(рис. 207, б) и отсутствии на базе управляющего сигнала (код 0), тран-
зистор заперт независимым положительным смещением на базе +£см.
• Для разделения цепей применяется также включение- в иих разделитель-
ных диодов, препятствующих ответвлению тока в параллельной цепи (см., на-
пример, диоды Д на рис. 210).
196
Напряжение на выходе высокое, отрицательное: UBbII — — Ея
(код 1), При поступлении на базу отрицательного напряжения (/вх
(код 1) транзистор отпирается, напряжение от источника падает на
резисторе Ra и выходное напряжение становится равным нулю:
^вых = 0 (код 0).
Путем различных комбинаций из элементов И, ИЛИ, НЕ состав-
ляются схемы, обеспечивающие осуществление более сложных функ-
ций, реализуемых в различных узлах ЭЦВМ. Для этого на основании
правил математической логики составляется уравнение искомой функ-
Рис. 207
пин, в соответствии с которым строится логическая, или функциональ-
ная, схема. В ней логические элементы соединяются в общую схему,
указывающую, какие операции и в какой последовательности следует
произвести над переменными, чтобы получить искомую функцию.
В качестве примера рассмотрим реализацию функции равнозначности (или
еквивалентности) [обозначается: Р = А = В, читается: А равнозначно (экви-
валентно) В]. При этом сигнал 1 на выходе схемы образуется только при совпа-
“ денин одинаковых (безразлично, 0 или 1) сигналов на входах. Таблица состояний:
АВР
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
По правилам математической логики* функция может быть преобразована
так: А = В — АВ + АВ, и тогда ее реализация предусматривает следующие
действия: а) умножение (конъюнкция) переменных А и В; б) инверсия пере-
менных А и В и умножение полученных величин А • В; в) сложение результатов
ЛВ+/ГЙ. Таким образом, функция равнозначности реализуется с помощью
двух инверторов, двух конъюнкторов и одного дизъюнктора. Логическая схема
в временная диаграмма для положительной логики приведены на рис. 208.
Функция равнозначности используется в ЭЦВМ, например, для сравнения
по величине двух чисел. Код этих чисел поразрядно подается на входы схемы.
В разрядах, цифры в которых одинаковы, на выходе появляются единицы, в кото-
рых неодинаковы нули. При равенстве чисел На выходе во всех разрядах долж-
ны быть только единицы.
* Эти правила в данном курсе не рассматриваются.
Сравнение числа, полученного в результате вычисления, с другим, заданным,
может встретиться, например, для принятия решения при условном переходе
между командами программы (см. § 162), в котором оговорен переход к одной
команде при равенстве этих чисел или к другой при их неравенстве.
Функция, обратная равнозначности, — неравнозначность, или отрицание
равнозначности (обозначается: Р — А Ф В, читается: А неравнозначно В).
При этом сигнал 1 на выходе схемы образуется только при несовпадении одина-
ковых (безразлично, 0 или 1) сигналов на входах. Таблица состояний:
АВР
0*0 о
0 1 1
1 0 1
1 1 о
Функция преобразуется так: А Ф В = АВ + АВ — и реализуется с по-
мощью двух инверторов, двух конъюнкторов и одного дизъюнктора. Логическая
схема и временная диаграмма для отрицательной логики приведены на рис. 209.
Рис. 209
В этом случае при поразрядном сопоставлении двух чисел одинаковые
цифры дают на выходе нули. Это используется при операции сложения чисел
в полусумматоре (см. § 158).
§ 157. Триггер
К логическим элементам ЭЦВМ относятся также триггеры. Прин-
ципиальная схема триггера на транзисторах приведена на рис. .210, а
(транзисторы р-п-р, т. е. при отрицательной логике). По схеме и прин-
- цнпу действия триггер в значительной мере подобен мультивибратору
(см. § 146), но отличается от него тем, что оба его крайних состояния
являются устойчивыми и и переход из одного в другое (опрокидывание
триггера) происходит только под действием внешних импульсов, ио-
198
даваемых на базу одного из транзисторов. Это связано с тем, что в
триггере обратные связи коллектор—база осуществляются через ре-
висторы и R2 (для убыстрения процесса опрокидывания триггера
эти резисторы шунтированы конденсаторами*,что показано пунктиром).
На базы транзисторов от независимого источника подается напряжение
смещения Ес, по знаку соответствующее их запертому состоянию. Кро-
ме того, у триггера имеются дополнительные входы, через которые на
базы транзисторов (через разделительные диоды Дх и Д2) подают ел
импульсы, вызывающие опрокидывание триггера.
Таким образом, триггер имеет два входа S и R и два выхода а и а,
условное обозначение его на схеме рис. 210, б.
Рис. 210
Допустим, что в начальный момент транзистор 7\ открыт, а Т2 —
ваперт. Напряжение на коллекторе 7j низкое — близко к нулю
(см. начальную часть графика на рис. 210, в), а на коллекторе Т2—
высокое, близко к —Ек. Транзистор 7\ поддерживается открытым
вследствие наличия тока, протекающего через переход эммитер —
база и резисторы R2 и R„2 (стрелки на рис. 210, а) под действием на-
пряжения источника (положительный потенциал, образуемый источ-
ником смещения, имеет незначительную величину и поэтому на со-
стояние транзистора Тх в данном случае не влияет). Транзистор Т2
поддерживается в запертом состоянии положительным потенциалом
на базе, поступающим от средней точки делителя на резисторах /?Са
и Rx, который замыкает цепь источника смещения через открытый
транзистор Тх. Состояние триггера, при котором на основном выходе а
напряжение низкое, называется нулевым (в триггере записан сигнал 0). .
Для срабатывания (опрокидывания) триггера надо на его вход S
подать положительный** импульс. При поступлении (через диод Дх)
положительного импульса на базу открытого транзистора Т\ послед-
ний мгновенно запирается, ток через него прекращается (интервал t2
* Не следует сопоставлять эти конденсаторы с конденсаторами н цепях
обратной связи мультивибратора, их назначение совсем иное.
** При транзисторах п-р-п (положительная логика) опрокидывание триг-
гера вызывается отрицательными импульсами.
199
на графике рис. 210, в) и отрицательное напряжение иа коллекторе
Un резко возрастает. Это напряжение через делитель, — RM
создает на базе Т2 отрицательный потенциал, значительно превышаю-
щий положительный потенциал, образуемый источником смещения,
и Т2 отпирается. Отрицательное напряжение (7KJ на его коллекторе
снижается почти до нуля. При этом на базе 7\ образуется отрицатель-
ный потенциал от средней точки делителя R2 — RC1, на котором рас-
пределяется напряжение смещения. Этот потенциал и поддерживает
транзистор 7\ запертым (интервал t2 на графике рис. 210, в). Состояние
триггера, при котором на основном выходе а напряжение высокое,
называется единичным, т. е. в триггере записан сигнал 1. Для возвра-
Рис. 211
щения триггера в нулевое состояние надо подать положительный им-
пульс на базу открытого транзистора Т2, т. е. на вход R. Заметим, что
уровни напряжения на выходах а, а триггера имеют обратную вели-
чину: когда на выходе а напряжение низкое (сигнал 0), на выходе а
оно высокое (сигнал 1), и наоборот. В определенных случаях это имеет
значение.
Триггеры используются в регистрах, дешифраторах исчетчиках,
К логическим элементам относятся также элементы задержки сиг-
нала. Сигналы, поступающие на входы различных элементов ЭЦВМ,
проходят через различные цепи, что может требовать различного вре-
мени и в результате привести к рассогласованию во времени сигналов
на выходе. В подобных случаях необходимая одновременность прихода
сигналов достигается введением в цепь опережающего сигнала элемента
задержки, который представляет отрезок линии, состоящий из катущек
индуктивностей и конденсаторов ( рис. 211, а). Каждая из секций такой
линии задерживает сигнал на время т = VLC.
На рис. 211, б показана логическая и временная диаграмма: сиг-
нал на вход А приходит раньше, чем на вход В, В цепь этого сигнала
включен элемент задержки (ЭЗ), обеспечивающий одновременно при-
ход сигналов.
§ 158. Типовые узлы ЭЦВМ
Регистр—это узел ЭЦВМ, состоящий из системы триггеров и пре-
дназначенный для записи й кратковременного хранения информации,
записанной в двоичном коде. Регистры применяются во многих уст-
ройствах ЭЦВМ. Например, в устройстве управления на регистре за-
200
элементов, из которых
поданного на них сигнала 1 или 0.
Рис. 212
Управляющий
сигнал sanucf)
УправлПюШи!
сигнал свроаб
УпраВлякЛЦУй
сигнал
- вывода'
писывается код команды на все время ее исполнения, в арифметиче-
ском устройстве—исходные данные и результаты промежуточных дей-
ствий. С помощью регистра производятся операции сдвига чисел в раз-
рядной сетке, преобразование кода числа при операции вычитания
и др. Регистр является входной частью дешифратора.
Регистры могут быть последовательного или параллельного дей-
ствия. Каждый регистр имеет столько ячеек, сколько разрядов мак-
симально содержит записываемое в нем машинное слово. Процесс
записи заключается в изменении состояния
состоит регистр, в зависимости от
Рассмотрим в качестве при-
мера регистр параллельного дей-
ствия на три разряда (рис. 212).
Каждая ячейка содержит запо-
минающий элемент—триггер Т
и два конъюнктора: на входе
и на выходе Иг. На конъюнкто-
ры подаются управляющие сиг-
налы для записи или считыва-
Д ния записанного сигнала.
Исходное состояние всех
.триггеров Тг, Т2, Тs нулевое (0).
При поступлении на конъюнк-
тор Их одновременно управляю-
щего сигнала и сигнала кода записи, на основной вход S триггера по-
ступает сигнал 1, триггер опрокидывается, к е. в нем записывается
V единица (1).
<' Сигнал 1 появляется при этом и на выходе а триггера. При подаче
£? на конъюнктор И2 управляющего сигнала для вывода числа сигнал 1
Ж передается в другие узлы или устройства машины. Сигнал, записанный
в триггере, сохраняется и может быть использован повторно. Для сня-
тия записи надо на второй вход И триггера подать управляющий
хл сигнал сброса.
Для записи в регистре, например, числа 101 (десятичное 5) надо
подать положительные сигналы на входы триггеров 7\ и Т3.
•J* Регистры могут выполняться также и на диодно-резисторных эле-
ментах, но схема получается более сложной.
Т Счетчик импульсов—это узел ЭЦВМ, предназначенный для счета
поступающих к нему сигналов, а также записи и хранения резуль- •
тэта счета; счетчик состоит из последовательно включенных между
: 7 собой триггеров со счетным входом, число которых соответствует мак-
; симально возможному числу разрядов в записываемых числах.
Л Устройство триггера со счетным входом основано на следующих
• соображениях: как указывалось, опрокидывание триггера в случае
X транзисторов р-п-р может быть вызвано подачей положительного им-
пульса (прн транзисторах п-р-п — отрицательного) на базу открытого
г транзистора, подача такого же импульса на базу запертого транзистора
состояния триггера не изменяет. Поэтому подача положительного им-
пульса одновременно на базы обоих транзисторов равносильна подаче
201
импульса только на базу открытого транзистора и вызывает опроки-
дывание триггера. Это и используется при работе триггера в режиме
счетчика импульсов. Для этого оба базовых входа объединяются в один
.общий счетный вход, на который и подаются импульсы, подлежащие
счетуг каждый последующий импульс вызывает опрокидывание триг-
гера. Принципиальная схема, обозначение и временная диаграмма
работы триггера при транзисторах р-п-р приведены на рис. 213. Для
перевода триггера в исходное нулевое состояние на его второй вход R
подается управляющий (в данном случае положительный) сигнал сбро-
са. В качестве примера рассмотрим суммирующий трехразрядный
и
Счетный
Вход
Выхода
Выхода
Рис. 213
счетчик (функциональная схема — на рис. 214, а). Счетчик состоит
иа трех Триггеров Ти Т2 и Т3, пронумерованных в порядке старшин-
ства разрядов цифр, которые будут в них записаны (хотя триггеры
расположены слева направо*, записанное в них число должно чи-
таться,как обычно, справа налево). Триггеры соединены между собой
так, что основной выход а триггера младшего разряда подключен к
счетному входу триггера более старшего разряда через дифференцирую-
щую 7?С-цепочку.
Действие счетчика основано на том; что при переходе данного триг-
гера из одного состояния в другое на его основном выходе а происхо-
дит перепад уровней напряжение который вследствие дифференцирую-
щего действия /?С-цепочки образует на счетном входе соседнего (более
старшего) триггера импульс. Этот импульс в зависимости отего поляр-
ности или вызывает опрокидывание соседнего триггера, или состояния
его не изменяет. Опрокидывающий импульс образуется при переходе
данного триггера из состояния 1 в состояние 0, когда перепад напря-
* Расположение триггеров может быть неправа налево: Т3, Т2, 7\,Подобно
расположению разрядов двоичного числа. Принцип действия счетчика при этом
не меняется, но схемы, соответствующие рис. 213 и 214, будут несколько отли-
чаться.
202
жения на основном выходе а происходит от С7ВЫ0 до UBSU. Импульс,
образующийся на выходе а при переходе триггера из состояния 0 в
состояние 1, когда перепад напряжения происходит от 1/нив до UBU„
опрокидывания соседнего триггера не вызывает, В результате в пер-
вом случае происходит передача единицы (1) с данного триггера на
соседний, а во втором — такой передачи не происходит.
Пользуясь схемами на рис. 213 и 214, легко установить, что в рас-
сматриваемом счетчике (также на транзисторах р-п-р) при переходе
данного триггера из состоя-
ния 0 в состояние 1 на счет-
ный вход соседнего триг-
гера .передается отрица-
тельный импульс, который
Не пропускается на базы
диодами Д, включенными
на счетном входе, а при
переходе из состояния 1 в
состояние 0 образуется по-
ложительный импульс, до-
стигающий баз транзисто-
ров и вызывающий опро-
кидывание триггера.
В общем работа счетчи-
ка происходит так. Перед
началом счета путем пода-
чи импульса на вход сбро-
са все триггеры переводят-
ся в исходное нулевое по-
Рис. 214
ложение. При поступлении
первого импульса триггер Тх переходит из состояния 0 в 1, триггеры
Т2 и Т3 состояния не меняют (запись в счетчике 001). При поступле-
нии второго импульса триггер Тх переходит из состояния 1 в состоя-
ние 0, появляющийся при этом на его выходе перепад напряжения
переводит триггер Т2 из состояния 0 в состояние 1 (число 010). Тре-
тий импульс опрокидывает первый триггер, Т2 и Т3 состояния не
изменяют (число 011). Четвертый импульс опрокидывает Тх, что вы-
вывает опрокидывание Т2 и Т3 (число 100) и т. д. — см. таблицу;
№ импульса _ Записанное Г, Т, т, число
0 0 0 0 000
1 1 0 0 001
— 2 0 1 0 010
3 1 1 0 011
4 0 0 1 100
5 1 0 1 101
6 0 г 1 110
7 1 1 1 ш
в т. д.
203
Седьмой импульс заканчивает счет 111, восьмой переводит все триггеры
вновь в нулевое состояние, и счет может повторяться.
На рис. 214, б показана временная диаграмма работы счетчика
(напряжение на основном выходе а каждого из триггеров). Из диаграм-
мы видно, что чем старше разряд триггера,-тем длительнее он находится
в очередном состоянии. Если для первого триггера опрокидывание
происходит через промежуток времени Д/, то для второго — через 2Д/
и для третьего — через 4 Д/.
Дешифратор—это важный узел ЭЦВМ, предназначенный для пре-
образования цифрового кода команды, поступившего на его вход,
Рис. 215
в управляющие сигналы на его выходах, которые по соединительным
проводам поступают к соответствующим элементам схемы ЭЦВМ и
приводят их в действие.
В зависимости от назначения дешифраторы различаются как по
сложности устройства элементов, из которых они состоят, так и по
схемному выполнению.
В качестве примера рассмотрим простейший дешифратор при двух-
разрядном кодовом числе, построенный на базе диодно-резисторных
конъюнкторов. Дешифратор (функциональная схема —на рис. 215, а)
в основном состоит из входного регистра на триггерах Л и Т2 и системы
элементов И, соединенных распределительными шинами М с выходами
триггеров и передающих сигналы с них на выходные шины Рх — Рх.
Распределительные шины попарно (в различных комбинациях) сое-
диняются с выходными шинами через конъюнкторы И. Поэтому сиг-
нал 1 на выходной шине образуется только при условии совпадения
сигналов 1 на обоих подключенных к ней выходах триггеров,
что зависит от записанной в каждом триггере цифры: 0 или 1. Таким
образом, при каждом числе, записанном на регистре, управляющий
сигнал 1 появляется только на одном выходе дешифратора (на осталь-
ных выходах при этом сигнал 0}, Поэтому каждому кодовому числу
204
соответствует сигнал, посылаемый только в один определенный элемент
_ или узел машины.
Система конъюнкторов представляет диодно-резисторную матрицу
или матричную схему (рис. 215, б), которая содержит две взаимно
перпендикулярные и изолированные одна от-другой системы шин М
и Р, соединенные между собой с помощью диодов Ду — Дв. Выходные
шины ₽! — Pt подключены к источнику питания (—£) через резн-
" сторы R. Каждая шина вместе с подключенными к ней диодами пред-
ставляет конъюнктор И, на выходе которого сигнал появляется только
при условии, что оба диода, подключенные к этой шине, заперты высо-
. ким напряжением на выходах’ триггеров, что соответствует соединению
с запертыми транзисторами. Ток в этой шине не образуется и падение
Л. напряжения на резисторе не происходит. Если хоть один из диодов,
подключенных к данной выходной шине, соединен с выходом триггера,
^Имеющим низкое напряжение, что соответствует соединению с открытым
Транзистором (практически с землей или в данном случае с плюсом
источника питания), то через этот диод проходит ток, на резисторе
образуется падение напряжения и на выходе шины напряжение низкое
'•(сигнал 0).
. Таким образом, наличие или отсутствие сигнала на определенном
выходе дешифратора зависит от состояния транзисторов в триггерах
регистра, с которыми соединяются через диоды соответствующие шины.
» Состояние же транзисторов в триггерах обусловлено записанным
. в регистре кодовым числом.
Напомним (см. с. 200), что при записи в триггерах цифры 0 сигналы
на выходе а = 0 и а = 1; при записи цифры 1, наоборот, а = 1 и а =
*= 0, а также что рассматриваются транзисторы типа р-п-р (отрица-
V тельная логика), сигнал 1 для которых.(/вых = — Ек.
й- Допустим для примера, что на дешифратор поступил код 01, тогда
^'сигналы на выходах триггеров а = 0; а = 1 и b = 1, ~Ь = 0, т, е, шины
~..д и Ъ находятся под высоким напряжением, которое поступает на аИОДы
^подключенных к ним диодов Д2м Дл. Диоды заперты, и на выходной
дане Р2 сигнал 1. Шина а и b заземлены, и, как видно по схеме
(см. рис. 215, б), "через все остальные диоды протекает ток; на шинах
Л, ?з, Рь сигнал 0.
Аналогичным путем можно установить, что сигнал на выходной
' дане Pt (выходы а и Ь) появится при записанном в регистре числе
•ч.ОО; на шине Р2 (а, Ь) — при числе 01; на шине Ps (а, Ь) — при- 10
Й на шине (а, Ь) — при 11.
Таким образом, таблица состояний для двухразрядного дешифра-
;.тора имеет такой вид:
* Число на Выход
входе Pt Р2 Р3 Р,
00 10 0 0
01 0 1 0 0
10 0 0 10
11 0 0 0 1
205
Дешифратор (обозначение на логических схемах дано на
рис. 215, в) может иметь различное число п входов и соответственно 2"
выхода.
Сумматор—это узел ЭЦВМ, предназначенный для выполнения
арифметической операции сложения кодов чисел. Наиболее просто
устроен последовательный сумматор, в котором сложение цифр проис-
ходит последовательно, начиная с младшего, разряд за разрядом.
Как показано в § 155, сложение чисел в двоичном коде предусмат-
ривает, во-первых, сложение цифр в каждом разряде (0 + 0 = 0;
0+1 = 1; 1+0=1) и, во-вторых, перенос единицы в старший
разряд при сложении двух единиц в данном разряде (1 + 1 = 10).
Если не учитывать пере-
нос, то результат сложе-
ния соответствует логиче-
ской функции неравнознач-
ности (см. § 156), которую
в связи с этим называют
«сложением по модулю 2».
С учетом переноса сло-
жение двух чисел в одном
разряде выполняется с по-
(рис. 216: а — логическая
а)
Л
.6
Рис. 216
Полусумматор
мощью полусумматора.
схема, б — условное обозначение) состоит из одного элемента ИЛИ,
двух И и одного НЕ. Полусумматор имеет два входа (А, В) и два
выхода: на одном (С) сигнал соответствует сумме чисел по моду-
лю 2, на другом (77) — переносу в старший разряд, если таковой
необходим. *
Если ни на одном из входов сигналов не! (0), то нет сигналов (0)
и на выходе (инвертор НЕ при этом подает на выходной конъюнктор
сигнал 1, но он через него не проходит из-за отсутствия второго сиг-
нала). Если на одном из входов, А или В, появляется сигнал 1, то через
дизъюнктор ИЛИ он поступит на конъюнктор И2, на котором уже имеет-
ся сигнал от инвертора, и на выходе появится сигнал С = 1. На выходе
конъюнктора Иг сигнал 0, соответственно нет и сигнала переноса
(/7 = 0). Если сигнал 1 поступает одновременно на оба входа схемы,
то сигнал Г передается на конъюнктор /У2, при этом срабатывает также
и конъюнктор И1г передавая сигнал 1 на выход переноса (77 = 1),
в то же время инвертор НЕ дает сигнал 0 на конъюнктор Т/2 и на вы-
ходе последнего сигнала нет (С — 0).
Значения входных и выходных сигналов полусумматора приведено
в таблице:
А В С П
0 0 0 0
0 110
10 10
110 1
На рис. 217 показана принципиальная электрическая схема полу-
сумматора при положительной логике. Учитывая все сказанное ранее
206
о схемной реализации элементов ИЛИ, И, НЕ, чтение этой схемы не
представляет затруднений. Диод Д предупреждает действие напряже-
ния смещения на остальную часть схемы.
По окончании сложения в данном разряде на вход полусумматора
поступают цифры следующего разряда и орерация сложения повторяет-
ся. Однако, для того чтобы завершить суммирование, надо результат
сложить с единицей переноса из более младшего разряда ( если она
имеется). Это выполняется в качестве следующего этапа операции сум-
мирования с помощью второго полусумматора. Такая схема называется
одноразрядным сумматором СМ
(рис. 218, а). Она имеет три вы-
хода: два А и В для слагаемых
цифр данного разряда и третий
/70 для цифры переноса из млад-
шего разряда—и два выхода: С
для результирующей (суммар-
ной) цифры данного разряда и
П для цифры переноса в сосед-
ний старший разряд.
Логическая схема сумматора
(рис. 218, б) состоит из двух
полусумматоров ПС/ и ПСП
и дизьюнктора ИЛИ. Сигнал
(цифра) переноса из младшего
разряда должен поступать на вход сумматора одновременно о сиг-
налами цифр следующего (более старшего) разряда, для этого он
проходит через элемент задержки ЭЗ, соответствующий одному
такту работы схемы (ввод По обычно делается внутри сумматора).
Рис. 218
С помощью первого полусумматора ПС/ образуются сигналы проме-
жуточной суммы С и промежуточного переноса/7'. Затем вторым ^полу-
сумматором образуются сигналы окончательной суммы С и второго
промежуточного переноса П". Наконец, с помощью дизъюнктора ИЛИ
образуется окончательный сигнал П цифры переноса в соседний стар-
ший разряд.
Значения входных и выходных сигналов сумматора приведены в
таблице (заметим, что верхний ее часть повторяет предыдущую таб-
лицу):
207
А В По. с п
0 0 0 0 0
0 1 0 1 0
1 0 0 1 0
1 •1 0 0 1
0 0 1* 1 0
0 1 1* 0 1
• 1 0 1* 0 1
1 1 1* 1 1
• Перенос из младшего разряда (с за-
держкой на один такт)
Кроме рассмотренного последовательного сумматора имеются па-
раллельные сумматоры,- в которых сложение чисел во всех разрядах
происходит одновременно. Эти сумматоры действуют быстрее, но имеют
более сложное устройство.
В сумматорах сумма образуется одновременно с поступлением сла-
гаемых и в сумматоре не сохраняется. Для запоминания она должна
быть записана в отдельном регистре. Существуют параллельные сум-
маторы накапливающего типа, в которых происходит^ сложение всех
поочередно поступающих на вход чисел с запоминанием результатов
суммирования.
§ 159. Запоминающее устройство
Оперативное- запоминающее устройство (ОЗУ), как правило,
строится на базе магнитных элементов с ферритовым* сердечником,
имеющим гистерезисную петлю (см. § 40) прямоугольной формы
(рис. 219, а). Будучи намагничен, ферритовый сердечник сохраняет
свое состояние, даже если на-
пряженность Н намагничиваю-
0 кв б)
щего поля снизится до нуля
(точка D на графике). Если
внешнее поле изменит знак и
его напряженность достигнет до-
статочной величины, сердечник
быстро (в течение 1 мкс) пере-
магничивается, причем его новое
состояние будет также устойчи-
вым, даже при снижении до ну-
ля напряженности намагничи-
вающего поля (точка F). Таким образом, ферритовый сердечник рабо-
тает в ключевом режиме: одно из его состояний (направление или
полярность намагничения) можно принять за ноль (0), второе—про-
тивоположное—за единицу (1).
*. Феррит — это соединение окнси железа С окисламп некоторых металлов,
например марганца, магния и др.
208
Магнитный запоминающий элемент "состоит из тороидального фер-
ритового сердечника ( размером в несколько миллиметров), на котором
имеется три обмотки (рис. 219, б): входная ш1 — для записи, вспомо-
гательная и>3 — для «опроса» и выходная wa — для считывания (на- ,
правление витков в обмотках wx и w2 согласное, в обмотке wa — про-
тивоположное). Условимся считать индукцию положительной (4-В),
если поле в сердечнике направлено по стрелке; состояние элемента
при этом соответствует записи в ней кода 1. При обратном направле-
нии поля имеем индукцию — Ви код 0. Для полной записи числа в
двоичном коде требуется столько элементов,
сколько разрядов имеет это число. .
Как мы увидим ниже, после считывания преды-
дущей записи сердечник остается в нулевом со-
стоянии, которое и является исходным для после-
дующей записи.. Для записи единицы (1) через
входную обмотку и>х подается достаточно сильный
импульс тока в направлении, соответствующем
положительному полю (4-В). Принтом сердечник
перемагничивается, т. е. в ней записывается еди-
ница (1), которая и может сохраняться сколь
угодно долго. Для считывания, т. е. выявления
записанного в ячейке кода, в обмотку и>2 подается
Рис. 220
импульс «тока опроса», соответствующий отрицательному направле-
нию поля (—В). Происходит перемагничивание сердечника из состоя-
ния 1 в состояние 0, в процессе которого-в выходной обмотке и>3 ин-
дуктируется импульс, являющийся выходным сигналом 1. Если
импульс тока опроса подается на сердечник, находящийся в состоя-
нии 0, то в выходной обмотке импульса не возникает—сигнал 0.
Можно иметь на сердечнике только две обмотки: входную w и вы-
ходную щсч (рис. 220, а), в этом случае импульс тока опроса (с соблю-
дением необходимой полярности) подается также на входную обмотку,
В каждом элементе записывается один знак двоичного кода, поэтому
ОЗУ (в котором записывается несколько тысяч машинных слов) долж-
но содержать соответствующее число элементов, которые обычно со-
бираются в виде отдельных матриц. При этом должна быть обеспе-
чена возможность записи и считывания кода с элементов, находя-
щихся в любом месте матрицы ( отыскание необходимого элемента
и считывание записанной в ней цифры называется выборкой кода).
Для этого применяется следующий способ. Входная обмотка (в ко-
торую подается также и импульс опроса) делится на две части: а и Ь'
(рис. 220 б). Очевидно, что перемагничивание сердечника произойдет _
только в том случае, когда вызывающие его импульсы тока поступят
в обе полуобмотки одновременно. Концы полуобмоток присоединяют
К системе взаимно перпендикулярных шин А и В таким образом, что
в каждом элементе одна полуобмотка подключена к одной из шин А
и вторая-—к одной из шин В (рис. 221).
Тогда совпадение импульсов, поданных через шины А и В, про-
изойдет только в элементе, находящемся на их пересечении, например
элемент № 1 — на пересечении шин Ах и Вх, а элемент № 4 — шин А2
209
и В2. По этим шинам и подаются импульсы для записи или опроса. Во
всех остальных элементах, подключенных к этим шинам, при этом
возбуждается только по одной полуобмотке, что недостаточно для воз-
действия на сердечник.
Таким образом и находится элемент, в котором нужно сделать
запись или произвести считывание кода, Этот способ называется вы-
боркой по совпадению токов.
Поскольку импульс опроса подается на определенный элемент,
считываемый сигнал может быть принят с общей шины, к которой
последовательно подключены все выходные обмотки элементов (шина Сч
на рис. 221). Практически все обмотки в элементе делаются в виде
Рис. 221
Рис. 222
одного полувитка провода, проходящего сквозь сердечник
(рис. 222, а), и тогда принципиальная схема собранной матрицы при-
нимает вид, показанный на рис. 222, б.
Каждый из элементов, собранных в одной матрице, соответствует
одному разряду машинного слова, следовательно, общее число их
должно быть равно наибольшему числу машинных слов, на которое
рассчитано ОЗУ. Это число называется емкостью* ОЗУ. Общее число
матриц должно соответствовать принятому в машине числу разрядов
для машинного слова. Обычно матрицы монтируются одна над другой
(по вертикали), образуя блок в форме параллелепипеда.
Совокупность элементов, одинаково расположенных во всех мат-
рицах, образует ячейку ОЗУ. Запись или считывание кодов со . всех
составляющих ее элементов производится одновременно путем подачи
.импульсов на соответствующие шины во всех матрицах. Таким обра-
зом, сразу записывается или считывается машинное (число или код
команды), записанное в ячейке. Ячейки пронумерованы по порядку,
номер ячейки является ее адресом, по которому она и находится.
Блок матриц с запоминающими элементами называется блоком
запоминания (БЗ) или накопителем информации, и составляет основу
запоминающего устройства (блок-схема ОЗУ — на рис, 223, а).
* Емкость ОЗУ может выражаться также в битах (см. § 167) или байтах
(чаще — в килобайтах) и может составлять от нескольких десятков до несколь-
ких тысяч килобайтов. Емкость ДЗУ может доходить до десятков мегабайтов.
210
С накопителем непосредственно связаны блоки записи (БЗИ) и
воспроизведения (БВИ) информации и блок поиска ячеек (БПЯ),
В первом из этих блоков происходит запись в ячейках накопителя сиг-
налов, поступающих из устройства ввода, во втором—обратный про-
цесс — считывание сигналов, записанных в ячейках, и передача их
в устройство вывода, в котором они преобразуются в форму, удобную
для выдачи (см. рис. 226). С помощью блока поиска ячеек в обоих
случаях (и при записи,- и при воспроизведении информации) происходит
отыскание нужный ячеек по адресам, указанным в команде. Блок
выборки ячеек (БПЯ) состоит из входного регистра и дешифратора,
который в соответствии с поступившим на регистр кодом адреса посы.
Рис. 223
лает сигналы на шины розыска ячейки (рис. 223, б). Когда ячейка
найдена, то по очередному управляющему сигналу происходит запись
в ней или считывание ее содержания.
Работа ОЗУ организуется местным блоком управления (МБУ),
в который поступает соответствующая команда из ЦУУ.
Долговременное запоминающее устройство (ДЗУ) представляет
автономное устройство со своими накопителем и блоками БЗИ и БВИ,
которое соединяется с ЦУУ машины соответствующими коммуника-
циями. В ДЗУ обычно записывается информация ( подпрограммы,
различные цифровые и справочные данные и константы и т, д.), которая
требуется в относительно редких случаях.
В долговременных запоминающих устройствах применяется
запись на магнитных лентах, барабанах и дисках. Принцип магнитных
записей электрических сигналов на ленте рассмотрен в § 26. В данном
случае запись производится в ключевом режиме: участки намагни-
чиваются до насыщения в прямом направлении (код 1) или обратном
(код 0).
При записи на магнитной ленте сигналы располагаются в опре-
деленном порядке рядов и строк, которые образуют зоны, разделенные
промежутками, отмеченными специальными знаками. Поиск нужных
записей происходит путем движения ленты под считывающими голов-
ками. Управляющие импульсы, поступающие при этом в лентопротяж-
ный механизм, указывают направление движения ленты, а также .число
^он записи, на которое она должна переместиться. Необходимая
запись в зоне считывается при включении соответствующей головки.
211
Кроме емкости важнейшей характеристикой ЗУ является его
быстродействие, т. е. время, которое затрачивается на выборку одного
слова. Для ОЗУ оно имеет порядок нескольких микросекунд, для
ДЗУ — на несколько порядков больше.
§ 160. Управление работой ЭЦВМ
Программа, по которой работает ЭЦВМ, делится на пункты—•
команды, соответствующие операциям, которые Дополняются в от-
дельных устройствах ЭЦВМ. При исполнении операции команда дета-
лизируется на микрокоманды, касающиеся отдельных микроопераций
(микрооперацией называется простейшее действие, выполняемое опре-
деленным элементом устройства за один такт работы машины). После-
довательность микрокоманд называется микропрограммой данной
операции. Поскольку при решении различных задач часто встреча-
ются аналогичные операции, микропрограммы для них записываются
в памяти машины заранее и при необходимости выполняются авто-
матически по сигналу, записанному в основной программе.
Кроме программ и микропрограмм, имеются еще подпрограммы.
Подпрограммой называется часть программы, охватывающая целые
циклы операций, которые часто повторяются при различных вычис-
лительных процессах. Подпрограммы также составляются заранее и
при необходимости вводятся в машину по соответствующей команде.
Управление работой ЭЦВМ на уровне программы, которая вводится
в машину при решении каждой новой задачи, осуществляется цен-
тральным устройством управления (ЦУУ), управление иа уровне
микропрограмм — местными блоками управления (МЁУ), имеющими-
ся в каждом устройстве машины.
Процесс переработки информации на уровне выполнения команд
программы предусматривает следующие операции (см. блок-схему
на рис. 190 и упрощенную функциональную схему ЭЦВМ на рис. 226):
1) ввод программы, т. е. считывание в устройстве ввода записанных
в ней команд и числовых данных и запись их в ячейках ОЗУ.
По окончании записи из ОЗУ дается сигнал в ЦУУ которое обес-
печивает автоматическое выполнение дальнейших операций;
2) каждая операция происходит в следующем порядке:
а) выборка (считывание) очередной команды из ОЗУ и пере-
дача ее на регистр команд в ЦУУ, где команда дешифруется
(см. с. 215) и управляющие сигналы, необходимые для ее вы-
полнения, Посылаются в остальные устройства машины;
б) по этим сигналам из ячеек ОЗУ на входной регистр АЛУ
передаются числовые данные и по сигналу от ЦУУ местный блок
управления включает в действие соответствующую микропрог-
рамму, по командам которой в операционном блоке АЛУ над
числами производятся необходимые действия;
в) результаты операций передаются обратно в ОЗУ, где и за-
писываются, а сигналы о выполнении операции передаются в
ЦУУ, в связи с чем в нем формируются сигналы для перехода
к следующей команде.
212
Тогда происходит выборка из ОЗУ следующей команды и цикл
повторяется;
3) после окончания всех действий, предусмотренных программой,
полученный результат поступает из ОЗУ в устройство вывода и вы-
дается из машины.
Кроме микропрограммного существует схемный способ управления
микрооперациями (в специализированных машинах он иногда при-
меняется также и на программном уровне). Он заключается в том, что
управляющие сигналы для всех элементов ма-
шины, выполняющих данную операцию, выра-
батываются с помощью системы датчиков, уп-
равляемых сигналами от дешифратора кода
операции. Для каждой микрооперации имеет-
ся отдельный датчик, а последовательность
их действия обеспечивается сигналом перехода,
который подается на каждый следующий датчик
после окончания предыдущей микрооперации.
Часть ЭЦВМ, непосредственно осуществляю-
щая процесс переработки информации, назы-
вается процессором. Процессор включает ариф-
метическо-логическое устройство (АЛУ), цен-
тральное устройство управления (ЦУУ) и опе-
ративное' запоминающее устройство (ОЗУ).
Арифметическо-логичес кое устройство (АЛУ)
предназначено для выполнения арифметических
и логических операций, которые реализуются
преимущественно микропрограммным способом.
АЛУ (рис. 224) содержит два основных блока:-
операционный блок (ОБ) и местный блок упр’ав-
ления (МБУ). Операционный блок состоит из
нении
операции
и перехода
к следующей,
команде
Рис. 224
сумматора СМ, в котором производятся основные вычислительные
операции, двух регистров: входного (ВхР) и выходного (Вых Р*),
на которых записываются исходные Данные и результаты промежуточ-
ных вычислений, и двух блоков с логическими элементами БЛЭ для
операций сдвига, преобразования кода и других вспомогательных
действий.
Работой операционного блока управляет местный блок управле-
ния МБУ<который получает от ЦУУ пусковой сигнал и сигнал кода
операции. Выбрав из местного ЗУ соответствующую микропрограмму,
МБУ с помощью дешифратора выдает в операционный блок ОБ после-
довательность управляющих сигналов для каждой микрооперации;
выполнив микрооперацию, ОБ дает обратно в МБУ сигнал, по кото-
рому этот блок организует следующую микрооперацию.
По принципу проведения вычислительных операций АЛУ делятся
на АЛУ последовательного действия, в которых операции над каждым
разрядом числа выполняются последовательно одна за другой, и АЛУ
параллельного действия*, в котором операции над всеми разрядами
чисел производятся одновременно.
213
Прежде чем перейти к центральному устройству управления
(ЦУУ), рассмотрим структуру команд, по которым работает ЭЦВМ,
Каждая команда состоит из двух частей: в первой—операционной —
указывается вид (код) операции, во второй—адрес ячеек ОЗУ, из ко-
торых надо взятьsчисловые данные и куда следует записать резуль-
тат. Число адресов, записываемых в одной команде, у разных типов
ЭЦВМ различается. Это число называется адресностью машины и яв-
ляется одной из ее основных характеристик.
В одноадресной машине, наиболее простой по устройству, каждый
такт вычислительной операции выполняется по отдельной команде.
Программа для такой машины получается чрезмерно длинной и машина
и А2 обоих чисел
не отличается быстродействием. Команда в од-
ноадресной машине (рис. 225, а) состоит из кода
операции (КОп) и одного адреса А — номера
ячейки, из которой считываются очередные дан-
ные или в которую записывается окончатель-
ный результат (результат промежуточных дейст-
вий записывается на регистре сумматора).
В двухадресной машине вся вычислительная
операция охватывается одной командой, в ко-
торой кроме кода операции указаны адреса At
(рис. 225, б). Результат записывается на место
одного из них.
В трехадресной машине ( рис. 225, в) указываются адреса для вы-
борки обоих чисел и ячейки, куда записывается результат. Трех-
адресные машины наиболее сложны по устройству, но просты для про-
граммирования и отличаются быстродействием.
Наиболее распространены двух- и трехадресные машины.
Приведем пример команды для трехадресной машины. Число А,
записанное в ячейке № 26 ОЗУ, сложить с числом Б из ячейки № 72
и результат поместить в ячейку № 136. Такая команда предусматри-
вает следующие действия машины (микрооперации): 1) отыскание в
ОЗУ ячейки № 26, 2) считывание из ячейки, переноси запись на вход-
ной регистр АЛУ числа А, 3) и 4) то же, по отношению к числу Б из
ячейки № 72, 5) сложение в сумматоре АЛУ чисел А и Б: А + Б — В,
6) отыскание в ОЗУ ячейки № 136, 7) считывание с выходного регистра
АЛУ, перенос и запись числа В в ячейку № 136 ОЗУ.
Операциям, предусмотренным в данной ЭЦВМ, присваивается оп-
ределенный условный код: буквенный или чаще числовой, например
сложение 01, вычитание 03, умножение 05 и т. д. Тогда рассмотренная
выше операция в числовом коде будет представлена так:
01 0026 0072 0136
Команда машиной воспринимается как единое целое (машинное
слово) и в ОЗУ занимает одну ячейку. Поэтому все команды должны
иметь одинаковую (для данного типа ЦВМ) длину, т. е. количество
цифровых разрядов. Для больших машин оно имеет порядок
30—-40 двоичных разрядов.
214
У большей части ЭЦВМ команды записываются в ячейках ОЗУ и
ватем выполняются в таком же порядке, как они записаны в программе.
Тогда номер ячейки, в которой записана последующая команда, уве-
" • личивается на единицу по сравнению с предыдущей. Этот порядок
изменяется только по особым командам безусловного и условного
переходов, которые записываются в программе.
Команда безусловного перехода указывает адрес команды, к которой
следует перейти. Обычно при этом предусматривается повторение
определенного цикла операций или переход к определенной микро-
программе или подпрограмме (тогда указывается соответствующий
код).
Команда условного перехода предписывает проверку заданного в
& программе условия и, если оно выполнено, переход к команде, указан-
ной в программе. Если оно не выполнено, то переход должен быть
к команде следующей по порядку. Условием перехода чаще всего бы-
S; вает результат сравнения двух чисел, например: «если при сравнении
двух чисел результат получился ноль или отрицательный, то перейти
„!г? к команде в ячейке №.... если результат положительный, то перейти
*л’ к следующей команде» и т’ п.
Центральное устройство управления (ЦУУ) обеспечивает последо-
вательность действий всех устройств машины, расшифровывает
дкоманду, формирует управляющие сигналы и посылает их в соответ-
ству’ющие устройства машины. ЦУУ имеет непосредственную связь
с ОЗУ и АЛУ (рис. 226).
Центральное устройство управления состоит из четырех основных
Ч-. функциональных блоков (рис. 226) : 1) блок регистра команд (БРК);
2) блок управления операциями (БУОп), 3) блок управления койан-
дами (БУКом), 4) блок выработки управляющих сигналов (БУС)
для всей машины.
Ь Рассмотрим действие этих блоков, например, в трехадресной ма-
шине при выполнении одной из команд программы, записанной в
ОЗУ.
По сигналу выполнения предыдущей команды из ОЗУ считывается
$ очередная команда и поступает на регистр (БРК), где и сохраняется
все время ее выполнения. Регистр команды состоит из двух частей:
левая — операционная, в нее записывается номер (код) операции
(КОп), правая — адресная. Код операции передается на блок управ-
ления (БУОп), состоящий в основном из дешифратора, который выра-
батывает управляющие сигналы и посылает их во все устройства,
участвующие в выполнении команды.
По одному из этих сигналов первый адрес At передается в БПЯ ОЗУ
(см. рис. 223) и из ячейки с этим адресом выбирается первое число
и через БВИ поступает на входной регистр АЛУ (рис. 226). Затем ана-
логично на регистр АЛУ поступает второе число (из ячейки А2) и по
, соответствующим сигналам от БУОп производится указанная в коде
операция. Результат ее записывается в ячейку по адресу А3, посту-
пившему в БПЯ ОЗУ.
При окончании операции блок местного управления АЛУ форми-
рует сигнал в ЦУУ для перехода к следующей команде (см. рис. 224).
При естественном порядке следования команд этот сигнал поступает
в БУКом, который представляет счетчик команд и увеличивает запи-
санное в нем число иа единицу, новое число и является адресом (но-
мером ячейки в ОЗУ) следующей команды, который и передается в
ОЗУ для ее выбор кш
При команде безусловного или условного перехода по сигналу
выполнения предыдущей операции с БРК на БУКом передается адреа
(номер ячейки) команды, к которой должен быть сделан переход,
Рис. 226
Предыдущая запись на счетчике при ЭТмМ стирается и порядок вы-
борки команд устанавливается заново, начиная с этого адреса.
При команде условного перехода для передачи адреса новой
команды на БУКом требуется еще особый сигнал с выхода АЛУ о
выполнении условия для перехода. Кроме того, ЦУУ содержит блок
выработки управляющих и синхронизирующих (тактовых) сигналов
(БУС) (рис. 226). Основу блока (рис. 227, а) составляет генератор им-
пульсов стабилизированной частоты {ГИ), который включается а
пульта управления машины одновременно с ее пуском в ход. С выхода
генератора эти импульсы поступают в блок выработки тактовых им-
пульсов (Б В И), состоящий из счетчика Сч, образующего коды чисел, и
дешифратора ДШ, который посылает тактовые импульсы непосредст-
венно в цепи остальных устройств, выполняющих те или иные этапы
216
Операции переработки информации, Синхронизирующие импульсы
распределяются во все устройства и узлы машины.
Функциональный импульс, вызывающий непосредственно дейст-
вие того или иного элемента или узла машины, формируется путем
совпадения (на рис. 227, б — конъюнктор И) тактового импульса
с сигналом кода операции, поступающим из блока управления опе-
рациями (см. рис. 226).
Рис. 227
С центральным устройством управления связан пульт управления
(77 на рис. 190), который обеспечивает пуск, останов машины, пере-
ключение ее на различные режимы работы и т. п. На пульте также
имеется панель с сигнальными лампочками для контроля работы раз-
личных узлов машины.
§ 161. Устройства ввода и вывода
Программа, по которой должна работать ЭЦВМ, представляет на-
печатанный на машинке текст,-содержащий необходимые команды и
исходные данные. Для ввода в машину текст и данные программы в
вакодированном виде наносятся на специальный промежуточный но-
ситель—перфокарты или перфоленты'—в виде системы отверстий
или пробивок (пробивка соответствует коду 1, отсутствие пробивки —
коду 0) и в таком виде уже вводятся в машину*. Эта операция произ-
водится вне машины в устройстве подготовки и контроля данных,
основу которого составляет блок, называемый перфоратором.
Перфокарта (рис. 228) представляет прямоугольник
(187,4 X 82,5 мм) из специального эластичного картона толщиной
0,15 мм. На лицевой стороне перфокарты напечатана цифровая сетка,
Состоящая из десяти пронумерованных (0 — 9) горизонтальных рядов,
называемых строками или дорожками, и 80 вертикальных рядов,
называемых колонками (колонки занумерованы перед 0, 1 и 9-й до-
рожками), Строки 1 — 9 предназначены для кодовых пробивок, а
0-я и две .дополнительные вверху—11-я и 12-я —для контрольных и
дополнительных пробивок. Пробивки имеют прямоугольную форму
с(1,4 X 3,2 мм).
? _ * Разрабатываются способы подготовки данных для ввода в машину в виде
Ймпйси на магнитной ленте
Данные на перфокартах для различных машин записываются по-
разному. Наиболее распространенной (например, в машине типа
<Минск») является запись поколонно: каждый символ (буква или циф-
ра) кодируется несколькими пробивками в одной колонке. Поэтому
в устройствах ввода (или вывода) машины перфокарта перемещается
вперед левой узкой стороной. Запись информации производится со-
гласно особому 12-позицион-
4 ному алфавитно-цифровому
коду, содержащему цифры
(от 0 до 9), буквы русского
и латинского алфавита, а так-
же ряд специальных знаков.
I Например, цифры от 0 до 9
пробиваются соответственно
нумерации дорожек (рис. 228,
поз. а), прописные буквы рус-
ского алфавита имеют общую
пробивку на 11-й строке и
:> кодовые на соответствующих
Рис. 229
дорожках (поз. б), латинские
буквы имеют кодовые пробивки на соответствующих дорожках (поз. в),
различные знаки—пробивки на 12-й строке и кодовых дорожках
(поз. г).
.г
В некоторых машинах, например БЭСМ и «Урал», данные на перфокарты
ваписываются построчно: каждое число или код команды занимают одну строку
или позицию (перфокарта в машине перемещается вперед широкой стороной).
Числа записываются в двоично-десятичном коде (тетрадами), а команды —
в двоично-восьмеричном (триадами).
/
Перфолента представляет бумажную ленту определенной
ширины (17,5; 22,5; 25,4 мм), в которой вдоль оси ее на расстоянии
2,5 мм делаются круглые пробивки диаметром 1,83 мм. Ряд пробивок
образует дорожку. В зависимости от ширины на ленте размещается
пять, семь или восемь (рис. 229) дорожек, а также примерно в середине
ленты одна дорожка с более узкими отверстиями (синхронизирующая)
для передвижения ленты. Символы информации записываются
строками поперек ленты. Чаще применяются 5- и 8-дорожечные
у' - перфоленты. В первом случае запись производится согласно пяти-
разрядному коду (М-2), во втором — семиразрядномуz коду (ГОСТ
10859—64).
'ч' В семиразрядном коде пробивки на 4 — 7-й дорожках указывают
:1‘ определенные группы символов, на 1 — 3-й дорожках — отдельные сим-
волы в этих группах, 8-я дорожка—«для контрольных отметок. Напри-
•Ь мер, цифры кодируются соответственно их двоичному изображению
й- ’ (см. таблицу и рис. 229, а), русские буквы—пробивкой на 6-й дорожке
и кодовыми пробивками соответственно порядковому номеру бук-
?? вы начиная от 0 (см. таблицу и рис. 229, б), латинские буквы —
аналогично, но с пробивкой на 7-й дорожке (см, таблицу и рис, 229, в)
Ж, ит.д,:
219
Символы Дорожки
7 L6 б 4 3 2 1
0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 1
2 0 0 0 0 0 1 0
3 0 0 0 0 0 1 1
4 0 0 0 0 1 0 0
5 0 0 0 0 1 0 1
А 0 1 0 0 0 0 0
Б 0 1 0 0 0 0 1
В 0 1 0 0 0 1 0
Г 0 1 0 0 - 0 1 1
Д 0 1 0 0 1 0 0
F 1 0 0 0 0 0 0
G 1 0 0 0 0 0 1
I 1 0 0 0 0 1 0
J 1 0 0 0 0 1 1
L 1 0 0 0 1 0 0
Сравнивая между собой перфокарты и перфоленту, можно отметить, >
что перфокарты являются более- прочными и дольше сохраняются, >
при них легче осуществить поиск и выборку нужной информации
(с помощью сортировальной машины), легче внести исправления и до-
полнения путем замены отдельных карт, возможно создание из них
постоянной информационно-справочной картотеки и т. п. Недостат-
ками перфокарт является большой их объем при хранении, меньшая
скорость считывания, ограничиваемая условиями механического пере- 1
мещения перфокарт. • ;
Перфоленты допускают значительно более высокую скорость счи- >
тывания ( до 1500 строк в секунду), занимают малый объем при хра-
нении, дешевы. К недостаткам их относятся малая прочность, i
-трудность поисков необходимых участков и внесения исправлений.
В современных ЭЦВМ устройство ввода обеспечивает возможность 1
применения как перфокарт, так и перфолент в зависимости от удоб-
ства в тех или иных случаях. •
Перфоратор представляет систему пуансонов, которые про-
бивают отверстия и приводятся в действие электромагнитами. Управ-
ление пуансонами происходит с помощью клавишного пульта (по типу
пишущей машинки). При нажатии клавиши с обозначением записы-
ваемого на карту символа замыкаются контакты и ток подается в катуш-
ки тех электромагнитов, пуансоны которых расположены соответ-
ственно коду данного символа. Перфоратор содержит также механизм
для передвижения карты в процессе перфорации и их смены. Кроме то-
го, в перфораторе имеется устройство, позволяющее проконтролиро-
вать правильность сделанных пробивок.
220
Аналогично,
ленты.
хотя и несколько проще, устроен перфоратор и для
ч Устройство ввода, в которое поступают подготовленные перфо-
карты или перфолента, выполняет операцию считывания записанной
, в них информации, и передачи ее в запоминающее устройство (ОЗУ).
Считывание заключается в преобразовании информации, закодиро-
ванной в виде пробивок, в электрические сигналы, в форме которых
она передается другим устройствам машины. Устройство ввода представ-
- ляет функциональный блок машины и управляется с помощью мест-
нрго блока управления по сигналам, поступающим от ЦУУ.
( Простейший способ считывания — контактный. Перфокарта (или
‘ перфолента) передвигается между металлическими валиками и щеточ-
£;1сами, скользящими по поверхности карты вдоль каждой дорожки. Ва-
УКдик и щеточки включены последовательно в цепь источника тока.
Когда щеточка проходит пробивку, она замыкает соответствующую
^цепь, в которой возникает импульс тока, являющийся сигналом для
^• Восприятия машиной кода, обозначенного пробивками.
Более распространенным и совершенным является фотоэлектри-
ческий способ считывания. При этом перфокарта (или перфолента)
^перемещается между источником света и блоком фотодиодов (по числу
^•^считываемых дорожек). При наличии пробивки свет действует на соот-
^ветствующий фотодиод, в цепи которого и возникает импульс тока.
Кодовые сигналь!, считанные с перфокарты (или перфоленты),
помощью приборов, называемых шифраторами, преобразуются в
^сигналы двоичного кода; в котором информация и поступает в машину.
§^атем она передается в ОЗУ, где и записывается; сигнал об окончании
жфаписи поступает в ЦУУ.
Ж Большое распространение имеют также устройства ввода клавиш*
jfcporo типа в виде пишущей машинки, алфавит которой состоит из ко
..»Шовых символов языка данной ЭЦВМ (см. § 162). При нажатии на клави-
в машину передаются соответствующие электрические сигналы,
ЯрЬоэтому устройство ввода может находиться от ЭЦВМ на любом рас-
^ргоянии.
W Разрабатываются устройства ввода, в которых обычный текст,
J|ho отпечатанный стандартным шрифтом, считывается оптическим спо-
л|$собом и преобразуется непосредственно в кодовые электрические сиг-
- «риалы, которые н поступают в машину.
Устройство вывода. Информация, переработанная в ЭЦВМ, на-
Цдпример результаты вычислений, также в виде электрических сигналов
Шдвоичного кода поступает в устройство вывода, в котором преобра-
Д^уегся в форму, удобную для дальнейшего использования, й выдается
машины. В основном применяются три формы выдаваемой машиной
'?оЙЙнформации, соответственно которым различаются и устройства вы-
§|вода: 1) вывод на перфокарты или перфоленту, 2) вывод в виде знако-
у'Пого (буквенного и цифрового) текста, отпечанного на широкой бумаж-
Ц|юй ленте или специальных бланках, 3) вывод на экран электронно-
О»учевой трубки.
JO' Вывод данных на перфокарты или перфоленту (в закодированном
d /Внде) производится с помощью перфораторов, входящих в состав самой
221
машины. Этот способ удобен в тех случаях, когда выходная информа-
ция может быть в дальнейшем использована для повторного ввода в
ЭЦВМ.
Наиболее распространенным является вывод знакового текста,
осуществляемый с помощью различных алфавитно-цифровых печатаю-
щих устройств (АЦПУ). Чаще применяются устройства, в которых изо-
бражение буквы или цифры получается при механическом контакте
(нажатии) знака, нанесенного на вращающемся печатающем барабане
или диске.с бумагой через красящую ленту. Предварительно инфор-
мация декодируется в бук-
венно-цифровую форму.
Разрабатываются АЦПУ,
Использующие более удоб-
ные немеханические спосо-
бы печати данных на бу-
, мажной ленте: фотографи-
ческий, ксерографический,
искровой, магнитографиче-
ский и др.
В современных ЭЦВМ
применяются выносные
пульты с электроннолуче-
вой трубкой, на экра(1
которой и выводится ин-
формация в знаковой (тек-
стовой) или графической
форме. Такой выносной
пульт называется дисплеем (от английского слова «display» — вы-
ставка, показ).
В простейшем случае трубка, называемая знаковой (ЗЭЛТ.)
или характроном (рис. 230, а), содержит электронный прожектор 7',
формирующий луч, и на его путй кодовую матрицу 3, или трафа-
рет,—металлическую пластину с отверстиями по форме всех воспроиз-
водимых знаков. Перед матрицей расположены две пары отклоняю-
щихся пластин 2 (выбирающие пластины ВП), которые под действием
напряжения, поданного на них из схемы управления, направляют
луч в место нахождения на матрице соответствующего знака. Попереч-
ное сечение луча, прошедшего через матрицу, принимает форму этого
знака. Затем луч проходит через систему, состоящую из электронной
линзы 4 и двух пар отклоняющих пластин 5, которые направляют его
строго вдоль оси трубки. Затем луч проходит через две пары отклони*
ющих пластин 6 (адресные пластины АП), направляющих его на нуж-
ный участок экрана, на котором и появляется светящееся изображение
соответствующего знака. Изображение сохраняется на экране
трубки в течение времени, достаточного для прочтения текс-
та. В современных дисплеях трубка работает по принципу телеви-
зионной.
К одной ЭЦВМ может подключаться несколько дисплеев, распо-
ложенных на любом расстоянии от машины. \
222
Дисплей для вывода вместе с клавишным устройством для в вода
информации называют терминалом (рис. 230, б).‘Современные ЭЦВМ
имеют обычно значительное число терминалов, в помощью которых
они могут обслуживать периферийные точки (см. § 182).
§ 162. Программирование для ЭЦВМ
Приступая к составлению программы для решения некоторой за-
дачи, надо прежде всего убедиться в возможности решения задач по-
добного типа на данной ЭЦВМ, поскольку это связано о устройством
' Машины — комплексом доступных машине вычислительных операций,
' Заложенных в нее при проектировании (в особенности это относится
'*3 специализированным машинам). Составление программы является
ЙЪесьма важным и сложным этапом подготовки к решению задач с по-
;|,ё,.3ющью ЭЦВМ, который обычно выполняется специалистом-матема-
‘тиком (программистом).
В процессе составления программы можно выделить следующие
if.основные этапы: 1) формулировка поставленной задачи и выбор ме-
\|;^ода и математического аппарата для ее решения; 2) разработка алго-
(тма решения задачи и составление логической блок-схемы; 3) дега-
зации программы и расчленение ее на отдельные команды.
Составление программы начинается с выбора метода решения за-
ги и составления исходных уравнений и соотношений. От метода,
горым решается задача, во многих случаях зависят объем вычисли-
гьной работы и точность результатов. Поэтому при выборе метода
доения приходится тщательно анализировать как поставленную
гачу, так и специфику работы вычислительной машины, которая мо-
т производить только сравнительно несложные арифметические
погические операции. Поэтому в качестве математического аппара-
для решения задач на ЭЦВМ широко используются методы числен-
го анализа (приближенных вычислений), в основе которых лежит
проксимация исходных уравнений таким образом, что интеграл за-
няется конечной суммой, а произведение—разностным отношением
г. п. В результате, например, нелинейное уравнение преобразуется
:истему из множества линейных уравнений, а сложные математиче-
ге действия (дифференцирование, интегрирование и др.) заменя-
ся четырьмя основными арифметическими действиями.
йг При решении задач с помощью ЭЦВМ часто применяют итерацион-
метод, кбторый заключается в последовательном приближении
ярк решению задачи путем многократного повторения одной и той же
^'вычислительной операции таким образом, что исходными данными
Шдля каждого последующего вычисления являются результаты пре-
Жрыдущего вычисления. В итоТе, исходя из весьма ориентировочных
вранных, можно приблизиться к решению задачи с любой заданной сте-
^Йенью точности. При подобных вычислениях используются составлен-
яьдйые специально для этого метода итерационные формулы.
Рассмотрим пример вычисления квадратного корня из любого числа Л/.
«Итерационная формула:
® ~хп = 0,5[лп_14-Л'/хп_1],
223
где хп есть некоторое более точное значение искомой величины, вычисляемое
путем подстановки в данную формулу *n-i — значения той же величины,'полу-
ченного в результате предыдущего вычисления. Вычисление начинается с ве-
личины х0. которая принимается ориентировочно и может быть весьма далекой
от истинного решения. Таково свойство итерационных формул.
Допустим, что Д' = 115 и необходимая точность вычисления (разность меж-
ду двумя последующими результатами) Дх = хп — xn-i < 0,001.
Принимаем хв = 15, тогда первое приближенное значение =•
= (1/2) (х0 + Д/х0) = (1/2) (15 + 115/15) = 11.333; Дхх = х0 - Xj = 3,667.
Второе значение хв ® (1/2) (11,333 + 115/11,333) = 10,740; Дх2 = —
- = 0,593.
Третье значение xs = (1/2) (10,740 + 115/10,740) = 10. 724; Лх$ = xs —
— х8 = 0,016. __
Вычислием х4 = 10,724; Дх4 = xs — xt = 0. Ответ: 1/115 = 10,724.
Таким образом, решение данной задачи состоит из ряда повторных вычис-
лений по одной и той же исходной формуле с подстановкой в иее каждый раз ре-
зультата от предыдущего вычисления и сравнения разности между предыдущим
и новым значениями искомой величины с заданным пределом.
Когда математический аппарат выбран, наступает самый главный
этап программирования — составление алгоритма решения задачи.
Алгоритм — это точное предписание (правило) для последователь-
ности элементарных действий над исходными данными, необходи-
мых для решения любой задачи из определенного класса задач.
Составление алгоритма заключается в расчленении решения зада-
чи на последовательность ряда элементарных операций, обеспечива-
ющих получение необходимого результата. Составленный однажды
алгоритм может быть использован в дальнейшем для решения анало-
гичных задач с любыми другими исходными данными.
При разработке алгоритма решения заданной задачи надо учитывать
алгоритмическую ^структуру самой машины (так называют комплекс
функциональных средств, которыми она обладает, другими словами —
полный набор операций, которые могут быть выполнены на ма-
шине данного типа), а также стараться максимально обеспечить мо-
дульную структуру программы, т. е. подразделение решения на группы
аналогичных операций, которые многократно повторяются в про-
цессе решения, хотя и с различными данными. Такие модули могут
быть использованы в дальнейшем при составлении алгоритмов для ре-
шения других задач. •
Затем составляется логическая блок-схема реализации алгоритма
на ЭЦВМ, в которой графически показаны характер и последователь-
ность операций, которые должна выполнить машина для решения за-
дачи. В блок-схеме каждая вычислительная операция изображается
прямоугольником, имеющим один вход у один выход, в котором за-
писано ее содержание (оператор*). Логические операции (например,
операция сравнения двух чисел) обычно изображаются блоками, ко-
торые имеют один вход и два выхода ( рис, 231), Блоки соединяются
• Оператором называется предписание для реализации определенного
шага в процессе обработки информации на ЭЦВМ. Оператор обычно указывается
в виде математической формулы или символа для условного обозначения.
224
%
Рис. 231
а*
между собой стрелками, показывающими последовательность выпол-
нения операций,
. На рис. 231, б показана-блок-схема алгоритма для вычисления квад-
ратного корня из заданного числа N по итерационной формуле приме-
нительно к рассмотренному выше примеру; на рис, 231, а — этот же
алгоритм с более подробным подразделением операций. Пользуясь
этим алгоритмом, можно вычислить квадратный корень из любого дру-
гого числа.
Следующим этапом является составление программы, т. е, последо-
вательности команд для ЭЦВМ, которые необходимы для выполнения
каждого из пунктов алгоритма
в включением в них соответст-
вующих числовых данных.
В программу включаются также
команды, касающиеся вспомога-
тельных операций (операций уп-
равления), обеспечивающих не-
ft обходимую последовательность
№. при выполнении программы,
-Затем .программу необходимо
V перевести на внутренний язык
&-данной машины, который иазы-
К бается ее рабочим кодом и со-
Ж .Держит условные обозначения
№ Операции и адресов ячеек ОЗУ,
№ принятые в данной машине. Вме-
сте в этим производится и рас-
/ рределение • команд и числовых
и' данных в ячейках ОЗУ.
И • Перевод алгоритма на язык машины —кодирование — может оыть
кг аделан непосредственно в процессе составления программы. Такое
£/ кодирование называется ручным программированием и требует значи-
тельного времени и большого труда программиста.
, В настоящее время в больших универсальных ЭЦВМ применяется
автоматическое программирование, выполняемое с. помощью самой
машины. Оно заключается в том, что программа, подготовленная к
вводу в машину, записывается на одном из специально разработанных
искусственных языков, называемых алгоритмическими языками (или
языками программирования). Каждый алгоритмический язык имеет
Свой особый алфавит, т. е. систему символов (в основном это цифры
и буквы, знаки математических и логических операций), содержит
обозначения основных операторов, служебных слов, а также имеет
систему правил (синтаксис), по которым составляются фразы — пунк-
ты алгоритма, т. е, команды в программе машины.
В машину заранее вводится епециальная программа, называе-
мая транслятором (или программирующей программой). В транс-
ляторе записан весь алгоритмический язык (для каждого языка
(Имеется отдельный транслятор), переведенный на внутренний язык
Данной машины. Пользуясь транслятором, машина переводит на «свой>
225
" Н. М. Ливена**
язык введенную в нее текущую программу, записанную на том или
ином алгоритмическом языке.
Применение алгоритмических языков и трансляторов настолько
облегчило программирование, что оно стало доступным непосредст-
венно специалистам в той или иной области науки, использующим
ЭЦВМ в своей работе.
В малых специализированных машинах типовые вычислительные
операции обычно выполняются схемно (см, § 160), т, е, по одной пу-
сковой команде; это Значительно облегчает программирование. При-
меняется также матричный, или шаблонный, способ программиро-
вания, при котором программы решения задачи стандартного типа
изготовляются в виде особых перфокарт-шаблонов, вводимых в спе-
циальное приемное устройство машины. К машине прйлагается набор
-таких шаблонов.
В настоящее время для различных областей применения ЭЦВМ
разработано много алгоритмических языков, которые можно разделить
ра следующие группы: машинно-ориентированные, процедурно-ориен-
тированные и проблемно-ориентированные языки.
Машинно-ориентированные языки построены при-
а менительно к определенным типам ЭЦВМ и состоят из символов кода,
* принятого в данной машине. Программа на этом языке составляется
подробная с указанием всех команд. После ввода в машину такая
программа переводится нН внутренний язык машины непосредственно
(«один к одному»). Такие языки для разных машин носят названия:
ЯСК — язык символического кодирования, автокод, ассемблеры (для
трансляторов) и др.
Процедурно-ориентированные языки более уни-
версальны и предназначаются для составления программ в различных
специальных областях независимо от типа машины, но в соответствии
с имеющимися в ней трансляторами. При использовании этих язы-
ков программа составляется в более общем плане, что значительно
облегчает труд программиста. Одновременно с переводом на машин-
ный язык транслятор детализирует программу на отдельные
команды.
Проблемно-ориентированные языки являются
наиболее общими, В программе указываются входные данные и форму-
лируется в общих чертах поставленная перед машиной задача. Все
остальное: выбор метода решения задачи, определение для него алго-
ритма и составление подробной программы (иа машинном языке) —
выполняет транслятор.
В настоящее время наиболее распространенными являются про-
цедурно-ориентированные языки, основными из которых можно счи-
тать ФОРТРАН (один из первых языков для программирования ЭЦВМ,
разработанный в США в 1956 г.), АЛГОЛ-60 и КОБОЛ.
С программами, составленными на языке ФОРТРАН-4, работают
отечественные ЭЦВМ типа «Минск», серии ЕС и др,
ФОРТРАН-4 имеет алфавит, состоящий из 26 заглавных латинских
букв (дополненный русскими буквами), цифр от Одо 9, знаков пунк-
туации, знаков арифметических действий, знаков логических дейст-
226
' • вий (И, ИЛИ, НЕ), ряда математических констант и набора служеб-
ных слов-операторов, необходимых в процессе управления работой
машины (например, read — считывай, .print — печатай, punch —
перфорируй, go to — перейди к ... и т. д.).
АЛГОЛ — семейство алгоритмических языков, разработанных в
-США; основной и наиболее распространенный из них — АЛГОЛ-60.
Алгоритм (программа) на АЛГОЛЕ-60 строится по «блочному»
принципу. Блок — это автономный участок алгоритма, содержащий
описание исходных данных, участвующих в вычислениях, и опера-
• ' торов, т. е. указаний о том, какие непосредственные действия следует
произвести над этими данными. Из этих блоков составляются более
крупные и т. д., из последних—алгоритм в целом.
Алфавит языка содержит десятичные цифры от 0 до 9, строчные
и заглавные буквы латинского и русского языков, знаки вычислитель-
ных операций, знаки разделения, символы стандартных функций
- (sin, cos, 1g, exp и т„ д.), некоторые специальные знаки и служебные
слова. Из символов алфавита по определенным правилам образуются
элементарные конструкции языка: слово, выражение,- оператор, опи-
сание и т. д.
Для решения задач по автоматической обработке статистических
или других информационных данных применяется алгоритмический
язык КОБОЛ (разработан в США в 1960 г.; имеется также вариант на
русском языке). Это специализированный язык, описывающий по-
следовательность действий при различных формах обработки мно-
жества однотипных записей. Каждое действие задается в форме опе-
ратора, состоящего из глагола, определяющего действие, и обозначений
данных, на которые это действие оказывается. Операторы охватывают
арифметические действия, последовательность операций, сортировку
данных по заданному принципу и т. д.
Из языков специального назначения упомянем ЛИСП для решения
информационно-логических задач, СНОБОЛ — обработки текстов,
СИМУЛА — моделирования систем, ПЛ-1 («универсальный язык
программирования»), а также СНАП и СМАИЛ, специально разра-
ботанные для биологов.
Программирование сложных задач облегчается постепенным на-
коплением уже разработанных программ и особенно подпрограмм по
аналогичным задачам, которые сохраняются в специальных библио-
теках, откуда могут быть затребованы при необходимости.
В настоящее время каждая ЭЦВМ снабжается набором готовых
Ьрограмм, написанных на соответствующем алгоритмическом языке,
относящихся к наиболее часто встречающимся задачам в области на-
вначения машины, а также множеством различных вспомогательных
подпрограмм. Этот набор называется программным или матема-
тическим обеспечением машины. Часть этих программ, особенно
программы, обеспечивающие управление машиной при решении типо-
вых задач, а также техническое обслуживание машины, записывают-
ся сразу в ее памяти, откуда и воспроизводятся при необходимости.
Совокупность этих программ называется операционной системой
машины.
8*
227
Глава 30
ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ (ЭАВМ|
§ 163. Элементы устройства ЭАВМ
Рис. 232
Электронные аналоговые вычислительные машины (ЭАВМ) пред-
назначены для обработки информации, представленной в непрерыв-
ной форме, т, е. для вычислительных операций над непрерывно нзме-
йяющймися величинами, которые связаны между собой математиче-
скими соотношениями. Эти величины могут быть любой физической
природы и в математических соотно-
шениях они обозначены соответствую-
щими символами. ч.
В ЭАВМ эти переменные величины
представлены электрическими напря-
жениями: каждому мгновенному
'значению переменной величины сопо-
ставляется мгновенное значение на-
пряжения в определенных точках це-
пи машины. Эти напряжения назы-
ваются машинными 'переменными, о
ними и производятся соответствую-
щие операции.
В ЭАВМ вычислительные операции осуществляются с помощью
электронных решающих элементов, выполняющих над машинными
переменными относительно простые математические (например, ум-
ножение переменной величины на постоянный коэффициент, сумми-
рование и интегрирование переменных величин), а также некоторые
логические (сравнение переменных величин, выделение наибольшей
или наименьшей из заданных величин и т. п.) операции. Решающие
элементы собираются в операционные блоки, из которых составляют
схемы для решения конкретных задач. '
Совокупность всех решающих элементов ЭАВМ образует основ-
ное устройство машины — вычислитель (см. блок-схему устройства
ЭАВМ на рис. 232).
Решающие элементы, а также часто употребляющиеся операцион-
ные блоки расположены в нем отдельными ячейками, в которых при
подготовке к решению задачи производится их внутренняя коммута-
ция (подключение соответствующих резисторов и конденсаторов к опе-
рационным усилителям—см. далее). Входы и выходы их подключаются
к гнездам общей коммутационной панели, называемой наборным по-
лем, на котором производится их взаимное включение в соответствии,
со структурной схемой решения данной задачи (см. § 164).
С вычислителем непосредственно Связано выходное устройство —
индикаторный блок, содержащий электроннолучевую трубку (ИЭЛ)
с медленной разверткой по горизонтали и послесвечением, на экране
которой наблюдается решение задачи, или регистрирующее устрой-
ство—графопостроитель, а также необходимые измерительные и ин-
228
дикаторные приборы. Кррме того, машина содержит блок управления
и контроля и блок питания.
Сложность задач, которые доступны для решения на данной ма-
шине, зависит от общего числа имеющихся в ней решающих эле-
ментов и операционных блоков. ЭАВМ условно можно разделить по
мощности на малые (10 — 15 элементов), средние (30 — 50) и боль-
шие (100 — 150). По технической ос-
нове решающих элементов большая
часть ЭАВМ является электронно-
ламповыми с частичным использо-
ванием и полупроводниковых эле-
. ментов. Есть и полностью полу-
проводниковые машины (например,
МН-10М и МН-18).
По назначению, подобно ЭЦВМ,
ЭАВМ делятся на универсальные (об-
щего назначения) и специализирован-
ные.
Для примера на рис. 233 показана
ЭАВМ общего назначения малой мощ-
ности (ЭМУ-10), а на рис. 234 —
аналогичная машина средней мощ-
ности (МН-14). В центральной секции каждой машины находятся
наборное поле и пульт управления, в боковых—решающие элемен-
ты и операционные блоки (блок с электроннолучевой трубкой на ри-
сунках не показан).
Рис. 234
На рис. 235 показана коммутационная панель (левая ее половина
машины МН-7М), на которой расположено наборное поле и выводы от.
деталей решающих элементов.
Основные решающие элементы и операционные блоки ЭАВМ и их
условные обозначения на схемах приведены в таблице:
229
Операционный уси-
литель
Потенциометр (де-
литель напряжен
ния)'
Умножитель (мае-:
штабное звено).
Интегрирующий уси-.
литель (интегра-
тор)
Инвертор
Сумматор
Большая часть решающих элементов ЭАВМ построена на основе
операционного усилителя. Операционный усилитель (ОУ) — это элект-
ронный прибор для автоматической реализации определенных матема-
тических операций. В основном ОУ представляет усилитель постоян-
ного тока УПТ (см. § 50), охваченный глубокой* отрицательной обрат-
ной связью по напряжению, в цепи которой включен некоторый им-
педанс. Характер импеданса (обычно активное или емкостное сопро-
тивление) оказывает значительное влияние на функцию ОУ, поэтому
при изменении его (при том же УПТ) с помощью ОУ можно осущест-
вить различные математические операции.
УПТ, входящий в состав ОУ, должен удовлетворять следующим
требованиям: 1) статический коэффициент усиления его (при разом-
кнутой цепи обратной связи) должен быть порядка /гупт = (Ю5 —
. —10—в); 2) входное сопротивление от Rm должно быть также доста-
точно высоким (7?вх-> оо); 3) дрейф напряжения должен быть возможно
малым и УПТ работать без искажений во всем рабочем диапазоне ча-
стот. (Для образования отрицательной обратной связи УПТ должен
иметь нечетное число каскадов, обычно три.) '
Рассмотрим простейший ОУ, на входе которого включен резистор R,'
а в цепи обратной связи активное сопротивление—резистор Ro
(рис. 236). Все напряжения в схеме ОУ измеряют относительно общей
земли, поэтому структурные схемы его обычно .изображаются
однопроводными.
Вследствие наличия глубокой отрицательной обратной связи при
работе ОУ напряжение Uyc на входе УПТ компенсируется напряже-
нием на выходе и его можно принять равным нулю:. (/у0 =» 0,
’ Кроме того вследствие высокого входного сопротивления ток tyft через
* Обратная связь характеризуется коэффициентом показывающим,
какая часть выходного, напряжения подается обратно на вход усилителя}
Р = ^св/<7вых.При глубокой связи коэффициент р приближается к единиц»,
азо
-Внешняя аппаратура—
ООО
ООО
-юов “12
16
15
И
13
о
10
О
12
О
11
17
12
23
15
9 1
14
16 15
о
14
о
21
о
22
о
13
13 14 15
ВЫХОДЫ
12-13
4 5
ВХОДЫ
16 8
Б—1
М
вых
0-0
О
16
18
о
19
39 кОм
1мкФ
9
1
6
15
16
8
о
7
о
13
о
5
о
14
0,1 м
А2
0,1 М
Б1 СЕТКИ
выходы
5 6 7
8. 9
Го изл
1415 16 И 18 ,
Рис. 235
032
А4
17 18 +100В
14 15 16
ООО
6 7 8
1М
1МкФ
О О О О О
25 33 41 49 57
26 34 42 50 58
27 35 43 51 59
О О о О о О
20 28 36 44 52 60
о о о
29 37 45
о о
53 61
ООО
30 38 46
ООО
31 39 47 55
54
62
о
63
О О о О О о
24 32 40 48 56 64
О О
5 4
О о
13 12
О
3
о
и
о о
2 1
О о
10 9
ОДМ
ОДМ
0,1 М
о
10
12
ОДМ
0,1 М
1М
ОДМ
Б—IV E-V1E-VI
Б—III
%Х° ВХ° ВХ°
1ВХ21в*21ВА-
АЗ
1М
ОДМ
I >274 I—O
> >28
*29-
1М
ОДМ
6314 I—Q
1МКФ
1МКФ
Б—II
о О
1 ВХ2 . .. .. ... .
В££ W
1В*2
> I О о
1ВЛ2 1ВХ2
b-vii ...
ЮТ ГОС
ВХ
ШОВ
1Гц Б-УИ1
О о
Lbx2
вых
|БГП СЕТКИ Б IV
О IO. О
2 11 2
о I О О
ВЫХОДЫ
лждл
1 РО 2 РО 3 РО <4 РО
В ХОД Ы —1--
о о о о о о о о
10 12 14 16 18 20 22 24
ВХ-. ВЫХ
о-(Д )-ово ооо
1 2 3.4
26
о
28
о
30
о
32
ОО ООО 000
34 36 38 40 42 44 46 48
бпз выходы уендапдеЯ**
' мн . '
о
о
2
о
6
8
о
2
>
УПТ ничтожен и им можно пренебречь. Все это необходимо для вы-
полнения рассматриваемых ниже соотношений, характеризующих
работу ОУ при вычислительных операциях.
Основным параметром ОУ является коэффициент передачи koy,
равный отношению мгновенных значений напряжений на выходе £7ВЫХ
и на входе t/BX усилителя:
’ Аоу =
231
Установим, от каких величин он зависит. Для этого рассмотрим
на рис. 236 точку В при входе в УПТ. Если, как.указано выше, током
tjc через УПТ можно пренебречь,'тогда Ток 1ц через входной резистор
R равен току через резистор Ro в цепи обратной связи: 1д = 7вв,
Выразим токи, /д и ica через разности напряжений Um, t/y0» Uwa
в точках А, В, С: ' •
, й ~ - (/ус)//?, iCB = (Ure - 1/вых)/Яв.
Пренебрегая также й напряжением (7ур « 0, получим i’r = U„JR
Я iCB = —UbwJR9, Учитывая, что эти . токи равны, имеем L/BX//? «
== — Uwt/R0, откуда. UBva!Um=>
==— RJR. Но {/выж/Увх в *оу, тогда
окончательно
Лоу =* — RJR
(знак минус обусловлен свойствами one*
рационного усилителя).
Итак, коэффициент передачи /toy опе-
рационного. усилителя не зависит от
коэффициента усиления УПТ и равен
. взятому с отрицательным знаком отно-
шению сопротивлений /?0 резистора в цепи «обратной связи и 7? рези-
стора на входе ОУ.
.73 зависимости от соотношения этих сопротивлений коэффициент
передачи может изменяться в значительных пределах—от 100 до 0,001.
; Подавая на вход- ОУ напряжение, изменяющееся во времени пр
Определенному закону £/вх = f (t), на выходе можно получить напря-
жение 17вых, изменяющееся по такому же закону, но увеличенное (или
уменьшенное) в /toy раз : £/выхя=/гоу4/вх = ’/toy / (0. а также обратное
.по . знаку .или фазе’
Таким образом, в данном случае ОУ выполняет операцию умноже-
ния (или деления) на постоянный множитель и называется множитель-
.дон. или масштабным звеном. Операцию-деления можно выполнить
.также с. помощью делителя из двух резисторов или потенциометра.
Как будет показано ниже, умножение и деление на постоянный
коэффициент обычно учитывается при расчете масштабов для машинных
переменных (см. § 164) и масштабное звено для этой цели практически
не применяется.
• , - При /?<> = /? имеем koy =* —1,‘ и, следовательно,
£/»ых = — ^вх- '
В этом случае операционный усилитель только меняет знак (или фазу)
входной величины на обратный. При этом он называется инвертором
(условное обозначение дано в таблице на с. 230) и в этом качестве чаще
всего применяется. ' . _
Операционный усилитель может, выполнять операцию сложения
'переменных напряжений (рис. 237), Напряжения- Ult Ut,".... Un,
подлежащие сложению, подаются на вход ОУ через резисторы Rt, /?а,
232 .
. Т. ' - , .. _
.... Rn и обраэуют притекающие к точке В токи in. Подобно
предыдущему случаю; для точки В можно написать
/ у':
R, то отношение $olRt можно
где S — знак алгебраического сложения. Путем аналогичных преоб-.
разованийиз этого выражения можно получить
* откуда 1
1 - Г У
k^ut. '
. Если /?! = /?,= ... = /?„ =*
вынести за знак суммы,, тогда
. ' . . П fn
а если и Re •* Л.'то Лоу = —1 и тогда.
(/вых = ,—У£/вК,
ВЫХ Ю«*«
-напряжение на выходе. ОУ пропорционально алгебраической сум-
ме напряжений на . входе усилителя с обратным знаком, ‘т, е,<ОУ
осуществляет алгебраическое сложение напряжений, поданных-на
его входы. " . ;,
Если сопротивления на входе ОУ не . равны между собой, то для
каждого из суммируемых напряжений коэффициент передачи отли-
чается: feoyi e — RJRi, feoy a “
Д, =-ад,ит. д. Обычно ЭТО уЧИт
1сВ
тывается при расчете масштабов для ч
’ машинных переменных (см. § 164).
8
С
С
Minx
У,
Уг
-Ui
;-л - Ч----!___!- - - -
' 'Рис. 237 Рис. 238
У* - . . . /
г Решающий элемент, реализующий эту операцию, называется сулг-
' мотором (условное обозначение дано в таблице на о. 230). Сумматор 7
выполняет операцию алгебраического сложения; если требуется про-
. извести вычитание напряжений одинакового.знака, например най*й
7' разность ((?! — {/,), то у большего из них (I/j) предварительно'с.в^- ‘
ц. мощью инвертора знак изменяется на обратный и затем обе величины
X суммируются (рисг 238), * '
Если в цепь обратной связи вместо резистора с сопротивлением /?0
включить конденсатор емкостью С (рис, 239), то можно составить сле-
дующие соотношения: Ir = ic, где ic — ток в цепи .конденсатора;
tR “ (f/вх- f/rc)/7?; ic = (UY0- иъы^ «
— С — (/ус), или, пренебрегая величиной UYC, Ir —
U„1R н ic — — С Но iR = ic,
довательно, — С откуда
U„^— RC-^ss^,
“ dt
t
Интегрируя в пределах от 0 до I, получим | UEydt = — 7?С(7ВЫХ.
Отсюда
t
------------ f U„dt,
вых I^C ***" '
. о
в данном случае ОУ осуществляет интегрирование по времени
входного напряжения и называется интегрирующим усилителем
или просто интегратором.
Коэффициент передачи при этом koy = — URC, где RC — по-
стоянная времени интегрирующей цепи,
Если в задаче оговорены начальные условия (при t = 0). U„ =>
— ^вх.е» то предыдущее уравнение принимает вид
t
^ых=~(^вх^ + ^вхв!
с
Начальное значение интегрируемого переменного (t/ex.o) устанавли-
вается на ОУ перед началом операции путем заряда конденсатора С
от стабилизированного источника до соответствующего напряжения.
Интегратор производит непрерывное суммирование мгновенных
значений входного напряжения за период времени, указанный в за-
даче. Начало >и конец операции регулируются с помощью реле, под-
ключающего и отключающего входное напряжение. Результат интегри-
. рования получается с обратным знаком. Если это нежелательно, то '
после интегратора в схему включается инвертор.
При интегрировании постоянного напряжения (U„ = const) =*
= —(tiRC) U„, т. e. интегратор осуществляет «идеальное инте-
грирование» (см. § 146) при любых постоянных времени. Этим он
отличается от интегрирующей цепи на L и С, которая для этого
должна иметь достаточно большую постоянную времени, и, следова-
тельно, .процесс интегрирования требует значительного времени, что
234
не всегда возможно. Интегратор на ОУ этого ограничения не имеет
и поэтому используется, например, для получения импульсов строго
пилообразной формы (см. § 165).
Если в интеграторе конденсатор С включить во входную-'цепь,
а резистор R — в цепь обратной связи, то получится дифференцирую-
щий элемент, который описывается уравнением С/вых =я — RCdU^Jdt,
Дифференцирующие элементы применяются редко.
Суммирующее и интегрирующее устройства можно объединить
в один решающий элемент—интегросумматор (рис. 240), функция
которого описывается уравнением
^вых = ^вхо (U* -l" ~R~~G
h
с соответствующими коэффициентами передачи feovi — — URrC,
Лоуг = — \IR%C\ keys = — 1//?3С и т. д>
• На ЭАВМ можно выполнять также и некоторые логические опера-
ции, в основе которых лежит сравнение мгновенных значений двух
переменных величин и выделение разностного сигнала. Это может быть,
например, выбор величины, максимальной или минимальной по мо-
дулю, или операция, подобная условному переходу в ЭЦВМ, при ко-
торой в зависимости от результатов сравнения производятся переклю-
чения в структурной схеме решения задачи и т. п. Возможны также
н операции, подобные логическому сложению (ИЛИ) и умножению (И).
Обычно при выполнении логических операций производится срав-
нение мгновенных значений исследуемой переменной величины А
(напряжение 1/вх) и некоторой заданной (эталонной) постоянной Ао
(напряжение (7ЭТ). Простейшая схема сравнения состоит из цепи, со-
держащей диод Д и резистор R, к которой встречно подведены напря-
жения i/BX и {/эт (рис. 241, а). Если А < Ав или 17вх < 1/В1, то диод
заперт и тока в цепи нет, нет и сигнала на выходе. Если А Ао или
UM то диод отпирается, в цепи протекает ток на резисторе
R происходит падение напряжения, напряжение в точке О снижается
и на выходе появляется сигнал — импульс напряжения, который пере-
дается на другие элементы схемы ( рис. 241, 6). Такое устройство,
однако, имеет весьма низкую чувствительность.
235
Схема сравнения может быть построена и на основе дифференци-
ального усилителя (см.- §51), на входы которого подаются напряжения
17вх и t/eT. Напряжение между двумя выходами усилителя при этом
пропорционально разности напряжений на входах: =
— Ь (t/Bx — ^ет)> ГДе k — коэффициент усиления. При t/BI =
выходное напряжение снижается почти до нуля, а при LZBI sg i/»»
изменяется знак.
Схема сравнения в ЭАВМ обычно реализуется с помощью специаль-
ного решающего элемента, называемого компаратором (условное обо-
значение дано в таблице на с. 230). Компаратор (рис. 242) состоит из
операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включены
два диода и Д2, а к двум входам подведены напряжение.^/ и напря-
жение Uer с обратной полярностью.
До тех пор, пока U < U^, диод
заперт, а Д2 открыт, УПТ операцион-
ного усилителя замкнут накоротко и
сигнала на выходе нет. При U > 1/вт
Л kj
nt
и
Лг
Рис. 242
Vain'
•' -и„-
диод Дх открывается, а Д2 запирается и на выходе ОУ появляется
напряжение, которое и является сигналом.
Чаще применяется компаратор с релейной характеристикой. При
этом на выходе ОУ подключается поляризованное реле Р, контакты К
которого и производят необходимые переключения в схеме. Для того
Чтобы обеспечить на выходе ОУ напряжение, достаточное для при-
ведения в действие реле, применяется отдельный источник постоянного
напряжения U0D, включенный, как показано на схеме рис. 243. -Если
на входе усилителя U UaT, то диод Д открыт, а Д2 заперт, тогда
напряжение Uoa подается, на вход ОУ через резистор /?8; по общему
правилу напряжение на выходе ОУ. при этом будет L/p = —Uonkoy =
= — Uo^ RJRi. Оно и вызывает действие реле.
Если контакты реле от нескольких компараторов, сравнивающих
каждый в отдельности величины А и А о» В и Во и т. д., включить в
цепь некоторого исполнительного органа последовательно или парал-
лельно, то с их помощью можно реализовать операции логического
сложения ИДИ (см. рис. 199) илн умножения И (см. рис. 203). В первом
случае переключение в схеме произойдет при условии, если А Лр
и В Во» а во втором—если А Ао или В Во. С помощью несколь-
ких модифицированных схем сравнения можно осуществить операцию
выбора наибольшей *или наименьшей по модулю величины и др.
К основным блокам ЭАВМ относится также функциональный преоб'
236
разобатель (ФП) — устройство, позволяющее воспроизвести любую
заданную однозначную непрерывную функцию одного переменного
У =* f (*)• Функция задается в вйде графика, по которому и строится
ее воспроизведение. Для этого прежде всего производится кусочно-
,s* линейная аппроксимация заданной функции, т. е. плавная кривая
i заменяется ломаной линией; прямолинейные отрезки которой отли-
чаются от точного значения функции в заданных допустимых пределах
L (рис. 244). Это упрощает задачу, так как в пределах каждого отрезка
функция является линейной, хотя и имеет различную крутизну
f (tg Фо tg фа и т. д.), и может быть воспроизведена с помощью мно-
жительного звена, имеющего соответствующий коэффициент передачи.
; , Эти коэффициенты изменяются на каждом отрезке соответственно его
наклону (tg ф) в точках перехода од-
ного отрезка в другой (точки А, В, С,
h D на графике). Это может, быть обеспе-
1 ' чено, в частности, автоматическим йзме-
нением в этих точках сопротивления-ре-
зисторов на входе множительного звена
; с помощью специальной диодно-рези-
' сторной схемы, которую за сложностью’
не приводим. _
. Функциональные преобразователи
'г для часто встречающихся функций (на-.
пример, для функции у — х2 такой пре- Рис. 244
образователь называется квадратором),
• так же как и некоторые вычислительные схемы (например, для умно-
жения переменных величин), имеются в машине в виде самостоя-
тельных блоков, ’ -
’?»' Запоминающее устройство в ЭАВМ имеет ограниченный характер.
Предметом запоминания является напряжение фиксированной вели-
чины. Оно сохраняется или с помощью потенциометров (делителей),
.•< или путем заряда конденсаторов с малой утечкой, выводы из которых
. с помощью реле в необходимый момент подключаются к определенным
точкам цепи решающих элементов. В качестве таких конденсаторов
часто используют конденсаторы, включенные в цепь обратной свя-
ви ОУ.
Для запоминания сигналов применяются ЗУ на магнитных лентах,
* остаточное намагничение которых пропорционально запоминаемому
? напряжению. Используется также запись высокочастотного опорного
напряжения, модулированного по амплитуде запоминаемым сигналом.
/ При необходимости длительного хранения применяется преобра-
зование сигналов, подлежащих запоминанию, в дискретный цифровой
код и хранение их в запоминающих устройствах ЭЦВМ. .
s В ЭАВМ имеются также устройства запаздывания (блок задержки
БЗ), которые воспроизводят заданную функцию при запаздывающем
аргументе: (7ЙЫ1(/) — UBJL (t — т), где т — прстоянное время запаз-
дывания. Простейшие БЗ состоят из пассивных, элементов L и С
(см. рис, 211, а), а более совершенные БЗ строятся на основе опера-
ционных усилителей.
2»
§ 164. Решение задач на ЭАВМ
Поскольку ЭАВМ оперирует с переменными величинами, она при-
меняется прежде всего для решения различных уравнений. При ре-
шении сложной задачи последняя предварительно преобразуется так,
чтобы решение ее состояло из последовательного ряда операций, кото-
рые могут быть выполнены с помощью решающих элементов, имеющих-
ся в данной машине. Затем строится структурная схема решения зада-
чи, которая включает необходимые решающие элементы и указывает
последовательность операций над ними. В соответствии с этой схемой
производится взаимное включение этих элементов на наборном поле
машины.
При решении алгебраических уравнений используются главным
образом инверторы и сумматоры. В сложных случаях используются
также функциональный преобразователь и блок перемножения.
Рассмотрим в качестве примера решение задачи умножения двух
переменных величин: х = иг и у = 1/8. Предварительно используя
известные алгебраические соотношения, преобразуем:
ху = (х/4) К х + у)2 — (х — у)2\ или U1Ul = f/4) [(t/j + Ut)2 —
По этой формуле составляем структурную схему (рис. 245). С помощью
двух сумматоров и инвертора образуем сумму (Ut + i/a) и разность
(Ut — U2) входных напряжений, затем о помощью функциональных
преобразователен ФП вычисляем их квадраты (+ иъ)2 и (Ut —
— U2)2, с помощью инвертора меняем знак второй величины и скла-
дываем их с помощью третьего сумматора. На выходе имеем 4 t/jt/j.
Для получения ответа результат надо умножить на х/4, Рассмотренная
схема называется блоком перемножения и применяется самостоятельно
при решении задач. Сходным, хотя и более сложным, способом осу-
ществляется и операция деления двух переменных'величин,
В некоторых случаях для упрощения решения применяется втрук-
турная схема в виде контура, замкнутого цепью обратной связи.
Например, рассмотрим решение дробно-линейной функции
z — ах /(1 — Ь). Непосредственное решение требует операции деления,
что достаточно сложно. Можно найти более простое решение, если пре-
образовать уравнение так: г—Ьг = ах, откуда ax-\-bz = z. Если на
вход сумматора подать'слагаемые ах и bz, то на выходе его получит-
ся искомое переменное z с обратным знаком (—г). Изменив с помощью
инвертора знак, получим + г. Это переменное о помощью цепи обрат-
238
ной связи и путем умножения на величину b можно подать с выхода
схемы на вход сумматора. Тогда структурная схема для решения урав-
« нения будет состоять из сумматора, инвертора и. двух масштабнцх
звеньев а и b (рис. 246). Если на вход схемы подать переменную Д
то на выходе получится переменная г и задача будет решена.
Чаще всего на практие ЭАВМ используются для решения диффе-
ренциальных уравнений. Относительно просто решаются обыкновен-
ные линейные уравнения первого и высшего порядков. Решение обык-
Рмс. 246 , Рис. 247
новенных нелинейных уравнений, систем линейных уравнений, а
также уравнений в частных производных с помощью ЭАВМ требует
специальных сложных приемов.
Для решения дифференциальных уравнений на ЭАВМ обычно ис-
пользуется метод понижения порядка производной путем непосред-
' ственного интегрирования с помощью интегрирующего усилителя, в
котором учтены начальные условия и решение не содержит посто-
янной интегрирования С. Например, рассмотрим уравнение естествен-
dN
ного роста величин (см, § 94) = kN. Его решение можно предста-
4 dN
вить в виде N — No +f-^~ dt, где No —
начальное значение, dNIdt — производ-
ная функция N. Это решение можно реа-
лизовать о помощью интегратора, на
вход которого подана'производная dNIdt
и в который (путем предварительного
заряда конденсатора) введено начальное
значение No функции. Вместо производ-
ной dNIdt на вход интегратора можно о
помощью обратной связи подать равную ей, согласно исходному
уравнению, величину kN, которая получается из значения функ-
ции — N на выходе и нтегратора с помощью масштабного звена,
Структурная схема решения показана на рис. 247. Искомая функция
N получается через инвертор на выходе схемы. Схема срабатывает при
включении в помощью реле напряжения на решающие элементы,
при этом на экране осциллографа, подключенного на выход схемы,
можно наблюдать график функции N (t).
Покажем решение линейного уравнения первого порядка о постоян-
ными коэффициентами: dyldt + а <р + b = 0 (для простоты без на-
чальных условий). Отделяем производную: dtfldt = — (а<р + о).
. Составляем структурную схему для решения ( рио, 248). Основой ее
239
является интегратор, на вход которого подается значение производной
dqldt, которая, согласно предыдущему уравнению, может быть заме-
нена суммой: — (йф 4- Ь). Это выражение в свою очередь может быть
получено путем суммирования постоянной b и произведения скр, в ко-
тором значение функции ф берется в выхода интегратора (через инвер-
тор для изменения знака).
Аналогично путем последовательного двукратного интегрирования
решается и уравнение второго порядка, например
a^Py/dt2 + a^dyldt 4- аоу = А.
Преобразуем:
di* а2 dt at a2 dt
Структурная схема (рис. 249) содержит два интегратора и две цепи
обратной связи. На вход первого интегратора, который является инте-
гратором-сумматором подаются слагаемые правой части уравнения,
сумма которых равна-лроизводной cPy/dt2. Слагаемые образуются пу-
тем обратной связи от точек выхода интеграторов, на которых имеются
соответственно — dy/dt и у. Путем подбора коэффициентов передачи
на входном блоке сумматора эти величины умножаются на соответ-
ствующие коэффициенты bY и Ьо. На вход сумматора подается также
постоянная величина В.
Выше были рассмотрены уравнения с постоянными коэффициентами.
Несколько сложнее решение уравнения, коэффициенты которого яв-
ляются функцией времени, например 4- аг (/) 4- а0 (О У = О-
При решении этого уравнения в структурную схему (рио, 250)
вводят блоки (ВПК), моделирующие изменение во времени переменны х
коэффициентов: ах (f) и (t). Бдоки представляют управляемые де-
лители напряжения (потенциометры), коэффициенты деления которых
изменяются во времени (например, с помощью привода от электро-
двигателя) пропорционально соответствующим функциям. При отсут-
ствии в машине таких блоков их можно сформировать на основе функ-
циональных преобразователей.
При решении конкретных задач машинные переменные, т. е, на-
пряжения Ult U2, .... с которыми производятся вычислительные опе-
240
рации, связываются'с физическими (или математическими) перемен-
ными х2, входящими в исходные соотношения и уравнения,
с помощью масштабных коэффициентов Mt, М2, ...
Масштабный коэффициент (или просто масштаб) физической пере-
менной— это отношение машинной переменной, например напря-
жения Uxj, к значению соответствующей переменной представ-
ленной в исходном уравнении:
__ значение машинной переменной Uxt
* значение физической переменной
Масштабные коэффициенты выбираются так, чтобы машинные пере-
менные имели возможно большие абсолютные значения, однако при
условии, что их максимальные значения не превысят пределов, допу-
скаемых для данной машины.
Масштабные коэффициенты учитываются при расчете коэффициен-
тов передачи feoy решающих элементов. Расчет делается путем сопостав-
ления соотношений между машинными переменными, обусловленных
характером используемых решающих элементов, и соотношений меж-
ду переменными заданными в исходных уравнениях. Пересчет.исходных
данных на машинные переменные называется нормировкой задачи.
Обычно при таком расчете, для того чтобы не вводить отдельного •
решающего элемента, учитываются также и коэффициенты Alt Аг, ....
стоящие у соответствующих переменных в исходных уравнениях.
Например, пусть для сумматора задано исходное соотношение,
z^AfXi.
L . .
Для машинных переменных оно имеет вид
^вых=2^0у,^вх.й
I
Вводя масштабные коэффициенты: Mz для выходного и Mxt для
входных напряжений, имеем = Мгг и Тогда
предыдущее уравнение имеет вид
MzZ—^koytM^Xi.
.1 -
Сравнивая о исходным уравнением, можно заключить, что
п п
Мг 2 Aixi — ’S AfxtX|,
i i
откуда
kovi =
Таким образом, для сумматора коэффициент передачи по каждому
входу koyi определяется отношением выбранных масштабов для вы-
ходного и входного напряжений, умноженным на коэффициент, стоя-
щий у соответствующей переменной в исходном уравнении (знак ми-
нус у koy в этом случае значения не имёет).
241
, t
Аналогично для интегратора: пусть задано z=A J xdt; для машин-
ных переменных (7ВХЛ. Вводя масштабные коэффициенты,
° Ас
имеем t7BbIX = Af^z и 11^ — Afxx; М2 z — } Mxxdt.
° г
Сопоставляя с исходным уравнением, запишем MZA £ xdt —
1г 1
s=—J Л4Ж Х^’ 0ТКУда MZA = Мх. Следовательно,
Лоу = IIRC = (ЛМЛЦ Л,
Масштабные соотношения для входного напряжения должны соблю-
даться также и для начальных условий: t/BX0 — Мхх0.
Скорость изменения машинных переменных в процессе решения
задачи может отличаться от реальной скорости течения исследуемых
процессов, т, е, машинное время т может не совпадать со временем t,
предусмотренным в условиях задачи. В этом случае при вычислении
результатов должен учитываться масштаб времени: Mt = x/t. Если
• время машинной операции совпадает с длительностью процесса, т, е.
т — t, то Mt — 1. Это называется решением задачи в реальном мас-
штабе времени. Вообще же задачи на ЭАВМ могут решаться как в уско-
ренном (Mt < 1), так и в замедленном (Mt > 1) масштабе времени.
Из разобранных выше примеров можно заключить, что подготовка
• (программирование) и реализация решения задачи на ЭАВМ состоят
из следующих этапов:
1) преобразование исходных уравнений так, чтобы они могли быть
решены последовательным рядом операций умножения, интегриро-
вания, суммирования и функционального преобразования;
' 2) определение на основании данных п, 1 необходимых решающих
элементов и составление из них структурной схемы;
, 3) выбор (расчет) коэффициентов для представления в машину ис-
ходных данных задачи, а также параметров решающих элементов (ко-
эффициенты передачи, значения резисторов, емкостей и т. п,);
4) включение с помощью наборного поля решающих элементов со-
гласно структурной схеме и установка на них рассчитанных в п, 3
начальных данных и параметров;
5) включение питания, настройка схемы и выполнение вычислитель-
ной операции;
6) построение графиков решения с учетом введенных масштабных
коэффициентов.
С помощью ЭАВМ можно получать импульсы напряжения различ-
ной формы: прямоугольные (одно- и двусторонние), синусоидальные
и т. п. В качестве примера рассмотрим схему для получения пилооб-
8азных импульсов, используемых при различных измерениях (см.§ 165),
образование пилообразных импульсов основано на том, что при по-
даче на вход интегратора постоянного напряжения Uo напряжение
242
ва его выходе (С/Вых) возрастает со временем по линейной зависимости.
Так образуется восходящая часть импульса. Если в определенный
момент времени конденсатор быстро разрядить, то напряжение 1/вых
падает до нуля, образуя нисходящую часть импульса.
Генератор пилообразного напряжения (рис. 251) состоит из генера-
тора на базе ОУ] и компаратора на базе 0Уг, в выходную цепь которого
включено реле Р, Конденсатор С интегратора шунтирован небольшим
сопротивлением /?огр, последовательно с которым включены контакты К
реле. При срабатывании реле кон-
такты замыкаются и конденсатор
быстро разряжается. Включение
реле Р в моменты, когда напряже-
ние на выходе генератора достигает
определенного значения, обеспечи-
вается компаратором, в котором
происходит сравнение линейно на-
растающего напряжения, снимае-
огр»
^зт
t
Рис. 252
мого о выхода генератора, о постоянным напряжением Ugt, обуслов-
ливающим-амплитуду импульсов (см. график на рис, 252), В момент,
когда они равны, срабатывает реле Р и вызывает разряд конденсатора
в генераторе.
Длительность Т импульсов напряжения определяется формулой
Т == (Оэт/О0) R,Ct а крутизна нарастания — формулой tga =
« U^T ~ UjRrC.
§ 165. Применение ЭАВМ
при медико-биологических исследованиях
' Укажем основные области применения ЭАВМ при медико-биоло-
гических исследованиях: 1) моделирование физиологических систем
организма в норме и патологии; 2) обработка и анализ данных раз-
личных экспериментальных и особенно электрофизиологических иссле-
дований с научной или диагностической целью; 3) автоматически уп-
равляемый эксперимент.
Рассмотрим вйачале вопровы обработки и анализа данных электро-
физиологической Ййформации, в частности 5ЭГ.
Задачей автоматического анализа электрофизиологической ин-
формации является вычисление некоторых обобщенных параметров
исследуемых процессов, что позволяет устранить избыточность исход-
ной информации, а также извлечь из нее неявно выраженные данные.
При анализе ЭЭГ обычно определяются: а) суммарная биоэлектри-
243
ческая активность и б) частотный состав (спектр) зарегистрированной
кривой.
Суммарная активность (выражается в микровольтсекундах) нахо-
дится путем измерения площади между зарегистрированной кривой
и нулевой линией за определенный промежуток времени, которая ум-
ножается на соответствующий коэффициент (масштабный множитель).
Для автоматического определения суммарной активности применяют-
ся приборы, называемые интеграторами биопотенциалов. Интегратор
представляет накопительный конденсатор, который заряжается то-
ком, пропорциональным исследуемым биопотенциалам. В результате
заряд-и напряжение на пластинах конденсатора изменяются пропор-
ционально суммарной биоэлектрической активности. При нарастании
напряжения до установленной заранее величины конденсатор автома-
тически разряжается, а на ленте записи делается отметка. Активность
за некоторый период времени находится по
числу отметок, умноженному на постоян-
ную прибора. На этом принципе устроен,
например, интегратор ИЭГ-01М (см,
рис. 131).
Подобный процесс реализуется в - по-
мощью ЭАВМ, структурная схема которой
дана на рис.'253. Сначала в помощью ин-
вертора и диодов Дг и Да ’ производится
выпрямление регистрируемых колебаний
(см. графики Л и В на рис. 254). Выпрям-
ленные колебания поступают на интегра-
конденеатором С. На выходе появляется
напряжение (график С). На выходе инте-
гратора включены стабилитрон Д3 и поляризованное реле Р, кон-
такты К которого включены в цепь для разряда конденсатора С.
Когда напряжение С/Вых достигнет определенной величины ста-
билитрон начинает пропускать ток, срабатывает реле Р и замыкает
контакты К. Конденсатор С разряжается на резистор /?сбр и на ленте
записи делается соответствующая отметка; затем процесс повторяется.
Рис. 254
тор, где и суммируются
постепенно нарастающее
244
Частотный анализ электрофизиологической информации оснодан
на предположении о том, что регистрируемые колебания являются,
периодической функцией времени и потому могут быть разложены на
гармонические составляющие. Это вполне соответствует ЭКГ и только
с известным приближением ЭЭГ. Все же частотный анализ последней
дает ценную дополнительную информацию и потому достаточно ши-
роко применяется на практике. •
При частотном анализе ЭЭГ из общего процесса выделяются з,ара-
- нее заданные,отдельные гармонические компоненты. Чаще при этом
выделяются колебания в определенных интервалах частот, соответ-
( ствующих основным ритмам ЭЭГ (дельта-ритм 1,5 — 8 Гц; тета 4 —
J 7; альфа 8 — 13; бета-низкие 14 — 20; бета-высокие 21 — 30; гамма,
й 31—70 Гц). .
Приборы, служащие для автоматического частотного анализа ЭЭГ,
*• называются анализаторами биопотенциалов. Принцип их устройства
> состоит в том (рис. 255), что регистрируемые (регистратор Р) биопо^
| тенциалы после усилителя У поступают в систему фильтров Фг — Фп,
I- колебания, выделенные каждым фильтром, интегрируются с помощью
| детекторов Дх — Дп и интеграторов — Un, подобных описанному
выше. Однако в этом случае измерение суммарной активности по каж-
? дому интервалу частот производится одновременно (обычно за прюме-
§ жуток времени 10 с) и напряжения Лг — Ап, до которых заряжаются
| накопительные конденсаторы интеграторов, регистрируются на рт-
; дельной ленте. В подобных анализаторах (например, аппарат
АЭГ8-01М, см. рис. 131) обычно применяются фильтры из пассивных
I элементов L и С (см. § 156).
к Для частотного анализа ЭЭГ могут быть использованы фильтры, .
! образуемые с помощью ЭАВМ. Схема простейшего фильтра нижних
У частот (ФНЧ) представляет интегратор (см. § 163), конденсатор С
в цепи обратной связи которого шунтирован сопротивлением /?огр
5* (рис. 256). Действие фильтра основано на том, что при низких часто-
Г тах импеданс Zo = 1/<оС достаточно велик (при со -► 0 Zo -> оо) и
ОУ работает как масштабное звено с Аоу = ROTp/Ro’ При высоких
частотах Zo мало, оно шунтирует ОУ и'сигнал на выходе не образует-
[ ея. Граничная частота фильтра со — \/CRorp.
Фильтром высоких частот (ФВЧ) в принципе является дифферен-
fe цирующий элемент (см. с. 235), у которого входной импеданс Z =
245
= 1/<оС, при низких частотах достаточно велик и элемент имеет весьма
малый коэффициент передачи Аоу. При высоких частотах kOy соответ-
ственно увеличивается. Однако такой фильтр работает неудовлетво-
рительно, чаще ФВЧ образуется с помощью искусственных приемов,
f например путем вычитания из входного сигнала сигнала на выходе
ФНЧ, задерживающего низкие частоты.
Путем комбинаций ФНЧ и ФВЧ, имеющих соответствующие ча-
стоты среза, создаются полосовые,-фильтры.
Рассмотрим еще один пример использования ЭАВМ для автомати-
ческого анализа электрофизиологической информации—измерение дли-
тельности интервалов между импульсами, допустим, интервалов R—R
на ЭКГ. Измерение делается с помощью генератора пилообразного
’напряжения и схемы сравнения ( рис, 257, а). Потенциал ЭКГ посту-
пает на вход компаратора К, на другой вход которого подается неко-
торое постоянное напряжение 1/п. В момент, когда мгновенное зна-
чение напряжения зубца R станет равйо Uu (график на рис. 257,, б),
на выходе компаратора появляется прямоугольный импульс» он
вызывает срабатывание реле Р и замыкание конденсатора С в гене-
раторе пилообразных импульсов, Напряжение Пвых падает до. нуля
(см. рис. 253), контакты реле Р размыкаются и цикл повторяется.
Максимальное напряжение на выходе генератора f/BbIX регистрируется
самописцем, эта величина линейно связана с интервалом-/? — R меж-
ду зубцами на ЭКГ и отражает его в определенном масштабе.
В связи с большой вариабельностью физиологических показателей
даже в норме (не говоря уже о патологии), а также зависимости их
от многих условий, не поддающихся точному учету, в медицинских
исследованиях за последние годы значительное место заняли вероят-
ностно-статистические методы анализа медико-биологической инфор-
мации, данныр которой при этом рассматриваются как величины, ха-
рактеризующие случайные стационарные процессы, имеющие свойство
эргодичности.
Случайный процесс называется стационарным, если закон распре-
деления вероятностей для характеризующих его величии не зависит
от времени. Эргодическими называются случайные стационарные про-
246
Ж'
цессы, у которых любая статистическая характеристика, полученная
в результате усреднения множества наблюдений, сделанных в один
и тот же момент времени на большом числе аналогичных процессов,
может быть с достаточной достоверностью приравнена аналогичной
характеристике, полученной путем усреднения множества наблюде-
ний, сделанных в течение достаточно длительного промежутка вре-
мени на одном и том же процессе (усреднение по множеству прирав-
нивается к усреднению по времени), К эргодическим процессам от-
носится, например, динамика показателей систем кровообращения,
дыхания, нервной системы и многих других систем организма.
На-этом дсновании статистические методы анализа применяются
к данным, полученным в результате наблюдений на небольшом числе
Рис. 2S8
или даже ва одном объекте. Некоторую информацию о характере про-
цесса могут дать такие статистические данные, как математическое
ожидание — средний показатель функционирования системы — или
дисперсия, учитывающая вариабельность этих показателей, что в
свою очередь характеризует степень устойчивости системы (качество
. саморегулирования) по отношению к внешним воздействиям. Наибо-
лее наглядным в этом отношении является построение гистограммы
или графика функции распределения (см. § 98).
При анализе медико-биологической информациии, в частности ЭЭГ,
применяется также корреляционный анализ (см. § 100).
Приборы для автоматического вычисления корреляционных функ-
ций называются коррелометрами и имеют сложное устройство.- В на-
стоящее время эта операция реализуется с помощью ЭАВМ. Структур-
ная схема регистрации автокорреляционной функции (рис. 258, а)
содержит усилитель У, в который поступают,исследуемые биопотен-
циалы, затем по одному каналу непосредственно и по второму через
блок задержки БЗ потенциалы поступают, в блок перемножения БП
и затем в интегратор И, где усредняются за период наблюдения Т.
Индикаторное устройство Инд выдает значение функции для дан-
ного интервала т. Значения 7?т для разных т считываются со шкалы
индикатора и йаносятся в виде точек на ленту, образуя искомую кри-
вую Rx = / (т).
1
247
Для вычисления кросскорреляционной функции на входе схемы
имеются два усилителя и Уа и наследуемые биопотенциалы от од-
ного усилителя непосредственно (А (/)) и от второго через блок
' задержки БЗ (fa (t — т)) передаются на блок перемножения БП
(рис. 258, б).
ЭАВМ, особенно небольшие специализированные, применяются
для обработки медико-биологической информации непосредствен-
но в процессе ее получения. В этом случае информация, снятая о
объекта с помощью наложенных на него датчиков, после предвари-
тельного усиления вводится непосредственно в машину„которая про-
изводит ее первичную обработку и анализ по заданным показате-
лям и выдает необходимые. результаты. Так устроены, например,
различные экспресс-анализаторы для
электрокардиограммы (см. § 180).
На аналогичном принципе строит-
ся и автоматически управляемый
эксперимент. При этом машина, ана-
лизируя состояние и реакцию объек-
та на определенное воздействие в
процессе эксперимента, автоматиче-
ски (согласно введенной в нее про-
грамме) ‘регулирует интенсивность
воздействия или изменяет его характер.'Примерная схема авто-
матически управляемого эксперимента (рис. 259) по существу
представляет систему оптимального регулирования (см. § 171),
в цепи обратной связи которой в качестве оптимизатора включена
ЭАВМ.
Рассмотренные возможности относятся также и к ЭЦВМ с тем
отличием, что информация, получаемая от‘объекта в непрерывной
форме, должна быть предварительно преобразован? в дискретную —
цифровую. Для этого имеются специальные устройства, называе-
мые аналого-цифровыми преобразователями.
Рис. 259
§ 166. Аналого-цифровые преобразователи.
Агрегатные системы вычислительной техники
Информация, представленная в непрерывной форме, может об-
рабатываться также и на ЭЦВМ, но для этого она должна предвари-
тельно быть преобразована в дискретную форму. Преобразование
непрерывного сигнала в дискретную форму называется его кванто-
ванием.
Большей частью физиологическая информация’—это график
некоторой функции от времени у = /(/), записанный в эксперимен-
те с помощью датчика; например электрокардиограмма. Квантова-
ние ее происходит обычно по времени и осуществляется или непо-
средственно (вручную), или автоматически с помощью специальных
устройств-преобразователей. Квантование по времени заключается
в нахождении последовательности мгновенных значений функции
через определенные промежутки времени называемые шагом
248
квантования. В результате квантования-непрерывная функция у =
= f(t) (рис. 260' о) прйнимает вид таблицы дискретных чисел ylt
у2, •••> Уп> представляющих значения соответствующих ординат
графика кривой (рис. 260, б). С этими числами с помощью ЭЦВМ
й производятся необходимые действия. Допустим, что функцию у =
— f(l) требуется умножить на постоянный коэффициент k. Тогда
Рис. 260
после квантования каЖдое число
Уъ ...» Уп умножается на
k(kylt ky2, ..,, kyn) и по получен-
ным данным, как ординатам, вновь
строится кривая, которая и пред-
ставляет искомую функцию у =
= ф(0 *= (рис. 260, в). ;
В некоторых случаях применяется квантование- по уровням.
При этом задается шаг А/ (0 по оси ординат и график функции за-
меняется ступенчатой- линией (рис. 261, а), которая может быть
представлена таблицей соответствующих дискретных значений ylt
у2, .... уп и соответствующих моментов времени 0, /2> —. гп- В этом
случае результат получается в значительной степени приближенным
(степень приближенности зависит от шага квантования по вертикали
и характера самой кривой). Наилучшие результаты дает одновре-
менное квантование й по времени, и по уровню (рис. 261, б). На
практике чаще применяется квантование по вр’емени.
Устройство для автоматического преобразования непрерывно
изменяющейся величины в цифровую последовательность называ-
ется аналого-цифровым («аналог-код») преобразователем (АЦП).
Принцип действия такого преобразователя основан на сравнении
мгновенных значений преобразуемого напряжения .£/вх со значе-
ниями линейно нарастающего (пилообразного) эталонного напря-
жения В момент, когда L/Bxl = Un t, величина 1/W| фикси-
249
руется и с помощью соответствующего масштаба переводится в циф-
ровую форму в заданном коде. Обычно при-этом измеряется интер-
вал Д/4,. в течение которого эталонное напряжение нарастает до ве-
личины UBri при данном отсчете (рис. 262, а). Тогда =
=UBTl — ahtu где а — известная величина. Для измерения
интервал Д^ заполняется счетными импульсами с высокостабилизи-
рованной частотой f от особого генератора. Если в интервале Д/|
укладывается пг импульсов, то Д/, = (l/f)nj, Следовательно,
• ^вх I ~ ^ат I ~ ~ ktlf,
т. е. число nt в определенном масштабе может служить цифровым
эквивалентом значения преобразуемого напряжения. Изме-
рения повторяются для каждого шага квантования (рис. 262, б).
Преобразование упрощается, если в качестве эталонного исполь-
зуется линейно-ступенчато возрастающее напряжение (рис, 262, в),
получаемое с помощью специального генератора. В этом случае те-
кущее значение пропорционально числу т ступеней эталон-
ного напряжения 1/8Т г, которое и фиксируется счетчиком.
Цифро-аналоговое преобразование — это операция, обратная к
квантованию и аналогичная обычному построению графика по зна-
чениям его отдельных точек. Одним из наиболее распространенных
методов автоматического цифро-аналогового .(«код-аналог») преоб-
разования (ЦАП) является преобразование на сопротивлениях с ве-
совыми коэффициентами. Такой преобразователь содержит систе-
му резисторов, проводимость 1/7?, которых пропорциональна соот-
ношению («весам») цифр в разрядах двоичного кода: 1/RO = 2°/7?,
1/7?г = 21//?, 1/RS == 24R, ...
В общем виде 1/Rt *= 24R, где R — некоторое постоянное so-
противление (масштабная величина), i = 0, 1, 2....п. -
Резисторы Ri подключены параллельно к источнику постоян-
ного (эталонного) напряжения Е и через конъюнкторы (вентили)
И —к нагрузочному резистору RB, е которого снимается аналого-
вый сигнал (рис. 263, а). На вентили И подаются одновременно
сигналы двоичного кода преобразуемого числа х и тогда в схему
включаются только резисторы Rb соответствующие разрядам чис-
ла х, в которых стоят единицы (при сигнале 0 вентиль не замыкает
250
цепь резистора). Обозначим эти резисторы R^. Тогда общая прово-
димость включенных в схему резисторов = 22*/R =>
= (1//?)22*. Но 22* соответствует коду числа х, следовательно,
21/Rh — (1/R)x = kox, где k0 = HR.
‘Таким образом, общая проводимость резисторов, включенных
в схему, а следовательно, и общая сила тока /, как и напряжение на
резисторе Ra, пропорциональны числу хз
IRB — E21/Rh = k0Ex = kx,
Рис. 263
Аналоговый сигнал (1/вык), действующий в течение времени вклю-
чения кодовых сигналов, считывается любым способом и фиксиру-
ется на выходном индикаторе. Затем в схему подаются кодовые
сигналы следующего числа и соответственно изменяется напряже-
ние на выходе схемы и т. д. Таким образом, последовательность чи-
сел преобразуется в аппроксимированный зубчатой кривой 1, а за-
тем в непрерывный аналоговый сигнал (рис. 263, б).
В заключение ^сопоставим основные характеристики электрон-
ных аналоговых и рассмотренных в гл. 29 цифровых вычислитель-
ных машин. .
Основное преимущество ЭАВМ — это простота как самого уст-
ройства машины, так и подготовки (программирования) решения
вадач, а также наглядность получаемых результатов. Преимущест-
вом является то, что ЭАВМ может быть подключена непосредствен-
но к объекту исследования и, таким образом, являться частью самой
экспериментальной установки. При этом сам экспериментатор мо-
жет быть оператором машины. На вход ЭАВМ могут быть поданы
сигналы от датчиков, воспринимающих любые показатели физио-
логических функций организма; таким образом, с помощью ЭАВМ
можно изучить динамические характеристики той или иной функ-
циональной системы организма, определить оптимальные показате-
251
ли ее работы. Значение имеет также возможность исследовать про*
Нессы в замедленном или ускоренном масштабе времени.
Недостатки ЭАВМ: меньшая точность вычислений, ограничен-
ность логических операций и запоминающих устройств, что значи-
тельно сужает круг возможных для решения задач. Поэтому
ЭАВМ чаще являются специализированными, приспособленными
для решения задач определенного класса. Основная область при-
менения ЭАВМ — это решение дифференциальных уравнений с за-
данными начальными условиями, описывающих (моделирующих)
процессы в динамических системах автоматического регулирования
и управления, в том числе и в живых организмах.
ЭЦВМ значительно сложнее по устройству и требует трудоемкой
подготовки (программирования) к решению задач. Однако ЭЦВМ
имеет и многие преимущества. Это прежде всего универсальность,
широкий диапазон решаемых задач не только, вычислительного, но
и организационно-логического характера (автоматические системы
управления, информационные системы и т. п.). ЭЦВМ имеют обшир-
ную (с подключением внешних ЗУ) почти неограниченную память.
Это важно, когда решение задачи связано с большим объемом ис-
ходного материала; например при использовании статистических
методов.
ЭЦВМ может работать в режиме разделения времени, обслуживая
одновременно определенное число пользователей независимо один
от другого. Время работы процессора машины можно разделить на
небольшие интервалы, в течение которых машина (по твердому гра?
фику) предоставляется отдельным пользователям. Пользователи
имеют постоянные каналы связи с машиной и могут находиться от
нре на лкэбом расстоянии.
Работа ЭЦВМ отличается гибкостью и дает возможность изме-
нять программу решения, задачи в самом процессе ее выполнения.
ЭЦВМ обеспечивает возможность отыскания наиболее благоприят-
ных способов решения задачи, возможность «обучения» машины ав-
томатическому выполнению этого приема и, наконец, самоусовер-
шенствования работы по заложенным в машину критериям качеств
ва выполнения задачи.
Универсальные ЭЦВМ второго и особенно третьего поколения
могут работать совместно с различными внешними устройствами,
осуществляющими передачу к машине, подготовку к вводу и выво-
' ду, а также долговременное хранение (запоминание) информации,
- но не входящими в состав самой машины. Эти устройства соединя-
ются с машиной каналами связи в виде специальных кабелей, про-
водов телефонной сети и т. п.
В качестве внешних устройств могут использоваться также и не-
большие ЭЦВМ — спутники, предназначенные для решения более
простых («местных») задач, или абонементные пункты (терминалы)
для ввода и вывода' информации, обрабатываемой на центральной
машине.
Стремление к использованию преимуществ обоих видов вычис-
лительных машин привело к созданию так называемых гибридных
252
ВМ, т, е. аналоговой и цифровой машин, объединенных в единую '
оперативную систему. Аналоговая и цифровая части такой машины
могут работать независимо, решая наиболее подходящие для них
задачи, но могут работать и совместно по общей программе, выпол-
няя отдельные вычислительные операции, которые затем обобщают-
ся с помощью аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобра-
зователей.
Дальнейшим развитием гибридных ЭВМ являются комплексы,
называемые агрегатной системой вычислительной техники (АСВТ).
Такой комплекс содержит универсальный процессор (для обработ-
ки информации как в непрерывной, так и в цифровой формах), внут-
реннее и внешнее ЗУ и различные устройства связи с объектом иссле-
дования. В частности, такая 'АСВТ позволяет вводить в процессор
информацию непосредственно от датчиков, характеризующих со-
стояние объекта исследования. На базе таких систем и организу-
„ ются медицинские информационно-консультативные центры, свя-
занные * общей сетью каналов связи со Многими периферийными
объектами.
Часть VIII
ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКОЙ кибернетики
Глава 31
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИБЕРНЕТИКИ
§ 167. Предмет и метод кибернетики
Кибернетика* — молодая наука, оформившаяся только в 50-е годы теку,
щего столетия. В основу ее были положены накопившиеся к тому времени факты,
указывающие на общий характер закономерностей процессов управления и
связи в различных технических устройствах н живых организмах н возможности
описания их с помощью одного и того же математического аппарата. Первым
трудом, в котором эти вопросы были поставлены как единая проблема и сделана
попытка созданвя для них общей теории, явилась опубликованная в 1948 г.
в США книга американского математика Н. Винера «Кибернетика, или управ-
ление и связь в животном и машине». Этот год и считается датой рождения ки-
бернетики как науки.
В последующие годы произошло бурное развитие кибернетики, продолжаю-
щееся и в настоящее время, в котором получили отражение достижения многих
других наук, особенно математики, электроники и автоматики, нейрофизиоло-
гии и др. Не останавливаясь на этом вопросе, укажем только, что в разработке
основ кибернетики участвовали зарубежные ученые: У. Мак-Келлок, У. Р. Эш-
би, М. Валларт, А. Розеиблют, Ю. Бигелоу, Р. Кариана, А. Тьюринг, Д. Ней-
май, К- Шэинон, Л. Кунфиньял и др., а также советские ученые: А. И. Берг,
В. М. Глушков, А. Н. Колмогоров, А. А. Ляпунов, В. А. Котельников, А. А. Хар-
кевич, в области биологической и медицинской кибернетики — Н. М. Амосов,
П. К. Анохин, Н. А. Бернштейн, Б. В. Гнеденко, В. В. Ларин и др.
Предметом изучения кибернетики являются общие закономерно-
сти организации и управления в системах различной физической
природы: машинах, технических устройствах, живых организмах и
их объединениях и т. п. •
Значение кибернетики заключается в том, что она разрабатыва-
ет принципиально новый подход к изучению явлений, происходя-
щих в окружающем мире, и этим способствует более глубокому по-
знанию объективной реальности — материи.
Под системой в кибернетике понимается совокупность некото-
рых предметов, живых объектов, процессов или явлений и т, п., на-
зываемых элементами системы, объединенных в одно целое выпол-
нением определенной функции, которая заключается в соответству-
ющем воздействии на окружающую среду или другие системы.
В кибернетике обычно рассматривается некоторая абстрактная
система, элементы которой не имеют определенной физической при-
рода; однако характеристики системы в целом отражают основные
* «Кибернетика» в переводе с греческого языка'означает «искусство управ-
лять».
254
черты того или иного достаточно широкого класса конкретных объ-
ектов. Характеристики системы — это ее параметры, существен-
ные для выполнения предназначенной ей функции. Обычно они де-
лятся на входные параметры, или переменные, Хъ Х2, .... Хп, учи-
тывающие внешние воздействия на систему, и выходные Ух,
У2» •••» Уп> характеризующие результирующее состояние или дей-
ствие системы по отношению к внешней среде (рис. 264),
Кибернетика изучает сложные системй, отличающиеся разветв-
ленной структурой из множества элементов, которые, в свою оче-
редь, образуют промежуточные бо-
лее простые иерархически (т. е. сту-
пенчато, при переходе от низших к
высшим) соподчиненные подсистемы.
Кибернетика изучает динамиче-
ские системы, состояние и поведе-
ние которых непрерывно изменяют-
ся под влиянием внешних воздейст-
вий. Состояние динамической си-
стемы характеризуется значениями
ее параметров не только в текущий момент времени, но и в преды-
дущие моменты, а также скоростью их изменения. Итак,
кибернетика изучает организацию и управление* в сложных дина-
мических системах независимо от их конкретной природы.
Обычно эти системы называют управляющими и различают в них
две функционально взаимосвязанные части: управляющую (аппа-
рат управления) и управляемую, или исполнительную (объект
управления), между которыми происходит обмен сигналами, несу-
щими соответствующую информацию (рис, 265).
Информация '
о возмущении из
----->-------
внешней среды
Информация
о состоянии
Уистены .
системы.
Рис. 265
Информация является одним из основных понятий в киберне-
тике. Под информацией (обычно) подразумевают различные сведе-
ния, данные и др., которые человек получает из газет, книг, учеб-
ников, с помощью радио и телевидения и т. п., а также в процессе
общения с другими людьми. Содержание любой науки — это тоже
информация в определенной специальной области. Понятие инфор-
* Управление в общем виде можно определить как процесс изменения сос-
тояния или функционирования сложной динамической системы, необходимый
для выполнения поставленной перед ней целтГили задачи.
255
мации включает также вее те сведения и 'данные об окружающей
среде, включая и данные о еоотояиии самого организма, которые
человек получает с помощью органов чувств и различных нервных
рецепторов. Таким образом, информация является средством по*
знания человеком внешнего мира.
В понятие информации включается также содержание сигналов»
которыми обмениваются животные и растения в процессе их жиз-
недея тел ьностщ
Сигнал —вто материальный ноавтель информации, « помощью которого она
аередается от одного объекта к другому, это звав, который может быть самой раз*
личной физической природы (ом. § loo), но имеет, определенное, обусловленное
заранее значение. Обмев сигналами называют передачей информации.
Однако понятие информации в более широком смысле не огра»
ничивается только живой природой. Большинство философов вчи-
тает, что оно распространяется также и на неживую природу —
—- любое взаимодействие между телами сопровождается переда-
чей информации, хотя последняя в этом случае имеет особую форму.
Такая точка врения сближает понятие информации с универсаль-
ным свойством материн — отражением. Идея , об отражении как
универсальном свойстве материи была высказана В. И. Лениным
(см:‘«Материализм и эмпириокритицизм».—Соч., 5-е изд., т. 18, с, 91).
Отражение — это свойство материальных объектов тем или иным
образом воспроизводить или запечатлевать особенности внешних
воздействий, которым они подверглись. Если учесть, что при этих
воздействиях происходит передача информации, то последнюю можно
рассматривать и как содержание отражения. Тогда подобно отраже-
нию и информация может считаться универсальным явлением.
В таком расширенном представлении информацию можно рас-
сматривать как самостоятельную философскую категорию.
В кибернетике понятие информации кроме его обычной формы
— обмена сигналами между людьми — включает также обмен сиг-,
налами, который происходит в процессе управления между чело-
веком и технической системой (машиной) или внутри самой техни-
ческой системы между ее управляющей и исполнительной частями.
Процесс управления в функционирующей системе начинается с,
поступления в управляющую часть информации о поставленных
перед системой задачах, об условиях (воздействиях) внешней сре-
ды и о состоянии элементов самой системы, включая управляемый
объект. Полученная информация перерабатывается в управляющей
части системы согласно заложенным в иее правилам, в результате
чего вырабатываются управляющие команды, которые в форме со-
ответствующих сигналов передаются исполнительным устройст-
вам и последние, действуя иа определенные параметры объекта уп-
равления, вызывают необходимые изменения состояния или дейст-
вия системы. Информация о результатах выполнения команды по
каналам обратной связи передается к управляющей части и исполь-
зуется при выработке последующих управляющих команд.
256
В общем смысле этого слова обратная связь* — это воздействие
результатов функционирования какой-либо системы на характер
самого функционирования. Появившись сначала в области автомати-
ческого регулирования технических систем (см. § 170), понятие об-
ратной связи распространилось на системы любой природы и стало
»• основной характеристикой кибернетической системы.
Таким образом, еточки зрения кибернетики процесс управле-
ния заключается в приеме, анализе и переработке поступающей в
систему информации и выработке на этом основании управляю-
щих команд, обеспечивающих получение необходимых резуль-
татов.
У животных и человека информация воспринимается с помощью
различных рецепторов, а переработка ее происходят в централь-
ной нервной системе. В технических системах информация воспри-
нимается с помощью специальных приборов — датчиков, а анализ
и переработка ее происходят в соответствующих специальных уст-
ройствах. Закономерности этих процессов в обоих случаях явля-
ются общими. Они и изучаются кибернетикой.
Характерной чертой кибернетической системы является способ-
ность сохранять полученную информацию и, в частности, накап-
ливать опыт — данные предыдущего функционирования. Эту спо-
собность называют памятью системы. Функция памяти осуществля-
ется путем изменения структуры,или состояния-элемеитоЬ системы
(в технических системах это обеспечивается в специальных устрой-
ствах, в головном мозгу человека и животных происходит в резуль-
тате образования устойчивых изменений в нервных клетках или их
группах).
Специфически кибернетическими системами считакй- такие, ко-
. торые способны не только выполнять заданную программу функ-
ционирования или решения поставленной задачи, ИО и при необхо-
димости в зависимости от внешних условий изменять ее или выра-
батывать новую, способны составлять возможные вари-анты реше-
ния задачи и выбирать из них оптимальный по заданным показате-
лям, т. е. системы, в которых может осуществляться переработка
информации, подобная той, которая происходит в центральной
нервной системе человека и высших животных. В кибернетической
системе она производится путем аналогичных вычислительных и
логических операций, доступных только электронным вычисли-
тельным машинам. Поэтому последние обычно входят в состав ки-
бернетической системы, а развитие самой кибернетики тесно свя-
зано • развитием техники ЭВМ;
С понятием о кибернетической системе связан принцип систем-
ного подхода («системного анализа») к изучению еложных систем и
явлений любой природы: технической, биологической, экономичес-
кой и т. д. Системный подход — это методологический прием рас-
смотрения явлений с различных сторон во всем .разнообразии воз-
* С конкретными формами обратной связи мы ужа встречались — см.,
например, $ 22, 48, 58. 164.
® Н. М. Лжвеице» '257
можных окружающих условий. Системный подход опирается на
диалектический закон взаимосвязи и взаимообусловленности явле-
ний и требует рассматривать явления и объекты не только как са-
мостоятельные системы, но в то же время и как подсистемы некото-
рой большей системы. Системный подход требует учета как внут-
ренних связей системы, так и внешних связей данной системы с дру-
гими системами или окружающей средой.
Основным методом исследования в кибернетике является мате-
матическое моделирование. ' ‘
Моделированием вообще называется метод исследования, при
котором действительный объект изучения (предмет или явление)
вследствие сложности его непосредственного исследования заменя-
ется другим, во всем подобным ему, но более доступным, который и
называется его моделью. Во многих случаях пользуются моделью,
сходной с оригиналом по внешним признакам, но отличающейся по
внутреннему строению. Такая модель называется изоморфной.
Модели делятся на физические и математические.
Физическая модель одинакова по природе и точно воспроизво-
дит оригинал, отличаясь от него только масштабными коэффициен-
тами, представляющими соотношение соответстующих параметров
модели и оригинала.
Математическая модель — это абстракция, описание оригина-
ла математическими символами,' практически — это совокупность
математических соотношений, описывающих изучаемое явление.
Математическая модель является частным случаем информаци-
онной модели, под которой понимают описание оригинала любым
способом: словесно, письменно, с помощью рисунка или чертежа
и т. п. Наконец, моделью в самом общем смысле можно назвать мыс-
ленное представление об оригинале («образная модель»).
Промежуточной формой между физической и математической j
моделями является аналоговая модель (или, как ее часто называют,
математическая модель прямой аналогии). Аналоговая модель*
— это явление любой другой физической природы, чем оригинал
но описываемое таким же математическим аппаратом (одинаковая
форма уравнений и однозначные соотношения между входящими
в них параметрами.) Обычно в виде аналоговых моделей использу-
ются электрические явления, математическое описание которых
сходно с.оригиналом, например электрические и механические ко-
лебания, процессы в электрических' цепях и гидродинамических
системах и т. п.
Математическая модель процесса — это чаще всего дифферен-
циальные уравнения той или иной сложности, в которых пере-
менными являются искомые параметры, характеризующие состояние
системы, а коэффициенты при них и различные постоянные зависят
от Свойств-исследуемой системы и воздействий, оказываемых на сис-
тему внешней средой. Исследование математической модели заклю-
* Идея аналоговой модели была положена в основу устройства аналоговых
вычислительных машин.
258
чается в решении этих уравнений, т. е. определении значений пере-
мейных для тех или иных заданных условий.
Исследование математических моделей обычно делается а по-
мощью ЭВМ, аналоговых или цифровых. Путем многократного ре-
шения уравнений модели с данными, соответствующими различным
внешним воздействиям, можно установить зависимость состояния
или поведения системы от внешних воздействий, найти оптималь-
ные условия ее функционирования и т. и. Таким образом, можно
осуществить полное исследование системы, причем в значительно ,
более широких пределах (включая даже аварийные режимы), чем
это возможно в условиях действительного эксперимента о ориги-'
налом.
Исследование математических моделей с помощью ЭВМ называют
математическим экспериментом или машинным моделированием
и часто применяют при изучении функционирования динами-
ческих систем и процессов управления.
При изучении систем, особенно в тех случаях, когда основное
значение имеет не внутреннее устройство, а поведение системы при
тех или иных внешний воздействиях, применяется метод «черного
ящика». Черным ящиком называется система, заданная совокуп-
ностью входных и выходных данных, внутренняя структура кото-
г рой, а также протекающие в ней процессы, неизвестны. Однако мо-
<ут быть установлен^ изменения выходных данных, соответствую-
щие изменению входных величин при тех или иных условиях. Это
позволяет составить представление о свойствах системы и поведе-
нии при некоторых внешних воздействиях, хотя и не дает основа-
ний для однозначного вывода об ее внутреннем устройстве.
Основная задача при исследовании системы по методу черного
ящика заключается в том, чтобы установить, например, путем дли-
тельного наблюдения или эксперимента характер функции, кото-
рая связывает соответствующие выходные и входные параметры.
Такая функция называется передаточной функцией системы. На-
nprfbep, в простейшем случае, если входной Рг и выходной Р2 па-
раметры системы связаны линейной зависимостью, передаточной
функцией является постоянный по величине коэффициент k =
— PJPi- Если поведение системы описывается дифференциальным
уравнением, то передаточная функция является сложным выраже-
нием и находится с помощью специальных математических прие-
мов.
Метод черного ящика применяется, в частности, при решении
задач моделирования управляющих систем.
Кибернетику можно разделить на теоретическую, изучающую
общие закономерности, и прикладную, в которой рассматриваются
приложения этих закономерностей в различных сферах знания или
в различных областях практической деятельности человека (кибер-
нетика биологическая, техническая, экономическая, медицинская
и т. д.).
В кибернетике широко используется математический аппарат
как классической, так и современной математики: математический
&•
259
анализ (дифференциальное и интегральное исчисление), теория ве-
роятностей и математическая статистика, теории множеств, опера-
ционное исчисление, а также такие специальные методы, как тео-
рия графов и сетей, теория игр и др,
§ 168. Элементы теории информации
Теория информации — это наука о математическом описании и ме-
тодах преобразования, передачи и хранения информации.
Основным понятием в теории информации является сообщение.
Сообщение — это информация о событии, зафиксированная в фор-
ме определенного сигнала; событием называется состояние рассмат-
риваемой системы в некоторый момент времени. Основной характе-
ристикой сообщения является количество информации, которое в
нем содержится.
В теории информации рассматриваются сообщения о некоторых
событиях, которым присуще известная неопределенность в том
смысле, что наступление их не является предрешенным, а имеет слу-
чайный характер*. При этом теорию информации интересует не кон-
кретный характер самих событий, а только то обстоятельство, на-
сколько полученное сообщение уменьшает неопределенность све-
дений о том, произошло данное событие или нет.
Если неопределенность сведений о некотором событии до полу-
чения сообщения о нем обозначить Ав, а после получения сообще-
ния Ди, то количество информации, содержащееся в сообщении,
равно
/ = Лн — А и.
Если сообщение внесло полную определенность (событие произо-
шло), то А„ — 0 и /. = Ав, т. е. количество информации, содержа-
щееся в сообщении, равно неопределенности, которая устранена в
результате его получения;
Если событие достоверное (единственно возможное), то сообще-
ние о нем не содержит информации: 1 = 0. Наоборот, сообщение
о маловероятном событии содержит информацию и тем большее
ее количество, чем меньше вероятность события. Таким образом,
чем меньше вероятность некоторого события, тем большее коли-
чество информации содержит сообщение о том, что оно произо-
шло.
Однако вероятность события соответствует и вероятности сооб-
щения о нем, поэтому можно сказать и так: чем меньше вероятность
сообщения о некотором событии, тем большее количество инфор-
мации это сообщение содержит.
Приведем «классический» пример: в сообщении из роддома.о том,
что у данной женщины родился ребенок, количество информации
* В теории Информации рассматриваются преимущественно случайные
события массового характера, поэтому в ее математическом аппарате значи-
тельное место занимают теория вероятностей и математическая статистика.
260
близко к нулю (событие достоверное); сообщение о том, что родил-
ся мальчик или девочка, уже содержит некоторое количество ин-
формации (одно из двух равновозможных событий); еще большее
количество информации будет содержаться в сообщении о том, что
родилась двойня, и еще большее о том, что родилась тройня (собы-
тие маловероятное). Итак, чем меньше вероятность некоторого со-
общения, тем большее количество информации оно содержит.
В теории информации принимается, что количество информации
Ц, содержащееся в сообщении i, пропорционально,или равно (в Со-
ответствующих единицах) лога-
рифму величины, обратной ве-
роятности pt сообщения:
Il = log2 (1/р<) = — log2 Pl. (1)
Обычно используется двоич-
ная система логарифмов в соот-
ветствии с двоичной системой
исчисления, используемой в вы-
числительной технике. (Индекс
•основания логарифма в дальнейшем обозначаться не будет.) График
соотношения (1) показан на рис. 266.
Как известно, вероятность одного из двух равновозможных со-
бытий равна половине: Р(А) — Р(Б) = 1/2. Следовательно, коли-
чество информации, содержащееся в сообщении о подобном собы-,
тии, 1А = 1б — — log (1/2) = 1.
Это количество информации, принято за единицу и названо бит
(бит — сокращение от английских слов «двоичная цифра»). Таким
образом,
бит — это количество информации, содержащееся в сообщении
о том, что произошло одно из двух равновозможных событий.
В теории источник информации задается в виде множества воз-
можных сообщений xlt х2, .... xh, следующих одно за другим в слу-
чайном порядке с вероятностями рг, р2, .... ph соответственно. В
этом -случае среднее количество информации, приходящееся на
одно переданное сообщение, определяется по формуле
К, Э. Шеннона:
k ь
<0 =2 Pt Jog (1/р<)=—2р«,о§ Рг- (2)
1 1
Пример. Предположим, что два события А и Б имеют вероятности
Р (Л) = 3/4 и Р (В) = 1/4. Какое количество информации несут сообщения
о них?
Для сообщения А: 1 (Л) = —log (3/4) = 0,42 бита; для сообщения В:
7 (Б) — —log (1/4) = 2,00 бита. Среднее количество информации на одно сооб-
щение:
2
</> = — 2 Pi \ogpi = (3/4 0,42)+(I /4-2,00)]=0,В1бита.
1 '
261
В соответствии со сказанным выше величина <7> может быть рас-
смотрена как мера неопределенности сведений об источнике инфор-
мации, которая имела место до приема сообщений и была устране-
на noc^ie их получения. Эту меру неопределенности называют энт-
ропией* Н источника информации, приходящейся на одно сообще-
ние, и считают эту величину его характеристикой.
Таким образом, энтропия Н источника на одно сообщение
Д= — SPilogp,. (3)
i
Как видно из выражений (2) и (3), количество информации </>
и энтропия Н представляют величины численно равные, но по
смыслу противоположные.
Энтропии можно дать также другую формулировку: энтропия
есть мера неопределенности (неупорядоченности, многообразия)
ситуации, связанной с наличием определенного множества возмож-
ных сообщений, и измеряется она средним количеством информа-
ции, приходящимся на одно из этих сообщений.
Для источника с единственно возможным сообщением, вероят-
ность которого приближается к единице (pt~>l), энтропия стре-
мится к нулю (Н -> 0).
Если все k возможных сообщений источника равновероятны
(pt — 1/Хг), то его энтропия Н принимает максимальное значение:
k k
tfmax = 2 Pi |O§ = ,0§ k = |C8 k'
1 1
k
так как У,
i
Поскольку, как указывалось, каждому сообщению соответствует
одно из возможных состояний источника, максимальная энтропия мо-
жет служить мерой сложности и организованности системы, являю-
щейся источником информации. Чем сложнее и менее организована
система, тем больше число ее возможных состояний и соответственно
величина максимальной энтропии. По этому признаку системы делят-
ся на простые, сложные и очень сложные. Деление это весьма условно
и употребляется в сравнительном смысле, тем более, что сложность
одной и той же системы (или явления) зависит от уровня, на котором
она рассматривается. Например, двигательный акт является весьма'
простым явлением с точки зрения механического эффекта, более слож-
ным при учете биохимических процессов, происходящих при этом в
мышце, и весьма сложным с точки зрения молекулярных механизмов
этих процессов.
По характеру .связей между выходными и входными параметрами
динамические системы делятся на детермированные и вероятностные
(стохастические). В детермированных системах эта связь вполне оп-
* По аналогии с физикой, где энтропия характеризует степень неупорядо-
ченности состояния физической системы (см. § 89).
262
ределенная: каждое изменение входных параметров вызывает соответ-
ствующее изменение выходных. Причинно-следственные отношения
между элементами внутри системы однозначны. В вероятностных сис-
темах причинно-следственные связи между элементами системы
многозначны и потому определенное соотношение между выходны-
ми и входными данными отсутствует, между ними можно установить
только некоторые вероятностные соотношения,
Уровень организации, или определенности (детермированности),
системы характеризуют разностью между максимальной энтропией
/7тах, которой соответствует наименьшая определенность, и средней
энтропией на одно состояние На. У. Эшби предложил услов-
ный показатель уровня детерминированности системы'.
Ъ = (^тах ~ Н3)/НтЛ1 = 1 - Я./Ята1.
Если R — 1,0 — 0,3, то система детермированная; R=0,3—0,1 —
вероятностно-детермированная; R < 0,1—вероятностная (стохасти-
ческая).
§ 169. Передача информации
Как указывалось в § 167, материальный носитель информации (со-
общения) называется сигналом. С помощью сигналов информация пе-
реносится в пространстве и сохраняется во времени. Сигналы могут
быть самые разнообразные по природе и форме: световые, звуковые,
электрические, магнитные (намагничение), химические, температур-
ные и т. п.; в живых организмах — в форме нервных импульсов или
биохимических реакций и т. д. Соответственно различаются и среды,
в которых происходит передача сигналов. Однако, несмотря на разно-
образие возможных конкретных форм сигналов и сред, в которых они
передаются, законы передачи, приема и переработки информации, но-
сителями которой они являются, едины. Эти законы и изучаются тео-
рией информации.
Процесс хранения информации называют запоминанием или па-
мятью. Память у человека и высших животных является функцией
головного мозга. Существуют также и различные специальные запо^
минающие устройства — библиотеки, фильмотеки, дискотеки, и т. п.
Процесс запоминания информации в общем виде может быть осу-
ществлен путем условного отображения ее в свойствах, конфигура-
ции или расположении специально выбранных для этого физических
тел или сред, а также с помощью специальных технических приборов.
Запоминающие устройства являются одним из основных устройств и
в вычислительных машинах.
Информация обычно передается к потребителю, сохраняется в за-
поминающих устройствах или перерабатывается в вычислительных
машинах в форме специальных символов, наиболее удобных для пере-
дачи или переработки. Эти символы преобразуются затем в физические
сигналы. Система таких символов называется информационным кодом
или просто кодом. Можно сказать, что код — это условный язык для
более удобного представления информации. Сообщение при этом при-
263
нимает форму последовательности определенных кодовых символов.
Совокупность символов, составляющих данный код, называется его
алфавитом.
Преобразование сообщения в символы кода делается обычно в са-
мом источнике информации и называется кодированием (соответствую-
щее устройство — кодером), на стороне потребителя осуществляется
обратный процесс — декодирование (преобразование символов кода
в обычную форму сообщения с помощью декодера).
Если сообщение имеет дискретную форму, т. е. представляет по-
следовательность конечных значений какой-либо величины, то оно
обычно передается или запоминается с помощью цифрового кода. Ес-
ли сообщение представляет непрерывную последовательность множест-
Помехи
Рис. 267
ва значений какой-либо величины, т. е. имеет непрерывную форму,
то и сигнал, с помощью которого оно кодируется, имеет также непре-
рывный характер.
Информация, имеющая непрерывный характер, часто предвари-
тельно преобразуется в дискретную форму (см. § 166), которая преиму-
щественно и рассматривается в теории информации.
Теория информации изучает условия оптимального кодирования,
т» е. выбора кода, при котором, во-первых, обеспечивается минималь-'
ная избыточность сообщений (наличия в сообщении знаков, не несу-
щих полезной информации) и, во-вторых, для передачи сообщений за-
данного характера требуется наименьшее количество сигналов. Пер-
вое можно пояснить путем сравнения любого текста, составленного
разговорным языком, а затем преобразованного «телеграфным стилем»;
при том же количестве информации в первом случае текст получается
ц 1,5—2 раза длинее — это и есть избыточность сообщения. Второе
можно проиллюстрировать на примере телеграфного кода Морзе (код,
состоящий из сочетаний' точек и тире), в котором часто встречающиеся
буквы передаются короткими сочетаниями знаков кода, а более ред-
ко встречающиеся — длинными.
Закодированная информация передается от источника сообщений
к потребителю или к запоминающему устройству через какую-либо
промежуточную среду в виде соответствующих физических сигналов.
Совокупность технических средств, с помощью которых осуществля-
ется этот процесс (включая и саму промежуточную среду), называется
каналом связи. Схема передачи информации показана на рис. 267. В
общем случае каналом связи может служить любая среда (включая ва-
куум), через которую передаются сигналы, несущие информацию, а
в теории информации рассматриваются математические соотношения,
характеризующие этот процесс.
264
&
SF <
В
Поскольку передача информации происходит в форме электричес-
ких сигналов, наиболее распространенными каналами связи, кото-
рые могут быть использованы также и для передачи медицинской ин-
формации, являются главным образом различные телеграфные и те-
лефонные воздушные и кабельные линии, линии беспроволочной (ра-
дио) связи и т. п.
Для примера на рис. 268 показана схема передачи электрокардиограммы
в диагностический центр Ц (см. § 182) по обычному городскому телефону. Для
этого к усилителю электрокардиографа ЭКГ подключается специальная прис-
тавка; н ней вырабатывается опорное напряжение, которое модулируется сиг-
fe,
Ка>’4'
Линия
Телефонный
узел
Рис. 268
’ налами ЭКГ и передается иа телефонный выход Т. К нему вплотную пристав-
_ ляется трубка At обычного телефонного аппарата сноим микрофоном М (пред-- •
варительно обычным путем телефонная линия соединяется с пунктом, куда пе-
редается ЭКГ). В пункте приема телефонная Трубка At приставляется своим теле-
фонным концом к приемному устройству М, в котором принятые колебания де-
модулируются и сигнал ЭКГ передается на регистрирующее устройство Р (при
етом часто используется регистрирующая часть электрокардиографа и тогда
аапись принимает и ид обыч-
электрокардиограммы). г—;—I Гу~1. '
« напряжение имеет LS±J
НОЙ !
Опорное напряжение ________
частоту порядка 10—20 кГц,
поэтому передаваемые ЭКГ не
мешают обычным телефонным
переговорам.
По одному каналу ин-
формация передается толь- | Сп
ко от одного источника к
к5
Кз
Кп
одному потребителю. Одна-
Рис. 269
ко одна и та же промежу-
точная среда (например, телеграфная и телефонная линия) может
быть использована для одновременной и независимой передачи ин-
формации между несколькими источниками и потребителями. Такая
передача информации, или связь, называется многоканальной. Много-
канальная связь может быть осуществлена путем разделения каналов
или по частоте, или по времени.
В первом случае (рис. 269) отдельные сообщения Сх, С2, ..., Сп ко-
дируются сигналами в различных неперекрывающихся интервалах не-
сущей частоты (генераторы Kt, .... Кп) и через суммирующее уст-
265
ройство поступает в общую линиЛ Л связи. На выходе линии они раз-
деляются полосовыми фильтрами Ф1( Ф2,Фп, декодируются ДКХ—
— ДКп и поступают каждое к соответствующему потребителю —
- Ип).
Во втором случае — при разделении каналов по времени — на пе-
редающем пункте имеется специальное устройство — электронный
коммутатор, который поочередно (с частотой порядка нескольких ки-
логерц) подключает к линии каждый из источников сообщений. На
приемном пункте аналогичный коммутатор в таком же порядке под-
ключает к линии получателей сообщений. Благодаря относительно
низкой частоте сигналов физиологической информации она при этом
передается без искажений. В теории информации рассматривается в
основном двоичный цифровой код, алфавит которого состоит из двух
символов — цифр О и 1. Если средняя длина кодового слова составля-
ет т символов, то с помощью такого кода можно передать общее чис-
ло N — 2т равновозможных слов или сообщений. Отсюда т = log JV.
Из сопоставления этого соотношения с определением энтропии (см.
с. 262) следует, что среднее число т кодовых символов в сообщении рав-
но максимальной энтропии: т = log N — Нтах, или максимальному
количеству информации, которое оно может содержать.
Согласно определению (см. с. 261), количество информации—бит —
соответствует выбору между двумя фавновозможными сообщения-
ми, т. е. одному шагу двоичного выбора или одному символу двоично-
го кода. Тогда среднее количество информации в сообщении (или энт-
ропия источника), выраженное в битах, равно среднему числу шагов
двоичного выбора на одно сообщение или среднему числу символов в
его кодовой записи.
Отсюда следует, что бит можно определить как среднее количество
информации, содержавшемся в одном символе записи сообщения в дво-
ичном коде.
Среднее количество информации, передаваемое по каналу связи в
единицу z времени, называется скоростью передачи информации и вы-
ражается в битах в секунду (бит/с). Она зависит от физической скорос-
ти передачи по каналу сигналов (кодовых символов, в которых инфор-
мация передается) и среднего количества информации, содержащегося
в каждом символе.
Для алфавита кода, состоящего из L символов, при среднем числе
т символов в сообщении наибольшее количество N сообщений, кото-
рое может быть передано с помощью этого кода, равно N — Lm. Если
t — среднее время передачи одного сигнала (символа), то среднее
время передачи сообщения Т = mt, откуда т = T/t. Подставляя на-
ходим
W = Lm = = 1JT,
где р = \/t — средняя скорость передачи одного сигнала или симво-
ла (сигн./с или симв./с).
Если среднее количество информации, или энтропия, на одно со-
общение равно Н, то средняя скорость s передачи информации состав-
ам
ляет s = ШТ. При равновероятных сообщениях максимальная ско-
рость передачи информации
smax = H^JT = (log N) IT - (pr log L) IT = P log L,
Максимальная скорость передачи, т. е. максимальное количество
информации, которое может быть передано по каналу связи в едини-
цу времени при равновероятных сообщениях, называется пропускной
способностью канала и представляет его основную характеристику.
Пример. Информация передается двоичным цифровым кодом (L = 2)
в виде электрических импульсов длительностью 10~6с. Пропускная способность
канала smax. = ₽ log L — (1/10-S) log 2 = IO8 бит/о.
При передаче по каналам связи могут происходить искажения
формы сигнала, например в простейшем случае — убывание по амп-
литуде (затухание) вследствие потери мощности. Кроме того, на пере-
даваемый сигнал могут влиять посторонние сигналы или воздействия,
называемые помехами, что также искажает его форму и, следователь-
но, нарушает достоверность передачи закодированного в ием сообще-
ния. Источниками помех в самих устройствах связи, могут быть: фон
частотой 50 Гц от источников питания переменного тока, собственные
шумы сопротивлений, ламп и полупроводниковых приборов, погреш-
ности в датчиках и преобразователях информации и т. д., сигналы со-
седних передатчиков, промышленные установки, линии электропере-
дач, атмосферные разряды и т. п/Все эти явления объединяются об-
щим названием «собственный шум канала связи», и качество последне-
го характеризуется коэффициентом, равным отношению интесивностей
передаваемого сигнала и собственного шума (сигнал/шум) по деци-
бельной шкале. Чем больше, это соотношение, тем выше качество ка-
нала связу.
При наличии помех в канале связи сигнал х' на выходе канала вос-
производит сигнал х. на входе только о некоторой ошибкой о, имеющей
характер случайного неконтролируемого события: х’ = х + о. Реше-
шие вопроса о том, как учесть эту ошибку в заданных условиях кана-
ла передачи, а также как определить количество информации 7*-, со-
держащееся в сообщении х', если известно количество информации
1Х в сообщении х, составляет одну из основных задач теории информа-
ции. Для борьбы с помехами в каналах связи принимаются различные
меры, целью которых является или устранение (ослабление) самих ис-
точников помех, или снижение их мешающего действия. Помехоустой-
чивость является одним из основных показателей качества канала свя-
зи.
Передача информации по каналам связи в той или иной форме про-
исходит в любых системах автоматического регулирования (см. § 170),
в любых кибернетических устройствах, и, в частности, в самих ЭВМ.
Во всех этих случаях при проектировании приспособлений для при-
ема, хранения и передачи информации используются те или иные дан-
ные теории информации. Однако наибольшее практическое значение
эти данные имеют при передаче информации на большие расстояния,
например при телеметрии (см. § 143), а также при организации инфор-
мационно-вычислительных центров и информационно-справочных
систем.
Информационно-вычислительный центр (ИВЦ) — это основное структурное
подразделение автоматизированной системы управления (АСУ) предприятием,
учреждением и т. п. или их производственными или территориальными объеди-
нениями. АСУ— это принципиально новая система управления, основанная
на применении современных математических методов и технических средств
автоматической обработки информации при учете, анализе, планировании и орга-
низации во всех аспектах их деятельности (см. § 182).
Автоматизированная информационно-справочная система (АИСС) представ-
ляет самостоятельное учреждение (или подразделение в каком-либо другом уч-
реждении), выполняющее задачи сбора, хранения и переработки информации
справочного характера в определенной области с целью обеспечения пользова-
телей АИСС необходимыми им снедениями. Необходимая информация заклады-
вается в ЗУ АИСС при ее организации и затем пополняется в процессе функцио-
нирования. ЗУ, в котором хранится основной массив информации, является ос-
новой АИСС. АЙСС состоит из достаточно емкого ЗУ и ЭЦВМ с устройствами
ввода и вывода Информации, обеспечивающей переработку и выдачу пользова-
телям необходимых справок.
§ 170. Системы автоматического регулирования
Управление и регулирование — это процессы изменения состояния
или функционирования системы в желательном (заданном) направле-
нии. Обычно управление •рассматривают как более сложный и целе-
направленный процесс, состоящий из последовательного ряда более
простых актов- регулирования.
Простейший вид регулирования — это прямое регулирование, при
котором человек-оператор с помощью управляющей части системы воз-
действует непосредственно на ее исполнительную часть, вызывая в
системе желательные изменения. Поскольку в реальных условиях на
систему могут действовать неизвестные заранее внешние воздействия,
или возмущения, от оператора требуется непрерывное наблюдение за
системой и регулирование ее для компенсации последствий этих воз-
мущений (пример: ручное управление любым видом транспорта).
Однако подобная функция может осуществляться и без участия че-
ловека: с помощью специального устройства — автоматического ре-
гулятора. Именно автоматическое регулирование пользуется в настоя-
щее время наибольшим распространением.
Автоматическое регулирование — это процесс поддержания с по-
мощью соответствующий устройств и приспособлений (без участия
человека) режима состояния или функционирования системы со-
гласно заданным условиям при наличии непредвиденных внешних
воздействий.' _ <
При автоматическом регулировании применяются два основных
метода: регулирование по возмущению и регулирование по отклонению
(или по рассогласованию).
Если характер возмущения, т. е. внешних воздействий на систему,
известен или оно может быть непосредственно измерено, то система
регулирования содержит устройство, учитывающее это возмущение
и вырабатывающее в управляющей части компенсирующие команды
(рис. 270, а).
Развитием этого метода является предупредительное регулиро-
вание. Оно заключается в том, что в случаях, когда в результате ана-
лиза ситуации, в которой находится система, можно предвидеть соот-
ветствующее возмущение, регулирующее воздействие вырабатывает-
ся заранее и таким образом предупреждаются возможные последствия
от действия возмущения. В подобной системе в управляющей части
имеется особое прогнозирующее устройство, анализирующее ситуа-
цию, при которой возможно появление того или иного возмущения
(рис. 270, б). Обычно основой такого устройства является ЭЦВМ.
°)
Измерительное
устройстро
Возмущение
Исполнитель- Выход
пая часть *
Задание Управляю-
-----> щая
часть
Управляющий
сигнал
(команда)
I
- Ситуация
♦ '
Исполнитель-
ная часть
Рис. 270
Выход^
Регулирование по возмущению имеет ограниченное распростране-
ние, так как в реальных условиях предвидеть появление возмущения
или его характер далеко не всегда возможно.
Более универсальным и распространенным является регулирова-
ние по отклонению. Основная идея его заключается в том, чтобы ис-
пользовать сами отклонения системы от определенного режима для
формирования управляющего воздействия, компенсирующего это от-
клонение. Это достигается при помощи отрицательной обратной свя-
зи, наличие которой характерно для любых систем автоматического
регулирования по отклонению. В этом случае в управляющей части
системы происходит сравнение действительного значенйя выходного
параметра, характеризующего режим системы, с введенными на вход
управляющей части его заданными значениями. При наличии разнос-
ти указанных значений вырабатывается регулирующее воздействие,
компенсирующее происшедшее отклонение.
В системе автоматического регулирования по отклонению проис-
ходит круговой обмен информацией: от управляющей части (регуля-
тора) к исполнительной части посылаются команды, устанавливающие
определенный режим функционирования системы; сигналы с выхода
системы о фактических данных режима и работы, воспринятые соот-
26?
ветствующими датчиками, передаются через цепь обратной связи на
вход управляющей части системы. Последняя содержит аппарат срав-
нения полученной информации о заданными величинами (рис, 271),
в котором устанавливаются знак и величина разности между ними (ре-
гулирование по рассогласованию, или по ошибке) и вырабатываются
корректирующие управляющие команды, устраняющие имеющие мес-
то отклонения.
Системы автоматического регулирования по отклонению делят на
следующие виды: 1) системы стабилизирующиеся, 2) системы, рабо-
тающие по программе, 3) следящие системы.
Выходные данные
Рис. 271
Назначение стабилизирующихся систем — поддерживать посто-
янное (заданное) значение одной или нескольких регулируемых ве-
личин с определенной степенью точности при произвольно меняющих-
ся внешних воздействиях (например, устройство для поддержания по-
стоянной скорости вращения электрического генератора). Как уви-
дим ниже, стабилизирующее регулирование имеет место во многих
системах живых организмов (см. § 174).
Принцип автоматического регулирования по программе заключа-
ется в том, что в управляющую часть заранее вводится программа,
т, е. совокупность заданных величин или данных, характеризующих
режим исполнительной части, которые должны быть реализованы на
выходе системы. Сигналы обратной связи с выхода системы поступа-
ют в управляющую часть, где сравниваются с данными программы и
в соответствии с результатами сравнения вырабатываются управляю-
щие команды. Автоматическое регулирование по программе широко
распространено в современной технике (автоматическое управление
станками, конвейерными линиями, движением кораблей, самолетов и
т. п.).
В следящих системах также происходит регулирование по откло-
нению, но данные, в соответствии с которыми регулируются выходные
сигналы, поступают на вход системы не в виде заранее составленной
программы, а в виде некоторых величин (сигналов), изменяющихся
во времени по произвольному закону. При этом выходные величины
(сигналы) воспроизводят сигналы, поступающие на вход, с заданной
степенью точности, например система управления рулем корабля, при
которой соответствующее механическое устройство повторяет поворо-
ты управляемого вручную штурвала.
§ 171. Экстремальное регулирование.
Оптимальное и адаптивное управления
В рассмотренных выше случаях перед системой ставилась задача
поддержания выходных параметров системы в соответствии с их задан-
ными значениями. При экстремальном регулировании перед системой
ставится более сложная задача — отыскание и поддержание такого
режима функционирования, который обеспечивает (в условиях непред-
виденных внешних воздействий на систему) экстремальное, т. е. мак-
симальное или минимальное, значение некоторых заданных величин
а)
Оптимизатор
Критерий
оптимиза- Л—Л
ции Г
. Управляющим
Управляющая сигнал
часть (команда)
Канал обратной связи
Возмущение
Исполнитель- Выход
ная часть
Выходные данные
Рис. 272
на выходе системы. Эта задача решается с помощью специального уст-
ройства, называемого оптимизатором (рис. 272, а). На выходе регули-
руемый системы в этом случае имеется прибор, измеряющий в диск-
ретные моменты времени значения регулируемой величины, которые
передаются на оптимизатор. Оптимизатор их анализирует и с помощью
управляющей части системы вырабатывает необходимые команды. Ос-
новной метод работы оптимизатора — шаговый поиск.
Шаговый поиск (простейший пример: поиск в определенном направ-
лении) заключается в том, что регулируемой величине у сообщается
приращение Аг/ случайного знака; изменившееся значение у' =
= у 4 Аг/ сравнивается с предыдущим, записанным в памяти опти-
мизатора. Если приращение Аг/ соответствует желательному направ-
лению изменения у, то следующее приращение А//( дается с тем же зна-
ком и поиск продолжается до тех пор, пока регулируемая величина
не достигнет экстремального значения. Если при очередном сравне-
нии окажется, что приращение Аг/( не соответствует желаемому направ-
лению изменения у, то следующее приращение Дг/,: дается уже с про-
тивоположным знаком и т. д. Таким путем отыскивается и поддержи-
вается искомое экстремальное значение регулируемой величины.
271
В качестве оптимизатора часто применяется специализированная
ЭЦВМ.
Оптимальное управление — это управление сложным объектом,
основанное на таком же принципе. В этом случае перед системой ста-
вится задача обеспечить экстремальное значение некоторого обобщен-
ного показателя (критерия) качества или эффективности функциони-
рования системы, связанного с ее выходными данными (например, для
производственного предприятия — производительности, себестоимос-
ти, расхода материала и т. п.). При.этом на основании измеренных вы-
ходных данных вычисляется текущее значение этого показателя, по-
ступающее затем в оптимизатор, в котором и вырабатываются соот-
ветствующие управляющие команды (см. рис. 272, а).
В рассмотренных системах основная программа (алгоритм) функ-
ционирования системы в процессе регулирования не. изменялась. Ре-
гулированием обеспечивалось только поддержание или оптимизация
выходных данных при действии на систему непредвиденных заранее
возмущений. Однако существует класс систем, в устройстве которых
заложена возможность автоматического изменения самого алгоритма
функционирЪвйния с целью улучшения качества последнего в задан-
ном отношении или приспособления системы к резко изменившимся
условиям. Автоматическое регулирование в этих системах называется
адаптивным («приспосабливающимся») управлением, а сами системы —
самоприспосабливающимися или адаптивными. В свою очередь, они
делятся на виды: самонастраивающиеся и самоорганизующиеся,
обучающиеся и самообучающиеся, самосовершенствующиеся и т. д.
Остановимся только на одном виде систем, наиболее важном и исполь-
зуемом на практике: обучающиеся и самообучающиеся системы (дру-
гие находятся только в стадии разработки).
В обучающихся (и самообучающихся) системах критерий оптималь-
ного функционирования заранее не вводится, он вырабатывается са-
мой системой в процессе обучения при выполнении задач определен-
ного круга. Для этого в систему заранее вводятся основные правила
(алгоритм) поиска оптимального решения, в соответствии с которыми
система сама находит необходимую последовательность операций, ко-
торую запоминает н использует в дальнейшем в аналогичных случаях.
Алгоритмы работы обучающихся систем строятся на методах «проб и
ошибок», шагового поиска и «отбора вероятностей».
При методе проб и ошибок система сначала выдает в значительной
мере случайные и далеко не совершенные решения поставленной за-
дачи. В процессе обучения работа системы контролируется операто-
ром, который в форме, «понятной» для данной системы, отмечает пра-
вильность или неправильность даваемых ею решений. Решения, по-
лучившие положительную оценку, записываются в памяти системы
и затем, когда ей встретится .подобная же задача, восстанавливаются
из памяти, и система дает сразу правильное решение.
Поясним это на примере. Допустим, что на входе машины имеют-
ся сигналы alt а2, .... at, .... ап и на выходе при этом могут быть
Ь2, .... Ъ}, .... bn. Задача машины — установить соответствие меж-
ду ними так, чтобы при определенном сигнале at на входе появлялся
.272
обязательно сигнал bt. Машине задан алгоритм последовательного
опробования всех возможных комбинаций между сигналами а и Ь, сре-
ди этих комбинаций обязательно окажется'совпадение at и bj, при ко-
тором оператор вводит в машину сигнал «поощрения» и машина запи-
сывает эту комбинацию в памяти. 'Наконец в памяти будут записаны
все необходимые комбинации и машина на любой сигнал на входе бу-
дет давать бе/ошибочно соответствующий сигнал на выходе.
В этом случае при шаговом поиске система делает пробные шаги для
решения задачи в произвольных (случайных) направлениях. Полу-
чив при удачном шаге поощрение, система делает следующий шаг в
этом же направлении. При неудачном шаге система возвращается в ис-
ходное положение. Так постепенно находится -весь путь решения зада-
чи, который запоминается и затем используется в аналогичных случа-
ях.
При обучении системы могут использоваться не только сигналы
«да» и «нет» (правильно и неправильно), но и сигналы, оценивающие
в условном коде близость (вероятность)ютвета, данного системой, к ис-
комому, а также направление (знак), в котором онр отличается. Это
запоминается системой, и в дальнейших случаях она делает поиск бо-
лее быстро и целенаправленно. Это называется методом отбора веро-
ятностей.
Таким образом, при всех методах обучение системы основано на
накоплении в памяти и использовании в дальнейшей работе опыта,
полученного системой в аналогичных случаях в процессе.обучения.
Поэтому обучение должно касаться всех вопросов, возможных в сфе-
ре использования данной системы. Это требует длительного и разно-
образного обучения, которое заканчивается только тогда, когда ма-
шина начинает самостоятельно выдавать достаточно достоверную ин-
формацию.
На рис. ~272, б показана схема обучаемого автомата оптимального
управления. В нем имеются: блок накопления опыта (память) 77, в
котором фиксируются связи между возмущениями и ответными дей-
ствиями, одобренными в процессе обучения, и блок СМ, в котором
этн данные сопоставляются с данными от оптимизатора и вырабаты-
вается общий сигнал, поступающий в управляющую часть сис- 4
темы.
Обучаемые машины имеют большое распространение; они разли-
чаются как по степени сложности, так и назначению. К этим маши-
нам относятся роботы, мащины для управления технологическими и .
производственными объектами, классифицирующие машины, автома-
ты для распознавания образов (см. § 172) и др.
Дальнейшим развитием обучаемых систем являются самообучаю-
щиеся системы. В них кроме рабочего алгоритма, указывающего ме-
тоды поиска решения определенных типов задач, вводится еще кон?-,
ролирующий, или обучающий, алгоритм, по которому система может
сама оценивать правильность или качество выдаваемых ею решений
и в. зависимости от этого изменять их характер, а также оценивать их
сравнительно и выбирать оптимальный вариант.
т
§ 172. Распознавание образов
Человек и животные обладают способностью восприятия (отраже-
иие в головном мозгу) предметов и явлений окружающего мира, дей-
ствующих в данный момент на органы чувств. У человека и высших
животных восприятие, обобщенное с сохраняющимися в памяти дан-
ными предыдущих восприятий, образует представлен^ — более пол-
ное отражение объекта.
Предположительно первым шагом при составлении представления
по объекту является его классификация, т. е. отнесение к определен-
ному классу объектов, сходных по некоторым отличительным призна-
кам.
Совокупность идеализированных признаков определенного класса
объектов называется образом, а отнесение каждого нового объ-
екта к тому или иному уже известному классу называется распо-
знаванием образов.
Положение кибернетики об общих принципах управления в анало-
гичных системах независимо от их физической природы Дает основа-
ние для разработки искусственных систем (автоматов), обладающих
способностью распознавания образов.
Распознавание образов заключается в сопоставлении совокупное-'
ти наиболее существенных признаков наблюдаемого объекта, образую-
щих входной сигнал, с наборами признаков различных образов, со-
хранившихся в памяти распознавающего устройства, и в решении о
том, с каким из образов входной сигнал имеет наибольшее сходство.
Алгоритм распознавания образа — это правило, по которому опреде-
ленному набору признаков, установленных у данного объекта, ставит-
ся в соответствие один из заданного множества возможных образов.
Объектом распознавания может быть любой предмет, событие, про-
цесс или совокупность обстоятельств (ситуация). В простейшем слу-
чае — это зрительные образы в виде геометрических фигур, букв, цифр
и других знаков. (Этим случаем и ограничимся.) Автоматическая сис-
тема для распознавания подобных образов состоит из трех основных
частей (рис. 273, а): рецепторного блока, классификатора, или блока
принятия решения, и выходного устройства.
Рецепторный блок, или блок выработки признаков, — это входное
устройство, воспринимающее объект н вырабатывающее признаки, по
которым происходит его распознавание. В данном случае блок пред-
ставляет рецепторное поле, плоскость которого разделена иа множест-
во элементарных ячеек, содержащих каждая отдельный рецептор,
например экран из множества светочувствительных элементов. В соот-
ветствии с различной освещенностью ячеек, на которых проецируется
изображение предмета, светочувствительные элементы в них возбуж-
даются в различной степени. Сигналы возбуждения от разных ячеек
и являются признаками, по которым происходит распознавание обра-
за. Сравнение признаков предмета с признаками образа, хранящими-
ся в памяти блока, и принятие решения происходит во втором блоке —
классификаторе с помощью соответствующего алгоритма сравнения.
274
На основании принятого решения в устройстве выхода формируется
сигнал, указывающий образ, к которому относится данный предмет.
В отношении способа выработки алгоритма сравнения автоматы
делятся на группы: 1) работающие по известной программе (необу-
чаемые), 2) обучаемые и 3) самообучающиеся.
В первой группе в память автомата заранее записываются данные
о всех основных признаках объектов, возможных для распознавания,
и составляющих множество X, подразделенных на подмножества
Х1г Хг, ..., Хп, соответствующие каждое определенному образу Alt
А2, .... Ап. Алгоритм распознавания заключается в поочередном со-
а)
Рис. 273
поставлении признаков данного объекта с признаками каждого из под-
множеств Xlt Хг, ..., Хп и установлении подмножества, с которым и
имеется наибольшее число совпадений. Это подмножество Xt и опре-
деляет искомый образ At.
Если объем имеющейся информации недостаточен для априорно-
го описания всех образов, возможных для распознавания, то исполь-
зуются обучаемые системы (автоматы). В обучаемых автоматах комп-
лексы признаков, характеризующих определенные образы, в автомат
заранее не вводятся. Они формируются в памяти автомата в процес-
се обучения. Последнее состоит в том, что автомату предъявляются
различные (без предварительного подбора), на сходные объекты с
указанием образов, к которым они относятся. Совокупность этих объ-
ектов называется обучающей выборкой.
Процессы, происходящие в решающем устройстве автомата, мож-
но представить следующим образом. Введем в рассмотрение условное
многомерное пространство, по координатным осям которого в услов-
ном масштабе отложены значения признаков объекта. Тогда можно
считать, что точка пространства, определяемая координатами, аь а2,
а3, является некоторой обобщенной характеристикой объекта. Такое
275
пространство называется пространством признаков (или пространств •
вом изображений).
При обучении автомата и показе некоторого объекта в памяти ре-
шающего устройства в пространстве признаков фиксируется некото-
рая точка. Для сходных объектов эти точки располагаются близко од-
на от другой и образуют совокупность, соответствующую определен-
ному образу (который и указывается в процессе обучения). При этом
предполагается (это предположение называется гипотезой компакт-
ности образов), что совокупность точек, соответствующих образу, на-
пример Л, представляет тесно расположенную группу и что группы
точек для разных образов Л и Б взаимно не перекрываются, т. е. мо-
гут быть легко разделены некоторыми условными поверхностями (рис,
273: б — в пространстве, в — на плоскости). Задачей решающего уст-
ройства распознавающего автомата (при условии наличия достаточно-
го числа точек в группе, относящейся к каждому образу) и является
установление расположения этих поверхностей, разделяющих обра-
зы в пространстве признаков. Когда это осуществлено, автомат пере-
ходит к самостоятельной работе, которая заключается в том, что при
предъявлении незнакомого объекта автомат по сигналам об основных
признаках объекта определяет, в какую область подразделенного
пространства признаков попадает соответствующая ему точка и, сле-
довательно, к какому образу этот объект относится. Обучение произ-
водится до тех пор, пока автомат не станет самостоятельно выдавать
достаточно достоверную информацию, что устанавливается путем пе-
риодических контрольных проверок.
На принципах распознавания образов устроены автоматы, приме-
няющиеся в различных областях, и работающие как по жесткой прог-
рамме, так и обучающиеся, например автоматы, читающие буквенно-
цифровой текст (например, в устройствах ввода в ЭЦВМ), анализи-
- рующие снимки треков ионизационных камер, аэрофотоснимки, гео-
логоразведочные диаграммы и др.
В медицине применяются, например, автоматы, определяющие со-
став форменных элементов при анализе крови. На принципе распозна-
вания образов основано также устройство диагностических машин (см,
с. 303),. работающих по методу фазового интервала (см. с. 309).
Глава 32
- БИОЛОГИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА -
§ 173. Биологическая система
Биологическая кибернетика изучает организацию и управление
(регулирование) в биологических системах — живых организмах —
главным образом с точки зрения происходящих при этом процес-
сов восприятия, передачи, переработки информации.
Биологические системы имеют ряд специфических особенностей,
характеризующих жизнь, в частности способность роста и размноже-
ния, самообновления и эволюции. Эго открытие системы (см. § 19),
276
обменивающиеся в внешней средой веществом,, энергией и информа-
цией. Функционирование этих систем обеспечивается постоянно про-
исходящим в них обменом веществ, который представляет комплекс
физико-химических процессов и химических реакций синтеза и раз-
ложения, имеющих сложный циклический характер и ферментатив-
ную природу.
Обмен информацией в биологических системах имеет также спе-
цифический характер: он- в значительной мере связан в процессами,
протекающими в биохимических средах на молекулярном уровне.
Так, например, информация, обусловливающая индивидуальное раз-
витие организма, закодирована в форме взаимного расположения мо-
лекул ДНК в хромосомах клеток. В более высокоразвитых организ-
мах носителями информации являются нервные импульсы (см. § 177).
Биологические системы от других систем отличаются сложностью,
вариабельностью элементов и высокой динамичностью.
Они имеют сложную структуру с большим количеством подсис-
тем и составляющих их элементов, с разнообразными связями между
ними и множеством возможных состояний системы. Существенной осо-
бенностью их организации является иерархическое строение, в кото-
ром каждая подсистема более высокого уровня объединяет в единое
целое и прямо или косвенно подчиняет все нижележащие подсистемы
своим закономерностям. В порядке возрастания сложности строения
и соподчинения- условно выделяют пять уровней биологических сис-
тем: субклеточный, клеточный, органов, функциональных систем и ор-
ганизма в целом. При этом иа каждом уровне (по горизонтали) разли-
чают управляющие подсистемы, вырабатывающие регулирующие воз-
действия, и исполнительные (рабочие) подсистемы, выполняющие со-
ответствующие функции. Управляющие подсистемы воспринимают
и перерабатывают информацию, поступающую из внешней или внут-
ренней среды самой системы, и на основании результатов переработ-
ки посылают управляющие сигналы к. Исполнительным подсистемам.
Биологические системы отличаются вариабельностью элементов
даже в аналогичных системах, что проявляется, например, индиви-
дуальными отличиями в деталях строения и физиологических пара-
метрах однотипных организмов.
Биологические системы характеризуются высокой динамичностью,
непрерывным изменением своего функционального состояния, что
обусловлено необходимостью постоянного приспособления к изме-
няющимся условиям внешней среды. С этим связано непрерывное ре-
гулирование, происходящее на всех уровнях и во всех звеньях систе-
мы в процессе жизнедеятельности организма.
Основной метод исследования в биологической кибернетике — мо-
делирование — имеет свои особенности. Физические модели в данном
случае заменяются «предметными» — это подопытные животные, изо-
лированные органы, тканевые препараты и т. п. Широкое распростра-
нение имеют математические модели. Из-за большой сложности био-
логических систем часто моделируются только отдельные функции •
системы, практикуются также упрощенные или идеализированные мо-
дели. Модели биологические систем делятся на структурно-функцио-
т
нальные, в которых учитываются функция и структура оригинала, а
функциональные по типу «черного ящика», когда внутренняя структу-
ра оригинала остается неизвестной.
В биокибернетике различают несколько направлений, основными
из которых являются физиологическая кибернетика и нейрокиберне-
тика. В тесной связи с биокибернетикой находится медицинская ки-
бернетика, в настоящее время выделившаяся в самостоятельное на-
правление кибернетики (см. § 177).
§ 174. Физиологическая кибернетика.
Регулирующие системы организма
Физиологическая кибернетика изучает структурную и функцио-
нальную организацию, а также регулирование и управление в орга-
низмах животных й человека на уровне клеток, органов и их систем.
В физиологических системах наблюдаются все рассмотренные выше
виды регулирования. При этом уровню системы в иерархическом со-
подчинении соответствует основной, свойственный ей вид регулирова-
ния: стабилизирующее, регулирование по заданной программе, прог-
ностическое, оптимальное и адаптивное. Однако наиболее замечатель-
ным свойством биологических систем является высокоразвита?) способ-
ность целесообразного саморегулирования, самоорганизации и само-
совершенствования, лежащая в основе эволюции живой материи. Ха-
рактерным для биологических систем является также их надежность,
обеспечиваемая высокоразвитой способностью к регенерации при раз-
личных повреждениях, а также постоянным самообновлением струк-
турных элементов системы.
Основным видом стабилизирующего регулирования в биологичес-
ких системах является гомеостаз (правильнее — гомеостазис). Гомео-
. стаз — это поддержание постоянного уровня процессов метаболизма
(обмена веществ), соответствующего оптимальным условиям жизне-
деятельности организма. Путем гомеостаза обеспечивается постоянство
оптймального уровня таких показателей, как, например, пульс, ды-
хание, температура тела, Давление крови, кислотно-щелочные соотно-
шения и т. п. вне зависимости от изменения условий внешней среды.
Гомеостаз охватывает цепь сложных процессов, осуществляющих са-
морегулирование соответствующих систем организма. Это может быть
возвращение к норме после отклонения (регулирование по рассогла-
сованию), предупреждение отклонения от нормы, т. е. предупреди-
тельное регулирование по возмущению.
В процессе стабилизации регулируемая величина совершает не-
большие колебания около поддерживаемого уровня. Кроме того, и сам
уровень регулирования подвержен физиологическим колебаниям, на-
, зываемым биологическими ритмами, например суточные изменения
температуры тела, уровня содержания сахара в крови и т. п., которые
задаются центральной нервной системой. Происходит ли это-согласно
. заложенным в организме' программам или под влиянием изменений
внешней среды (или того и другого вместе), является в настоящее
время предметом изучения.
278
Таким образом, гомеостаз следует рассматривать как некоторый
динамический процесс4.
Независимо от указанных периодических колебаний в организме
происходят спонтанные колебания определенных структур с весьма
различным периодом Т, например нервные импульсы и миофибриля-
ции (Т — 0,01 — 1 с), деятельность сердечной и дыхательных мышц
(Т = 1 — 10 с) и т. п. Даже на уровне клетки, в протоплазме, отме-
чаются периодические колебания конформации белковых макромоле-
кул.. Это позволяет высказать положение о том, что осцилляторные
процессы свойственны живой материи на всех уровнях ее организа-
ции.
Гомеостатическое регулирование — это регулирование по откло-
нению, основанное преимущественно на принципе отрицательной об-
ратной связи. Например, в клетках метаболизм поддерживается на
определенном уровне вследствие того, что активность ферментов, обу-
словливающих реакцию, зависит от концентрации продуктов реакции
и снижается при их накоплении; в органах и системах активность вы-
полняемой функции регулируется на основании сигналов от многочис-
ленных рецепторов, контролирующих результаты деятельности соот-
ветствующего органа или системы. * '
Ряд процессов в организме (вегетативные функции) происходит в
соответствии с программами, заложенными в определенных структу-
рах (например, программы деления клетки в структуре ДНК) или ве-
гетативных центрах, управляющих определенными функциями. Од-
нако включение этих программ в действие, управление ходом разви-
тия процесса во времени, смена программы и т. п. управляются сигна-
лами, которые поступают от систем более высокого уровня, управляю-
щих центров или соответствующих рецепторов (полная аналфгия с
принципом микропрограммного управления ЭЦВМ — см. § 160).
Большое значение в живых организмах имеет адаптивное (приспо-
собительное) регулирование, заключающееся в изменении программ,
заложенных в структурах организма, в связи с изменением условий
внешней среды. Адаптивное регулирование не только обеспечивает под-
держание жизнедеятельности организма в изменяющихся внешних
условиях, но и является средством повышения внутренней организа-
ции системы, что лежит в основе возможности ее дальнейшей эволю-
ции.
Для биологических систем, особенно более высокого уровня, ха-
рактерно также предупредительное регулирование по возмущению,
называемое в данном случае прогностическим. Образования высших
этажей центральной нервной системы, анализируя условия внешней (
среды, предугадывают грозящие организму «возмущения» и выраба-
тывают реакции, предупреждающие нежелательные для организма
последствия.
Однако наиболее характерным для биокибернетических систем,
т. е. живых организмов, является оптимальное регулирование (целесо-
образное саморегулирование). в
Целесообразное саморегулирование основывается на накоплении
необходимой информации в виде предыдущего опыта, сохраняющего-
279
ся в памяти системы. Ойо направлено на всестороннюю оптимизацию
системы, стремление к которой заложена в самой природе биологичес-
ких систем и является их основным качеством. Целесообразное само-
регулирование, переходящее в самоорганизацию, т. е. самопроизволь-
ное формирование новых, более совершенных структур внутри систе-
мы, — это и есть основа эволюции организмов, а способность' к само-
организации есть фундаментальное свойство всего живого, на любых
уровнях развития, начиная от клетки и кончая нейронами коры голов-
ного мозга у высших животных и особенно у человека, у которого оно
и наиболее выражено.
По этому поводу И. П. Павлов писал: «Человек есть, конечно, гру-
бо говоря, — машина, как и всякая другая в природе, подчиняющая-
ся неизбежным и единым для всей природы законам; но систему, в го-
ризонте нашего современного научного видения, единственная по вы-
’сочайшему саморегулированию.
Разнообразно самоорганизующиеся машины мы уже • достаточно
знаем между изделиями человеческих рук... Но наша система в высо-
чайшей степени самоорганизующаяся, сама себя поддерживающая и
даже совершенствующая.» (Поли. собр. соч. Т. III.—М.: Медгиз,
1949, с. 454). -
Н. М. Амосов выделяет четыре регулирующие системы, соответст-
вующие различным структурам ррганизма, возникшим в процессе
эволюции: 1) гуморальная неспецифйческая; 2) гуморальная специ-,
фическая; 3) нейровегетативная; 4) нейроанимальная (см. таблицу):
Уровень регуляции Управляющая подсистема Действующие агенты Рабочая подсистема
IV. Нейроанн- мальная ' Кора головно- го мозга Соматическая часть ЦНС Нервные им- пульсы и медиа- торы • Двигательный аппарат- (дви- жение, трудовая деятельность, по- ведение)
III. Нейровеге- татнвная Вегетативная часть ЦНС Внутренние ор- ганы
II. Гуморальная специфическая Система эндо- кринных желез Гормоны Все клетки и внутренняя сре- (кровь, лимфа, тканевые жидко- сти) организма
I. Гуморальная неспецнфическая Органоиды, клетки Простые соеди- нения и фермен- ты
Регулирующие системы эти взаимосвязаны, причем каждая эво-
люционно более молодая развивается на основе более старых и оста-
ется под их регулирующим воздействием, хотя и в свою очередь может
оказывать на них влияние через обратные связи. Чем моложе систе-
ма, тем уже ее специализациями тем быстрее она развивается.
Первая регулирующая Система — гуморальная неспецифическая —
— охватывает все клетки организма, объединенные путем обмена ве-_
ществ через внутреннюю среду организма (кровь, лимфа, различные
280
:ткаиевые жидкости). Регулирующая функция клеток заключается в
том, что в процессе жизнедеятельности путем изменения интенсивнос-
ти синтеза ферментов, регулирующих соответствующие химические
реакции, они поддерживают постоянство внутренней среды (гомеостаз)
Морганизма.
Г В то же время каждая клетка представляет саморегулирующуюся
систему, в которой все внутренние процессы управляются регулирую-
щими подсистемами (органоидами клетки) по программам, записан-
ным в молекулах. ДНК и РНК. Внутриклеточные процессы, особен-
?яо происходящие в специализированных клетках, объединенных в ор-
ганы и ткани, составляют основу жизнедеятельности всего организ-
ма в целом. ._
К Вторая регулирующая система — гуморальная специфическая. Она
'представлена сложной, построенной по иерархическому принципу се-
Ьью эндокринных желез, возглавляемой гипофизом. Действующим
Агентом в ней являются гормоны, которые вырабатываются железами
Постоянно или под действием нервных импульсов из вышележащих
^регулирующих систем, под действием гормонов других желез, или, на-
конец, «снизу» под влиянием изменения состава крови.
;; Регулирующие воздействия второй системы направлены главным
^образом иа активность внутренних органов. Система имеет Teci
йше прямые и обратные связи как с. первой системой, так и с вышеле-
жащими — III и IV. В основном деятельность внутренних органов
регулируется через эти связи. Одиако некоторые органы в этом отно-
шении являются относительно независимыми, так как имеют собствен-
ные регулирующие подсистемы в виде местных нервных узлов (напри-
мер, сердце) или эндокринных воздействий (почки, печень).
* Третья регулирующая система — нейровегетативная. Она пред-
ставлена главным образом вегетативной (парасимпатической и симпа-
тической) частью центральной нервной системы и .имеет иерархичес-
кого структуру, состоящую из местных сплетений, сегментарных уз-
5лов, главных центров в подкорковой части и, наконец, коры головного
'мозга, оказывающей регулирующее влияние иа нижележащие образо-
вания. Активным началом в ней являются вырабатываемые в клетках
Нервные импульсы и медиаторы, действующие местно на соответствую-
щие органы и системы. Основным элементом действия этой системы яв-
ляется рефлекс. Рефлекторные пути, как правило, заложены от рож-
дения и через них осуществляются безусловные рефлексы.
г Соподчиненная сложная структура Ьрганизма позвол’яет формиро-
^вать сложную иерархию рефлексов, управляющих внутренними орга-
нами по заложенной в регулирующей системе программе. Кроме того,
^третья регулирующая система через посредство высших вегетативных
^Центров корректирует гомеостаз всех важнейших систем организма.
^Третья регулирующая система тесно связана со второй, и часто они
‘совместно регулируют определенную функцию организма (например,
^кровяное давление). Органы, объединенные в функциональную систе-
му (например, сердечно-сосудистая, выделительная и др.), могут иметь
на этом уровне также и местные регулирующие механизмы.
281
Четвертая регулирующая система — нейроанимальная (или ней-
росоматическая). Она представлена преимущественно анимальной
частью центральной нервной системы (ЦНС): кора головного мозга,
подкорковые и стволовые отделы, спинной мозг и периферические
нервные стволы. Механизм действия системы нервно-рефлекторный.
Эта регулирующая система управляет преимущественно двигатель-
ным аппаратом — мышцами. Регулирование на IV (высшем) уровне
Рис. 274
обеспечивает выполнение сложных двигательных актов (у животных),
а у человека также поведения и воздействия на окружающие предме-
ты (трудовая деятельность).
В верхнем этаже системы— в коре головного мозга — запрограм-
мированы модели поведения в виде последовательностей (алгоритмов)
элементарных двигательных актов. Такими программами являются
инстинкты (пищевой, оборонительный, половой), а у человека еще
программа социального поведения. Сравнивая инстинкт с програм-
мой, можно считать рефлексы, помощью которых он осуществляется,
иерархией подпрограмм, вплоть до частных функций мышечных кле-
ток.
Схема регулирующих систем организма, составленная Н. М. Амо-
совым, приведена на рис. 274.
282
В качестве примера рассмотрим систему терморегуляции организ-
ма (см. § 17). Терморегуляция у теплокровных животных относится к
системам гомеостатического регулирования и поддерживает постоян-
ную температуру внутренней среды организма. Центр терморегуля-
ции находится в гипоталамусе и состоит из двух частей: ядра, регули-
рующего процессы теплообразования, и ядра, регулирующего процес-
сы теплоотдачи. Первое имеет нервные связи с внутренними органа-
ми и мышцами, в которых образуется тепловой поток, второе — с сис-
темами кожных сосудов и потовых желез, а также аппаратом дыха-
ния, обусловливающими отдачу в окружающую среду (схема на рис.
275).
Управляющая ! Каналы !
часть । связи |
Исполнительная часть ,
__________ Кожа
Упр!
щие
Центр
терморегу-
ляции
Си/на^гсГобратной
| СВЯЗИ I
Мышцы
и внутренние
органы (тепло
образование)
Кожа
Тепловой
поток
(теплоотдача)
Сосуды
Потовые
железы
Температурные
рецепторы I
Внешняя
среда
Дыхание
1
Рис. 275
Чувствительными элементами системы являются, во-первых, сами
нервные клетки центра, которые омываются кровью и, следователь-
но, воспринимают изменения температуры внутренней среды организ-
ма, во-вторых, имеющиеся в коже температурные ренейторы, вос-
принимающие тепловые и холодовые раздражения, действующие из
внешней среды.
В центре терморегуляции запрограммировано поддержание опре-
деленного уровня Температуры омывающей его крови, что обеспечи-
вается необходимым соотношением потоков теплопродукции и тепло-
отдачи во внешнюю среду. При отклонении уровня температуры от
запрограммированного в центре возникает ряд команд, поступающих
к органам, осуществляюцим теплопродукцию и теплоотдачу, и изме-
няющих их деятельность 'так, чтобы скомпенсировать происшедшее
изменение температуры. Кроме того, в центр терморегуляции поступа-
ют нервные импульсы от температурных рецепторов кожи, в ответ на
которые в нем вырабатываются команды в органы, регулирующие теп-
ловые потоки, которые также изменяют соотношение теплопродукции
и теплоотдачи в сторону, необходимую для поддержания на прежнем
уровне температуры крови, омывающей центр в изменившихся усло,-
виях внешней среды. Таким образом, для системы терморегуляции ха-
»з
рактерны два приема: 1) регулирование по отклонению (компенса-
торное) и 2) регулирование по внешнему возмущению.
Примером более сложной системы является управление и коорди-
нация двигательного акта. Система (рис. 276) состоит из двух частей,
или подсистем: управляющей (это соответствующий аппарат в централь-
ной нервной системе) и исполнительной — рабочего органа. Рабочий
орган — это мышцы, суставы, и связки с системой нервных элемен-
тов: эффекторов, возбуждающих деятельность мышц, и рецепторов,
воспринимающих информацию о состоянии элементов рабочего орга-
на в процессе выполнения движения. Управляющая подсистема свя-
Управляющая часть
(центральная нервная
система)
Каналы связи 1Испо'лнительная1
часть Г
(рабочий орган) I
----—тгхЭффекторы
Управляющий
сигнал
(команда)
Сигнал
выполнения
(обратная связь)
Мышцы,
суставы,
связки
Рецепторы
I
Рис. 276
зана с исполнительной двумя каналами для передачи сигналов: ко-
мандных (афферентный канал — прямая связь) и информационных
(эфферентный канал — обратная связь)<-
В управляющей подсистеме имеется задающий аппарат (верхние
этажи головного мозга), в котором формулируется поставленная за-
дача и вырабатывается основная программа (алгоритм) ее выполне-
ния, а также аппарат анализа н переработки информации, в который
кроме программы действия поступает информация о состоянии рабо-
чего органа и, следовательно, о результатах выполнения предыдущих
команд. На основании переработки этой информации и, в частности,
сличения заданных параметров регулирования с действительными их
значениями вырабатываются команды, которые и поступают затем к
исполнительному органу. Эфферентная информация может учитывать-
ся также и.непосредственно в задающем аппарате (пунктирная линия
на схеме).
.Чем сложнее двигательный акт, тем сложнее программа его выпол-
нения, которая может состоять из серии сменяющихся подпрограмм,
и тем сложнее процессы, происходящие в аппарате сличения и обра-
ботки информации. Во многих случаях в выработке критериев сравне-
ния участвует также и аппарат памяти, в котором запечатлеваются
промежуточные результаты выполняемой задачи, а также сохраняют-
ся данные предыдущего жизненного опыта (см. схему функциональной
системы в § 175).
234
$ 175. Моделирование в физиологической кибернетике
Математическая модель в физиологической кибернетике — это
очное (количественное) описание функции какого-либо органа или
истемы. Обычно эта модель представляет совокупность уравнений
ли соотношений, описывающих зависимость между параметрами, оп-
еделяющими состояние органа или системы, и данными, характери-
ующими условия их функционирования или внешние воздействия.
В связи е особенностями физиологических систем (большая слож-
ость, динамичность и вариабельность параметров) математические
одели для них во многих случаях составляют с определенной степенью
деализации, приближенности и упрощения. Однако это имеет и свои
реимущества, так как позволяет при составлении модели отразить
ней наиболее существенные черты оригинала. Таким часто встречаю-
щимся упрощением является, например, моделирование изолированных
г. е. лишенных нервных связей с другими системами) органов и систем.
^роме того, модели могут отображать различные условия (уровни) ре-
ршрования деятельности органа или системы. В настоящее время,
апример, разработаны модели многих изолированных органов и сис-
м-на уровне поддержания гомеостаза. Значительно меньше разрабо-
ны модели с учетом центральной регуляции или модели взаимосвя-
нных систем.
Исследование математических моделей физиологических систем
лается с помощью ЭВМ, так же как и математических моделей во-
ще (см. с. 259).
Для того чтобы подойти к вопросу о составлении математических
щелей физиологических систем, приведем некоторые простейшие
учаи, в которых математической моделью служит просто закономер-
>сть, которой подчиняется рассматриваемое явление.
Например, моделью свободного роста числа N клеток (или бакте-
иальных колоний) является уравнение естественного роста величин
§94)
dNIdt = kN,
ie fe — константа роста.
При наличии фактора г, замедляющего рост (считается, что г про-
эрционально наличному числу клеток: г = mN), модель принимает
1Д
dNIdt = (k — r)N = kN — mN2.
Моделью диффузии вещества через полупроницаемую мембрану яв-
яется уравнение, определяющее поток вещества:
dQ/dt = Ap(Cj — С2),
де Си Ct — концентрации вещества по обе стороны мембраны, р —
— проницаемость ее, Л — постоянная.
Модель сорбции тканевой жидкостью вещества (например, радио-
ктивного изотопа), введенного в кровяное русло, представляет два.
гюбщающих резервуара: А (кровяное русло) и В (тканевая жидкость).
I резервуар А в начальный момент вводится некоторая масса вещест-
28J
ва,создающая в нем концентрацию С до. Из резервуара А вещество вы-
водится в окружающую среду со скоростью (константа скорости k3),
пропорциональной текущим Значениям концентрации в нем Сд. Меж-
ду резервуарами А и В происходит обмен веществом со скоростями
переноса вещества, пропорциональными концентрациям в них Сд и
к,
Св (константы kx и fcj. Процесс можно изобразить схемой: А В.
ь.
Задача моделирования — установить изменение во времени концентра-
ций Сд и Св.
Математической моделью являются уравнения кинетики процес-
сов, протекающих в системе:
dCAldt = k3CB — kxCA — k3CA, (при t = О, С a = Сдо),
dCB!dt — kxCA — к3Св.
Задавая определенные значения констант klt k2, ka, можно с помощью
ЭАВМ решить эти уравнения и на экране ИЭЛ машины наблюдать со-
ответствующие графики.
Разработка математической модели органа или системы в общем
случае начинается с определения цели и задач моделирования, а так-
же решения вопроса о возможных упрощениях модели. Основой для
разработки самой модели являются данные о функционировании ор-
гана или системы, установленные путем наблюдения или эксперимен-
та. По этим данным определяются независимое и зависимое перемен-
ные, составляется предварительное суждение о характере моделируе-
мой функции. Однако для этого полученные данные, которые обычно
представляют случайные непрерывные величины, имеющие свойство
эргодичности, требуют определенной обработки. При обработке их
используются методы теории вероятности.
Математическое ожидание, например, характеризует средний уро-
вень (установившееся значение) искомой функции. Дисперсия (или
среднее квадратическое отклонение) является мерой разбросанности
(вариабельности) значений функции, что, в частности, зависит от ка-
чества регулирования в системе. Путем построения гистограмм уста-
навливается закон распределения значений функции, характеризую-
щий стационарность процесса, устойчивость системы по отношению
к внешним воздействиям и т. п. Вычисление автокорреляционной
функции позволяет выделить периодическую составляющую в дина-
мике искомой функции, если она имеется, а вычисление кроскорреля-
ционной функции — установить связь данной функции с другими па-
раметрами системы.
В настоящее время вся подобная обработка деляется с помощью
ЭВМ.
Затем наступает основной этап — выбор математического аппара-
та. Для этого прежде всего решается вопрос о сложности и степени де-
терминированности (см. § 167) системы. Для детерминированных сис-
тем, к которым относится большинство изолированных органов и сис-
тем, адекватным математическим аппаратом являются дифференци-
альные и интегральные уравнения, преимущественно с постоянными
286
коэффициентами; для систем о вероятностным компонентом (внутрен-
ние органы с сохранением центральной регуляции, анализаторы, от-
делы мозга и т. д.) — дифференциальные уравнения в переменными
коэффициентами, а также специальные методы теории информации,
теории случайных процессов и т. п. (Разработка моделей для этих сис-
тем находится еще в начальной стадии.)
Когда математический аппарат в принципе выбран, составляются
необходимые уравнения и в них вносятся возможные упрощения (ап-
проксимация дифференциальных уравнений алгебраическими, нели-
нейных зависимостей — линейными и т. п.). Уравнения составляют-
ся с помощью обычных приемов: логических рассуждений (вывода),
использования аналогий, путем догадки (методом проб и ошибок) и
т. д. Коэффициенты у переменных и постоянные величины,, входящие
в уравнение, определяются на основании исходных данных. Затем со-
ставленные уравнения проверяются в контрольных опытах. При даль-
нейшем исследовании модели устанавливаются границы ее примени-
мости и вносятся необходимые коррективы.
Во многих случаях физиология еще не располагает необходимыми
данными для составления модели, в этом случае пользуются предпо-
ложительной, или эвристической, моделью, которая в дальнейшем
уточняется путем накопления соответствующего опыта.
В качестве примера достаточно простой математической модели фи-
виологической системы приведем предложенную Хиллом модель ске-
летной мышцы. Эта модель представляет уравнение, связывающее на-
пряжение р (усилие, приходящееся на единицу поперечного сечения
мышцы) и скорость v — dl/dt укорочения мышцы:
(р + a)dlldt + pb = k\
уравнению часто придают такой вид: (р + a) (v + b) = k, где постоян-
ные а, b и k зависят от природы мышцы. Решение уравнения позволя-
ет определить укорочение / мышцы для изотонического сокращения
при различных нагрузках и дает хорошее совпадение о эксперимен-
тальными данными.
Ниже рассмотрены математические модели элементов сердечно-со-
судистой системы и нервной клетки — нейрона (см. § 177).
§ 17.6. Модель сердечно-сосудистой системы
•
При построении модели сердечно-сосудистая система рассматрива-
ется, во-первых, полностью изолированной от управляющих воздей-
ствий со стороны организма, т. е. в условиях полной саморегуляции,
и, во-вторых, значительно упрощенной — с воспроизведением толь-
ко основных элементов, необходимых для анализа явлений, происхо-
дящих в системе.
В § 10 были описаны простейшая физическая модель сердечно-со-
судистой системы, состоящая из пульсирующего насоса и системы тру-
бок с эластичными стенками, а также явления, происходящие в боль-
шом круге кровообращения. Таким образом, можно считать, что ос-
новным элементом этой системы является резервуар с эластичными
стенками и постепенным оттоком жидкости, периодически наполняв*
мый под давлением р, а математической моделью его — уравнения,
описывающие происходящие в резервуаре процессы.
Из гидродинамики известно, что мгновенные вначения объема V и
давления р в растянутом эластичном резервуаре (рис. 277, а) связаны
зависимостью V == Vo + Ср, где Vo — объем резервуара при давле-
нии, равном нулю, С — коэффициент, характеризующий эластич-
ность стенок (С •= 1/£, где Е — модуль упругости, принимаемый
не зависящим от степени растяжения стенок).
Определим скорость (объем в единицу времени) Q оттока жидкоо-
ти из резервуара через клапан Kt (рис. 2/7, а) под действием давления
р и при наличии , на выходе гидравлического сопротивления R. По
определению, скорость Q —dVldt — —Cdpldt, а по закону Пуазей-
ля (см, § 8), Q p/R. Следовательно,
_ или /?€;—+р = 0. “ (1)
dt R ‘ dt
Получаем уравнение с разделяющимися переменными, решение
которого имеет вид
р = рте-‘/«с,
где рт — начальное (максимальное) давление (график на рис. 277, а).
Аналогично будет и уравнение для скорости оттока жидкости!
<2 - (2)
Уравнения (1) и (2) и являются математической моделью эластич-
ного резервуара или элемента сосудистой системы.
Аналогичные уравнения описывают также и разряд конденсатора
емкостью С, заряженного сначала до напряжения Um, через резистор
R (см. §36). Следовательно, такая электрическая цепь (рис. 277, а)
может служить моделью прямой аналогии для эластичного элемента
сосудистой системы. Величины,, являющиеся при этом аналогами, со-
поставлены в таблице:
Гидродинамические величины
Давление р
Количество жидкости (объем
резервуара) V
Эластичность стенок С
Гидравлическое сопротивле-
ние R
Скорость оттока жидкости
Q=—dV/dt
Постоянная времени T^RC
Электрические величины
Напряжение U
Заряд q
Емкость С
Электрическое сопротивление
R
Сила тока разряда i=—dq/dt
Постоянная времени t=RC
Напряжение Um (или начальный заряд конденсатора qm), емкость
С, сопротивление R подбираются по критериям подобия с соответствую-
щими параметрами эластичного элемента.
Сосудистая система представляет ряд эластических элементов (ре-
вервуаров) с различными свойствами, через которые последовательно
протекает общий поток жидкости. При этом- в каждый из резервуаров
жидкость (из предыдущего резервуара) втекает со скоростью <j0, а от-
ток ее в последующий резервуар происходит при наличии в последнем
давления (рис. 277, б).
Рассмотрим сначала более простой случай с учетом только наличия
на выходе резервуара давления рх. Тогда уравнение (1) принимает вид
RCdpIdt + р = Pi или RCdpIdt + (р — рг) — 0.
Это уже линейное уравнение, содержащее две функции времени
р(0 и Pi(t), и аналитическое решение его требует сложных математи-
ческих приемов. С помощью же ЭАВМ оно решается довольно проси.
Для этого преобразуем уравнение: dp/dt —
= (pj — р)ЛтГ. По общему правилу ре-
здения на ЭАВМ дифференциальных урав-
нений (см. § 164), структурная схема
(рис. 278) состоит из интегратора J, на
вход которого подается разность (рх — р) X
X 1/7", полученная путем сложения в сум-
маторе 2 давления—Pi(t), закон изменения
которого должен быть известен, и давле-
ния p(t) (р0 — начальное давление).
Теперь учтем также и приток жидкости в резервуар-со скоростью
Qo (см. рис. 277, б). В этом услучае исходные уравнения для скорости
оттока примут вид
q = —Cdpldt + Qo и Q « (р - Р1) IR.
•• Следовательно, —-Cdpldt + «= (р — pJIR, откуда
Cdpldt + (р — PJ /R = Qo.
На рисунке показана электрическая цепь прямой аналогии. Струк-
турная схема решения на ЭАВМ этих уравнений и нахождения не-
посредственно функции оттока Q(t) жидкости (рис. 279) состоит из ря-
да элементов, реализующих следующие операции: интегросумматор
J определяет изменение объема резервуара по уравнению
Ю н. М. Лнвенцев
289
t
V=V0+ f (Q„ — Q)dt, где Vo — объем резервуара при t = 0; затем
e помощью сумматора X, находится разность V — VH, где VB — объем
резервуара при р = 0 (диодД обеспечивает объем резервуара не мень-
ший, чем |/в, т. е. V Va); после умножения на 1/С получается дав-
ление в резервуаре p(f) — (V — VH) 1С и, наконец, с помощью сум-
матора Ss по разности давления p(t) и давления pt(0 на выходе из ре-
зервуара определяется искомая скорость оттока крови с обратным зна-
ком — Q = (Pi — р)* UR.
Рис. 279
Характер изменения р и Q от времени приближается к экспоненци-
альному, но кривая идет значительно более полого, чем на рис. 277, а.
В некоторых случаях желательно учитывать также инерционные
свойства массы крови. Тогда в цепь электрической модели последова-
тельно с резистором R включают элемент Ь индуктивности (см. рис.
280, большой круг кровообращения).
Предсердие Желудочек Малый круг Предсердие Желудочек Большой круг
Правое сердце _ кровообращения Левое сердце кровробращения
Рис. 28С
Электрическая модель прямой аналогии для части сосудистой сис-
темы (или системы в целом) представляет последовательную (или раз-
ветвленную) цепь из нескольких звеньев с различными значениями
R и С, для которой и составляется (по правилам теории электричес-
ких цепей) система уравнений. Пример такой предельно упрощенной
схемы показан на рис. 280. В схеме (модель Дефара) предсердия и же-
лудочки представлены переменными по величине емкостями, а клапа-
ны между ними — диодами. Всё конденсаторы в начальный момент
заряжены до напряжений, соответствующих давлениям в этих точках
системы. При решении уравнений с помощью ЭАВМ эти давления мо-
делируются начальными напряжениями, которые устанавливаются
на интеграторах, представляющих емкости электрической модели.
290
уравнения [определение функции
В наиболее простых моделях желудочки сердца рассматриваются
также как эластичные резервуары, на которые действуют силы, вызы-
вающие пульсирующий отток крови в сосудистую систему. Форма им-
пульсов скорости оттока Q0(t) принимается синусоидальной (рис. 281,
а), что приближенно отвечает опыгна.м данным. При этом уравнение
для Qo(0 имеет вид
Qo = Qm sin
где Qm — амплитуда скорости, to — продолжительность систолы, ко-
торой соответствует полупериод синусоиды.
Тогда уравнение, описы- .
вающее модель элемента со- '
судистой системы с учетом
пульсирующего притока кро-
ви Qe(/) принимает вид
Cdptdt + р№= =» 7
=Qm sin (л///с). 1
Дефаром была предложена
электрическая модель прямой
аналогии, удовлетворяющая
этому уравнению, в форме
емкости, изменяющейся во
времени по веданному зако-
ну. Осуществление подобной
емкости, так же как и решение
Q(/)J, оказалось возможным о помощью ЭАВМ. Полученная кривая
подобна приведенной на рис. 281, б.
В рассмотренных простейших моделях отражены только основные
явления, происходящие в сердечно-сосудистой системе. Разработаны
также модели, учитывающие условия регуляции ее деятельности и в
первую очередь гемодинамической регуляции, основанной на зако-
не Старлинга, согласно которому энергия сокращения желудоч-
ка пропорциональна его наполнению, т. е. объему в конце диастолы,
а ударный объем выбрасываемой крови зависит от соотношения между
энергией сокращения желудочка и давлением в аорте.
Такие модели разработаны Ф. Гродинзом, В. А. Лищуком и др.
Рассмотрение их выходит за рамки нашего изложения.
§ 177. Нейрокибернетика
Нейрокибернетика — это направление биологической кибернети-
ки, изучающее организацию и управление в нервной системе высших
животных и человека преимущественно с точки зрения происходящих
при этом процессов восприятия, хранения, передачи и преобразова-
ния информации. Информация, поступающая из внешней среды (а так-
же из внутренней среды самого организма) в форме различных раздра-
жений, воспринимается нервными рецепторами и кодируется в фор-
ме импульсов возбуждения, которые передаются по нервным провод-
10’
29L
никам, что сопровождается определенными биохимическими; и
биоэлектрическими явлениями.
Основной метод нейрокибернетики — моделирование, преимущест-
венно математическое.
Перечислим задачи нейрокибернетики: 1) изучение свойств основ-
ных элементов системы — нервной клетки (нейрона) и нейронных ан-
самблей (сетей) и механизма переработки в них информации; 2) модели-
рование и изучение рецепторных систем (органов чувств); 3) модели-
рование отдельных функций головного мозга (распознавание образов,
образование понятий и эмоций,
памяти, принятия решений и
др.); 4) исследование взаимо-
действия подсистем мозга при
формировании поведения й др.
В настоящее время нейроки-
бернетика достигла значитель-
ных успехов только в первом и
частично во втором из указан-
ных направлений.
Напомним, что основной
структурный и функциональный
элемент нервной системы — ней-
рон — есть специализированная
клетка, обладающая свойствами
возбудимости (по закону «все
или ничего») и проведения возбуждения в определенном направле-
нии.
Нейрон состоит из тела (сомы), содержащего ядро, со множеством коротких
ветвящихся отростков — дендритов в одного длинного отростка — аксоца с раз-
ветвлением только на конце (рнс. 282, а). Соединяясь между собой с помощью
синапсов, нейроны образуют линейные цепочки или множественно разветвленные
сети. В синапсах особые бляшки, имеющиеся на концах разветвлений аксона
одного нейрона и покрытые Пресинаптической мембраной (рнс. 282, б), приле-
жат к мембране сомы или дендритов другого нейрона, образуя узкую (доли
микрометра) синаптическую щель. Внутри бляшек находятся пузырьки, содер-
жащие возбуждающий или тормозящий медиатор.
При передаче возбуждения между нейронами нервный импульс (или их
серия), распространяющийся по аксону первого нейрона, достигает концевых
бляшек и освобождает находящийся в них медиатор, который диффундирует через
щель к мембране второго нейрона, вызывает ее деполяризацию и появление воз-
будительного постсинаптичёского потенциала. Когда последний достигает кри-
тического уровня, во втором нейроне возникает потенциал действия, распростра-
няющийся в виде импульса по телу нейрона и его отростками. Если возбуждение
продолжается, то образуется серия импульсов.
У тормозных нейронов освобождающийся медиатор вызывает гиперполя-
ризацию постсинаптической мембраны, т. е. повышает критический уровень по-
тенциала образования возбуждающего импульса.
На каждой нервной клетке имеется множество (от десятков до тысяч) воз-
буждающих и тормозящих синапсов, действие которых суммируется, и’если ре-
зультаты суммирования превышают порог возбуждения данного нейрона, то
в нем образуется импульс возбуждения.
После проведения импульса наступает рефракторный период полной невоз-
будимости нейрона.
292
В нейронах центральной нервной системы может возникать и спонтанная
активность, т. е. появление одиночных или групп импульсов без действия внеш-
него раздражения.
Возбуждение нейрона может быть осуществлено путем непосредст-
венного раздражения аксона, например действием электрического на-
пряжения. При этом на выходе нейрона также возникает последова-
тельность (залп) импульсов, частота и число которых зависят от силы
раздражения. Непосредственное раздражение нейрона используется
при изучении его свойств в эксперименте и воспроизводится в его ма-
тематических моделях.
Предложены различные математические модели нейрона, прибли-
женно воспроизводящие его функции. Наиболее простая из них — ка-
лиево-натриевый насос — основана на теории нервного возбуждения,
разработанной к. Ходжкиным и А. Хаксли, и представляет уравне-
ния, описывающие зависимость мембранного потенциала нейрона от
проводимости мембраны для ионов калия и натрия.
Изменение мембранного потенциала U описывается уравнением
dU/dt + (1/C) (gh - gNa) и = kV,
где £к и gNa — проводимости мембраны для ионов К и Na, V — раз-
дражающий потенциал, С — удельная емкость мембраны, k — коэф-
фициент пропорциональности. При этом принимается, что между про-
водимостями gK и gNa имеется следующая зависимость!
dgyjdt = fe,gNa; dgt<Jdt = ktV — ^gNa — a-igK,
где V — раздражающий потенциал, kr, k2, а2 — коэффициенты про-
порциональности и размерности.
Решение этих уравнений для различных стадий возбуждения ней-
рона позволяет установить характер изменения во времени постсинап-
тического потенциала.
Предложены математические модели амплитудно-частотной харак-
теристики нейрона — уравнения, связывающие частоту импульсов
при возбуждении нейрона с величиной раздражающего потенциала.
Разработаны различные аналоговые модели нейрона, учитываю-
щие его характерные свойства. Простейшей моделью, отражающей ос-
новное свойство нейрона быть в одном из двух крайних состояний (за-
кон «все или ничего»): возбуждение — импульс на выходе или покой —
— нет импульса, — может быть любой электронный элемент, рабо-
тающий в двоичном коде, например триггер.
Моделью, учитывающей также и пороговые свойства нейрона, яв-
ляется формальный нейрон Маккалока и Литтеа. Формальный нейрон
представляет устройство (техническая реализация его может быть раз-
лична) со многими входами и одним выходом (рис. 283, а). На каждый
из входов могут одновременно (в момент f) поступать возбуждающие
(код «+1») или тормозящие (код «—1») импульсы (если импульс не по-
дается, то код «О»), которые алгебраически суммируются. Если их сум-
ма SBX больше, или равна заданному порогу A/(SBX > Н), то в следую-
щий момент времени t + 1 (отстоящий на один такт врабатывания уст-
293
ройства) нейрон возбуждается (на выходе код «1», рис. 283, б); если
SBI < Н, то остается невозбужденным (код «О», рис. 283, в).
Импульсы на вход нейрона могут поступать или от рецепторов внеш-
них раздражений, или от предшествующих нейронов, которые, как
указывалось, могут быть и возбуждающими (на рис. 284 показаны чер-
ными кружками) и тормозящими (кружок в крестиком). С помощью
формального нейрона (или их комбинаций) можно реализовать лю-
бую логическую функцию. Например, нейрон (рис. 284, а) в елучае
порога Н = 1 реализует функцию дизыбйкции «ИЛИ» (нейрон воз-
буждается под действием любого ₽|з возбуждающих импульсов); при
пороге Н—3 реализуется функция конъюнкции «И» (нейрон возбуж-
дается только при наличии импульсов на всех трех входах).
На рис. 284, б показана схема задержки возбуждающего импульса
на два такта.
Имеется разновидности нейрона, снабженная петлей обратной свя-
зи, по которой при возбуждении нейрона импульв возбуждения пере-
дается также и на его вход («запоминающий нейрон»). Состояние та-
Рис. 284 р'ис. 285
кого нейрона в момент t + 1 зависит не только от характера пришед-
шего импульса, но й от предыдущего (в момент /) состояния самого
нейрона. Например, нейрон с порогом Н = 1 (рис. 285, а), буду-
чи однократно возбужден (в момент Q импульсом от нейрона X, сохра-
няет это состояние и в последующие моменты, до прихода тормозя-
щего импульса; нейрон Z2 с порогом Н = 2 (рис. 285, б), будучи воз-
бужден, сохраняет это состояние только при условии поступления пов-
торных импульсов от нейрона X, и т. д.
На рис. 286 показана сеть из формальных нейронов, моделирую-
щая образование условного рефлекса (по А. Я. Лернеру). Сеть содер-
жит два рецептора, воспринимающих раздражения — безуслов-
ное и Хо — условное, пять нейронов: Z,, Z2, Z8 — запоминающие,
Z4 и У — эффекторные, и два накопителя Nt и No, которые возбуж-
294
даются только под действием определенного числа поступающих к ним
возбуждающих импульсов, причем Nx на выходе дает также возбуж-
дающие, a No — тормозящие импульсы.
При образовании условного рефлекса одновременно возбуждают-
ся рецепторы Хх и Хо; Xj посылает возбуждающие импульсы к Y и Zt
и тормозящий к Z2; Хо — возбуждающие импульсы к'Д, Zb Z4. При
этом Zx возбуждается, a Z2 остается невозбужденным. При повторном
возбуждении Л’1 и нейрон Zr будет посылать импульсы в Nx и, ког-
да их сумма достигнет порога, Nx пошлет импульс к Z8, который воз-
будится и будет посылать импульсы к Z*. Теперь независимо от им-
пульсов безусловного раздражения каждый импульс условного раз-
дражения (по цепи Хо — Z4) будет вызывать возбуждение эффектор-
рис. 2S6
ного нейрона Y. Условная связь образовалась. Однако ее надо под-
держивать периодически действием безусловного раздражения (тор-
мозящие импульсы к Z2). В противном случае импульсы условного раз-
дражения (без подкрепления безусловным), поступающего через Z2
в накопитель Л/о, через некоторое время вызовут его возбуждение и
образование тормозящего импульса, поступающего к Z8, — условная
связь будет нарушена (рефлекс угаснет).
Одна из возможных реализаций модели формального нейрона о по-
мощью электронной схемы на транзисторах представляет ждущий
мультивибратор (см. сноску на в. 161), собранный на транзисторах Тг
и Т8 (рис. 287). В исходном положении транзистор Тг заперт отрица-
тельным смещением на базе, поданным через делитель от незави-
симого источника смещения (—Еем). Потенциал смещения обусловли-
вает порог срабатывания мультивибратора. Транзистор Т8 открыт,
при этом потенциал в точке А высокий, а в точке Б — низкий.
На вход схемы (резисторы R, .... Rn) в случайном порядке по-
даются импульсы обоих знаков (возбуждающие и тормозящие), кото-
рые, суммируясь, образуют потенциал смещения на базе транзистора »
7\, включенного в качестве эмиттерного повторителя. Конденсатор
С2 обеспечивает суммирование импульсов также и по времени.
Положительный потенциал на выходе транзистора Тх (точка В) из-
меняется пропорционально смещению на базе. Когда он скомпевси-
рует отрицательное смещение на базе транзистора Т2, последний от-
кроется и произойдет опрокидывание мультивибратора (7\ открыт;
Т8 заперт). При этом потенциал скачком в точке А снижается, а в точ-
ке Б повышается. Это положение поддерживается в течение времени
295
перезарядки конденсатора Ся, затем мультивибратор возвращается
в исходное положение. В результате этого на выходе схемы образуют-
ся импульсы: в точке Б ~ положительный и в точке А — отрицатель-
ный* длительность которых обусловлена постоянной времени C9Rt.
На вход схемы подаются импульсы о постоянной амплитудой дли- ‘
тельностью 1 мс, такой же импульс получается и на выходе. Предель-
ная частота срабатывания схемы 500 Гц. _ •
В дальнейшем были разработаны более совершенные модели фор-
мального нейрона, в которых отражены также его прочие свойства!
возможность изменения порога возбуждения постсинаптического по- <
тенциала, рефракторность, спонтанная возбудимость и др.
Рис. 287
Нервная система и особенно ее центральный аппарат'(ЦНС) —
это сложная многоэтажная, иерархическая и многоконтурная си-
тема управления организмом. Ее самым замечательным свойством яв- ;
ляется высокоразвитая способность к самообучению, самоорганиза-
ции и самосовершенствованию.
Можно считать,.что определенные стороны механизма деятельности .
нервной системы (например, функция нейрона, центральная, регуля-
ция вегетативных функций и др.) в значительной степени изучены. Од-
нако еще недостаточно изучены общие закономерности взаимной коор-
динации различных частей ЦНС, организация поведенческих реакций, . ?
а также такие функции головного мозга, как память, сознание, мыш-
ление и т. п. Разрешение этих вопросов — ближайшая задача физио-
логии ЦНС, и кибернетика как наука, опирающаяся на общие зако-
номерности управления сложными системами, может оказать в этом
значительную помощь.
Как считает Н. М. Амосов, все элементы и системы организма, I
начиная с клетки н кончая-ЦНС, работают по определенным програм-
мам (алгоритмам). Эти программы заложены в элементах и подсисте- 1
мах организма, причем на более низких уровнях организации эти прог-
раммы имеют предопределенный характер, а на более высоких они
могут в значительной мере изменяться по содержанию и последова- -
тельности действий в зависимости от состояния организма и внешних
296
воздействий. Эта способность достирает наивысшей степени у голов-
ного мозга, который, как писал В. В. Парин, «... является наиболее
совершенной из (всех) самоорганизующихся систем».
Одним из элементов реализации программ деятельности в нервной
системе является, как известно, рефлекс. Основные программы —
программы жизнеобеспечения — вырабатывались организмами в
процессе эволюции, закреплялись в ЦНС и передавались по наслед-
ству. Это программы безусловных реакций (пищевой, оборонительной,
половой и др.).
Более высокоразвитые организмы вырабатывают программы в те-
чение всей жизни в порядке приспособления к изменяющимся усло-
виям и закрепления приобретенного опыта головным мозгом. Это ус-
ловно-рефлекторные реакции.
Однако условный рефлекс далеко не исчерпывает всей программы
деятельности головного мозга, в котором создаются новые програм-
мы, продиктованные какими-либо текущими обстоятельствами или
потребностями момента. Реакция головного мозга в этих условиях за
висит не только от поступающей к нему информации, но и от всего пред-
шествующего, сохраняющегося в памяти опыта. Получив новую ин-
формацию, головной мозг не только осуществляет и координирует цепь
ответных условно-рефлекторных реакций организма, но и сопостав-
ляет полученную информацию с какими-то заранее установленными и
сохраняющимися в памяти критериями и в зависимости от результа-
тов сопоставления принимает соответствующие решения. Так форми-
руется сложная цепь рефлексов, составляющих поведение высших
животных и человека.
П. R. Анохин разработал концепцию о том, что основным элемен-
том интегративной деятельности животного или человека в любом при-
способительном, в частности поведенческом, акте является функцио-
нальная система. Функциональная система представляет определен-
ный комплекс анатомо-физиологических образований, объединенных
в процессе выполнения некоторой полезной для организма функции.
Полезность для организма конечного результата действия функцио-
нальной системы является основным критерием (условием) ее образо-
вания*.
Функциональная система (схема на рис. 288) — это динамическая
саморегулирующая система, состоящая из центральной (управляю-
щей) части и периферической (исполнительной). Обе части связаны
замкнутой цепью инфюрмационных потоков: от управляющей часта
к исполнительной направлен поток эфферентных возбуждений (коман-
ды к действию), в обратном направлении — поток обратной афферен-
тации, т. е. сигналы от соответствующих периферических рецепторов
о результатах выполняемых действий (обратная связь).
Центральная часть системы в свою очередь состоит из двух подсис-
тем: аппарата афферентного синтеза и аппарата акцептора результа-
тов действия.
* П. К. Анохин считает, что' критерий полезности конечного результата
необходимо ввести в общее определение кибернетической системы (см. § 167)
297
Первой ступенью формирования любого поведенческого акта яв-
ляется афферентный синтез, который происходит следующим обра-
вом. Исходным фактором служит доминирующая мотивация, возни-
кающая как результат потребности организма (пусть, например, жи-
вотное испытывает голод); на мотивацию накладывается пусковой сти-
мул к действию (животное видит возможный источник пищи). Далее
животному необходимо решить, когда и какое действие следует осу-
ществить для удовлетворения данной потребности. Для этого необхо-
димо проанализировать информацию о состоянии окружающей сре-
. Г
Йусковой:
I CTMMynJ
| Память
Аффе-
рентный —»
синтез —»
r/AUl
Обратная аффеуентация
Действие
Результат
действия
Принятие
решения
Параметры
результата
7Ж
Эфферентные возбуждения
_________I I____________
Исполнительная
часть
Акцептор
действия
Программа
действия
Управляющая часть
LWA
Рис. 288
ды и самого организма, поступающую от соответствующих рецепто-
ров {обстановочные афферентаций), и прежде всего отобрать инфор-
мацию, наиболее полезную для реализации данной потребности (про-
должаем наш пример — характер предполагаемого источника пищи,
его место нахождения, степень голода, самочувствие самого животно-
го и т. п.). Отобранная информация сопоставляется е данными пред-
шествующего опыта животного, хранящимися в его памяти (удачные
и неудачные исходы в аналогичных случаях и т. п.).
Заключительным моментом афферентного синтеза является при-
нятие решения относительно конкретных действий и составление их
программы (например, броситься на добычу или, наоборот, подобрать-
ся к ней незаметно и т. п.). В соответствии с программой направляет-
ся поток команд {эфферентные возбуждения) к органам исполнитель-
ной части.
Одновременно с принятием решения формируется аппарат акцеп-
тора результатов действия, в котором моделируются признаки ожи-
даемого результата (удовлетворение потребности), эти признаки сли-
чаются затем о данными действительного результата, поступающими
от исполнительной части системы, путем обратной афферентации ст
соответствующих рецепторов. Таким образом, акцептор результатов
298
I'
I
действия осуществляет контроль за сортвеТствием действительного ре-
вультата и ожидаемого в еогласии в принятым решением. Евли соот-
ветствие установлено, то создается эмоция удовлетворения, если со-
ответствия нет, го акцептор результатов действия вырабатывает им-
пульсы, возбуждающие поиск новых комбинаций эффекторных воз-
буждений (коррекция программы действий), пока не будет обеспечен
ожидаемый результат. Таков, согласно П. К. Анохину, механизм са-
морегуляции функциональной системы.
Глава 33 »
X МЕДИЦИНСКАЯ КИБЕРНЕТИКА*
§ 178. Задачи медицинской кибернетики
Медицинская кибернетика — это направление кибернетики, изучаю-
щее проблемы организации и управления в медицине и здраво-
охранении.
В медицинской кибернетике можно различить три раздела**:
1) общий, или медико-биологический, в котором изучается струк-
турная и функциональная организация элементов и систем организ-
ма человека в норме и особенно при патологии, а также разрабатыва-
ются и исследуются математические модели патологических процес-
сов с целью использования их при диагностике, прогнозировании, и
лечении болезней. Этот раздел тесно связан е физиологической кибер-
нетикой;
2) клинический — совершенствование' диагностического и лечеб-
ного процессов. Основные задачи: автоматизация сбора и обработки
медицинской информации; разработка специальных приемов диаг-
ностики с использованием математического аппарата и математи-
ческих моделей; синтез оптимальных систем лечебного воздействия
и т. П.£
3) организация системы медицинского обслуживания населения
(массовые профилактические осмотры, противоэпидемические ме-
роприятия, охрана внешней среды и т. д.), а также организация и
управление всей системой здравоохранения на различных уров-
нях.
Для всех этих разделов характерны сбор, хранение и переработка
разнообразной информации, содержание и форма представления кото-
рой весьма различны. В первом разделе — это общебиологическая ин-
формация об организме человека в норме и патологии. Во втором —
это информация, главным образом о состоянии больного и течении
заболевания. Такая информация содержится в его истории болезни,
которая является основным документом, сопровождающим больного
• Данная глава содержит только начальные сведения в этой области, даль-
нейшее развитие которых является задачей специальных и клинических кафедр.
♦* В данном учебнике в соответствии о программой кратко изложен толь-
ко второй раздел.
299
во все время болезни, и содержит все необходимые данные о течении
болезни, проведенных исследованиях и лечебных мероприятиях и т. п.
История болезни — это информационная модель больного, о помощью
которой решаются вопросы диагностики и лечения. К этому разделу
относится также информация о методах описания симптомов болезни,
диагностических и лечебных средствах, различных показателях и нор-
мативах и т. д. I
Медицинская кибернетика — это не просто новый полезный ме-
тод, который дополняет существующие, традиционные, это новый
принцип подхода к организации лечебного процесса, к организации
всей медицины, йеревод ее на новый современный, качественно более
высокий уровень. Однако, для того чтобы получить при этом полный
эффект, необходимо, чтобы вся медицинская система (а не только от-
дельные ее разделы или подсистемы) перешла на новые методы рабо-
ты.
На сегодняшний день медицинская кибернетика еще далеко не до-
стигла необходимой степени практического распространения и для
этого требуется еще большая подготовительная работа.
Возможности использования кибернетических методов в медици-
не тесно связаны с развитием ее технической базы, основу которой со-
ставляют электронные вычислительные машины или различные спе-
циализированные устройства. Среди этих возможностей в первую оче-
редь можно назвать следующие: внедрение машинной диагностики,
автоматизированная обработка экспериментальных и клинических
данных, в частности результатов массовых профилактических осмот-
ров населения, введение автоматического врачебного контроля в от-
делениях интенсивного наблюдения и операционных, создание сис-
тем информационного поиска медико-биологической информации и
т. д., к рассмотрению, которых и переходим.
§ 179. Кибернетика в клинической диагностике
Клинической диагностикой называют процесс определения харак-
тера заболевания на основании его признаков, установленных при
исследовании больного.
Схему процесса диагностики заболевания можно представить сле-
дующим образом (рис. 289). Сначала собирается информация о жало-
бах и состоянии больного (анамнез), а также данные субъективного и
объективных (инструментальных и лабораторных) исследований. За-
тем врач, анализируя эти данные, составляет общую картину заболе-
вания и сопоставляет ее с типичными картинами известных ему забо-
леваний. Заболевание по комплексу признаков (симптомокомплексу),
наиболее близкое к картине, наблюдаемой у данного больного, и оп-
ределяется как предварительный диагноз, на основании которого со-
ставляется план лечения больного. Обычно диагностический процесс
продолжается и- в период лечения, когда предварительный диагноз
уточняется на основании наблюдений течения ваболевания, данных
дополнительных исследований и т. п. .
300
С точки зрения кибернетики,
диагностика — это процесс переработки информации, происходя-
* щий в управляемой системе: врач — управляющая часть, боль-
ной — объект управления.
й Первый этап диагностического процесса — сбор информации о co-
s' • стоянии больного (входные данные), второй этап — переработка ин-
s. формации: отбор наиболее существенных данных, сравнение hxjs
Рис. 289
нормой и системанизация в определенный симптомокомплекс; тре-
К тий этап—сопоставление его с данными об известных заболеваниях и
К принятие решения о том, какое
К вует данным о состоянии больного.
№ диагноза, который и берется в ка-
Ц' честве выходных данных.
На основании диагноза состав-
IP' ляется план лечения — совокуп-
Кч ность управляющих команд, пере-
Ш даваемых больному. Затем, по-
Ж£• скольку система врач — больной
замкнута, по каналу обратной свя-
W' ви (риа. 290) информация об изме-
й|" нении состояния больного в резуль-
№ тате произведенных лечебных ме-
№ роприятий поступает обратно к
Ц'. врачу, анализируется им и в зави-
Ц- симости от ее содержания вырабатываются новые корректирующие
Ц команды, передаваемые на объект (это могут быть, например, иазна-
чения дополнительных исследований для уточнения диагноза, новые
лечебные мероприятия и т. п.). Цикл обмена информацией может
К;, . повторяться.
Цг Таким образом, диагностический процесс состоит из следующих
Ц этапов (рис. 289):
1) сбор информации, ее оформление и хранение (составление ис-
gfe' тории болезни);
заболевание наиболее соответст-
Это завершает процесс постановки
Рис. 290
301
2) обработка информации, отбор наиболее существенных данных
и придание им формы, удобной для анализа;
3) анализ отобранных данных и сопоставление их с симптомами
известных заболеваний; принятие решения — постановка диагноза.
На аналогичных принципах построена и возможность прогнозиро-
вания течения заболевания, реакции больного на действие тех или и
иных лечебных средств или изменения состояния во время операции
и т. д. При этом также динамика состояния данного больного сопостав-
ляется о известными врачу течениями болезни в соответствующих ти-
пичных случаях. Если данные о текущем состоянии полностью этому
не соответствуют, то производится необходимая экстраполяция.
Для эффективности диагностического процесса необходимы опреде-
ленные предпосылки. Во-первых, информация о состоянии больного
должна быть достаточно полной, достоверной и представленной в фор-
ме, удобной для анализа. Во-вторых, в памяти врача должен быть весь-
ма обширный запас сведений о различных (не только чавтых, но и
редких) заболеваниях и их характерных признаках. В-третьих, врач
должен иметь достаточный опыт в оценке диагностической ценности
тех или иных признаков при различных заболеваниях.
В связи е этим основной задачей при сборе информации о больном
является получение данных, наиболее ценных для диагностики. Для
этого сбор первичной информации должен производиться по заранее
намеченному плану, при составлении которого должна учитываться
сравнительная ценность того или иного признака для диагностики
предполагаемого заболевания, а сам план может по ходу действия кор-
ректироваться в зависимости от результатов предварительного анали-
за уже собранных данных. Полученная первично информация обычно
требует обработки с целью, во-первых, устранения бесполезной, из-
быточной информации и выбора из множества полученных данных
наиболее ценных для диагностики, во-вторых, представления выбран-
ной информации в форме наглядной и удобной для последующего ана-
лиза, например данные электрограмм (ЭКГ, ЭЭГ и др.) в виде таблиц
с указанием амплитуд зубцов и длительности интервалов и т. п.
Существенным моментом в обработке информации является срав-
нение полученных данных со средней нормой. В большинстве случаев
именно степень отклонения от нормы представляет диагностический
признак. В результате сравнения еще больше устраняется избыточность
информации, сокращается число признаков, на которых основывается
диагноз.
Итак, для постановки диагноза необходимо проанализировать и
сопоставить информацию о признаках еостояния данного больного в
комплексами признаков, характеризующих возможные в данном слу-
чае типичные заболевания, которые хранятся в памяти врача, и на
основании этого принять решение о диагнозе болезни. Этот процесс
требует последовательности определенных действий, которые и со-
ставляют диагностический алгоритм. Элементарным шагом в этом
алгоритме является логическая операция сравнения, при помощи ко-
торой устанавливается совпадение или несовпадение каждого из при-
внаков, имеющихся у данного больного, с признаками того или иного
302
типичного заболевания. На основании результатов , т. е. вовпадення
или несовпадение большинства признаков, осуществляется заключи- ’
тельный этап процесса — принятие решения в пользу того или иного'
диагноза. Это решение является простым в случаях, когда весь набор
признаков (симптомокомплекс), имеющихся у данного больного, од-
нозначно совпадает с комплексом признаков определенного заболева-
ния. На-практике это встречается не столь часто, только в случаях
«классического» течения заболевания, и тогда диагностика не представ-
ляет особых затруднений.
В большинстве случаев таким путем можно установить только не-
сколько возможных диагнозов и в некоторых случаях еще и их отно-
сительную вероятность, тогда постановка диагноза делается врачом
на основании результатов изучения опыта, накопленного в меди-
цине в этой области, а также личного опыта врача.
Кибернетика в этом случае дает возможность разработать не-
которые общие алгоритмы (врачебную логику) rjv* решения диагнос-
тических задач с использованием математического аппарата логики,
статистики и теории вероятностей, а также решить поставленную за-
дачу с помощью вычислительной машины. Это значительно ускоряв!
постановку диагноза и благодаря значительно более совершенной
(практически неограниченной по объему и всегда готовой к. воспроиз-
ведению записанной в ней информации) памяти машины делает его бо-
лее точным и надежным. Кроме того, разработка общих принципов и
схем сбора и переработки информации дает возможность автоматизи-
ровать эти весьма трудоемкие этапы диагностического процесса и пе-
редать их выполнение также вычислительной машине, чтоб значитель-
ной мере облегчает работу врача и дает возможность получить резуль-
таты более быстрым и эффективным образом.
Применение в диагностическом процессе методов кибернетики и
средств вычислительной техники называют машинной диагностикой,
которая в современной медицине получает все большее и большее рас-
пространение. Для ускорения этого процесса необходимЬ обеспечить
разработку алгоритмов и составление диагностических таблиц (см. да-
лее) по различным группам заболеваний, а также внедрение в клини-
ческую практику новейших достижений техники в области автомати-
зации'процесса сбора, обработки и анализа медико-биологической ин
формации, в частности, — использование для этой цели электронных
вычислительных машин, а также различных специализированных ло-
гических устройств. .
§ 180. Основные виды врачебной логики
Основой диагностического процесса служат диагностические таб-
лицы, в которых сопоставлены нозологические формы определенного
класса заболеваний с характерными для них признаками, или симп-
томами. Взаимная связь между ними в простейшем случае указыва-
ется цифровым двоичным кодом: 1 — наличие признака, О — его от-
сутствие (см. таблицу). В более подробных таблицах .указывается
зоз
число, характеризующее вероятность наличия определенного симпто-
ма при том или другом заболевании. Такие таблицы составляются в
диагностических центрах (см. § 183) иа основании статистической об-
работки достаточно, большого числа историй болезней с проверенны-
ми диагнозами.
Алгоритм диагностического процесса зависит от вида принятой при
этом врачебной-логики. Наиболее распространенными являются сле-
дующие три вида врачебной логики: детерминистская, информацион-
но-вероятностная и логика фазового интервала.
Детерминистская логика — это наиболее простой диагностичес-
кий прием, основанный на прямых (однозначных} связях между нали-
чием (или отсутствием) у больного определенных симптомов и диагнозом
заболевания. Диагностическая таблица составляется в форме матри-
цы; в таблице* указано наличие (код 1) или отсутствие (код 0) тех или
иных (обычно наиболее характерных, решающих) признаков при оп-
ределенных заболеваниях:
№ п/п Симптомы Диагнозы
I Инфаркт миокарда и Шок (третья степень) III Пробод- ной пе- ретопит IV Острая не- достаточность кровооб- ращения
1 Боли в области сердца 1 0 0 1
2 Болн в животе 0 0 1 0
3 Повышение температуры 1 "0 1 0
4 Понижение » 0 1 0 0
5 Лейкоцитоз 1 0 1 - о
6 Нарушение сердечного рит- ма 1 0 0 0
7 Повышение артериального давления 1 • 0 0 0
8 Снижение артериального дав- ления 0 I 1 1
9 Шум трения 1 0 0 0
10 Изменение электрокардио- граммы 1 0 0 0
11 Бледность кожи 0 1 1 1
12 Ощая заторможенность 0 I 1 о -
13 Учащение пульса 0 I 1 1
14 » дыхания 0 1 0 1
15 Угнетение рефлексов 0 I 0 0
16 Напряжение брюшной стенки 0 0 1 . - 0
17 Вздутие живота 0 0 1 0
18 Общая слабость, головокру- жение 0 0 0 I
19 Расширение сердца 0 0 0 1
20 Приглушение тоиоа сердца 1 0 0 1
• Таблица и приведённый ниже пример заимствоааиы из ки.: В В. Па-
ин, Р. М Баевский. Введение в медицинскую кибернетику. — Мл
Медицина, 1966.
304
Диагностический пропесо, называемый матричным алгоритмом,
ваключается в том, что перечень симптомов, имеющихся у данного
больного, последовательно сопоставляется о симптомами, указанны-
ми в таблице, поочередно для всех диагнозов. При малом числе как
симптомов, так и заболеваний это может быть осуществлено непосред-
ственно самим врачом, при значительном числе это становится затруд-
нительным и тогда используется помощь специализированного логи-
ческого устройства (вычислительной машины).
В последнем случае данные, характеризующие состояние больного
(в общем случае вместе с данными объективных исследований), представ-
ляются в виде таблицы, построенной аналогично диагностической, так-
же с отметками 1 и 0 при
наличии или отсутствии
симптома^ Эти данные в
,вакодированном виде нано-
сятся на перфокарту и вво-
ДЯТСЯ В машину, В память Подготовка
которой предварительно информации
записана диагностическая __________ ___________________
таблица. Машина для каж- диагностика1
дого из симптомов произ-
водит сравнение кода 1 • ₽и<-291
или 0, указанного на пер-
фокарте, с соответствующим кодом в диагностической таблице при
определенном диагнозе. Сравнение повторяется по всем диагнозам,
имеющимся в таблице.
Работа логического устройства происходит примерно в следующем
порядке (см. схему на рис. 292):
1) выделить из диагностической таблицы очередной столбец симпто-
мов;
2) выделить очередной симптом из имеющихся у больного и сравнить
с данными соответствующей строки столбца таблицы;
За) если совпадают, отметить I 36) если ие совпадают, отме-
на первом регистре; | тить на втором регистре;
4) выделить следующий симптом, имеющийся у больного, и сравнить
с данными следующей строки столбца таблицы;
5а) если совпадают, отметить
на первом регистре, и т. д.
6а) просуммировать число слу-
чаев совпадения, записать
на регистре;
56) если не совпадают, отме-
тить на втором регистре,
и т. д.
66J просуммировать число слу-
чаев несовпадения, запи«.
сать на регистре.
7) перейти к следующему столбцу диагностической таблицы и т. д.;
8) выдать результат, ваписанный на регистрах.
Примерная блок-схема простейшего автоматического устройства,
реализующего подобный алгоритм, приведена на рис. 291.
П Н. М. Ливеицев
305
Если будет отмечено полное совпадение признаков, имеющихся у
больного, с признаками, характеризующими определенное заболе-
вание, то машина и выдает код диагноза этого заболевания. Как ука-
зывалось, такое совпадение получается не часто — только в случае
типичного течения заболевания.
Чаще имеет место совпадение только по нескольким признакам.
Например, допустим, что у больного А имеются признаки (см, табл,
на с. 304): № 1, 3, 6, 7, 13, 14 и 20, а у больного Б — № 1, 4, 6, 8, 13,
14 и 20. Результаты сопоставления, которые выдает машина, приведе-
ны в таблице:
Диагноз Сумма совладений признаков у больного _ *
А Б
(
Инфаркт миокарда 5 3
Шок 2 4
Прободной перитонит 2 2
Острая недостаточность кровообраще- ния । 3 5 t
В данном, заведомо упрощенном, случае с помощью матричного
•алгоритма можно установить, что Наиболее вероятным диагнозом у
больного А является инфаркт миокарда, а у больного Б — острая не-
достаточность кровообращения.
В более сложных случаях матричный алгоритм (детерминистская
логика) Позволяет установить только несколько возможных диагно-
зов и исключить заведомо'маловероятные при данной симптоматике.
Для постановки диагноза требуются дальнейшие уточнения, резуль-
татов, которые могут быть обеспечены только с помощью ’более слож-
ных алгоритмов. Однако это не снижает полезности матричного алго-
ритма хотя бы как первой ступени — установления предварительно-
го диагноза, например на станциях скорой помощи, в приемных и по-
ликлинических отделениях крупных больниц и т.п.
На принципе детерминистской логики (жесткая программа,
'матричные алгоритмы) путем сравнения показателей у данного боль?
ного со средними данными нормы (т. е. сравнение уже в количествен-
ном соотношении) основано действие автоматических устройств для
контроля состояния больного, например во время операции, при на-
блюдении за состоянием тяжелобольных или при массовых профи-
лактических обследованиях населения и т. п. В этих случаях при-
меняются автоматизированные устройства, которые в случае, когда
результаты сравнения выводят за данные пределы, подают соответ-
ствующий сигнал (см. § 181),
Основным недостатком детерминистской логики является то, что
она основывается только на условии наличия или отсутствия симп-
тома и не учитывает его значения при различных заболеваниях. В свя-
зи с этим разработаны более совершенные в этом отношении методы
информационно-вероятностной логики.
306
2, Информационно-вероятностная логика. При определении диаг-
ноза болезни, т. е. выбора его из нескольких других возможных, зна-
чение имеет не сама вероятность наличия при этом того или иного симп-
тома заболевания (такая же вероятность может быть и при других за-
болеваниях, например повышение температуры — симптом, одинако-
во вербятный при многих заболеваниях), а то, насколько эта вероят-
ность отличается от вероятностей при других заболеваниях. Для
учета относительной значимости (специфичности) того или иного симп-
тома при данном заболевании вводят понятие о информационном, или
диагностическом, весе симптома.
Согласно М. Л, Быховскому,
информационный вес симптома s< при диагнозе d} опреде-
ляется тем, насколько наличие этого симптома увеличивает веро-
ятность диагноза dj сравнительно с другими, возможными в этом
классе заболеваний,
т. е. Каково соотношение между вероятностью P(d}/Si) диагноза dj при
наличии симптома st и заранее известной вероятностью P(dj) этого за-
болевания среди других заболеваний данного класса. Для определе-
ния информационного веса симптома при диагнозе dj им предложена
формула
Hd/lst) = log [Р (dt/st) /P(dj) ,1.
Информационный вес тех или иных симптомов при определенных
заболеваниях можно установить путем анализа клинического опыта,
включая в изучение архивов историй болезней. Данные, получен-
ные таким образом, используются, например, в методе информацион-
но-вероятностной логики, предложенном М. Л. Быховским.
В основу метода положена диагностическая таблица, составленная
для определенного класса заболеваний, в которой указаны условные
вероятности Pfa/dj) всех возможных симптомокомплексов slt s2, ...,
slt •», sn при различных заболеваниях d1( d2, ..., dJt .... dm, относящих-
ся к данному классу. Кроме того, в таблице (крайний столбец слева)
указаны абсолютные вероятности P(d/) появления этих болезней
у определенной группы населения, к которой можно отнести данного
больного,
Составление таких таблиц требует большой предварительной ста-
тистической обработки имеющихся клинических данных, из которых
непосредственно можно установить только частоту появления опре-
деленных симптомов при различных заболеваниях:
Р(<Ъ) 'd. Si 8« • • • Bi ... Sn
Р(4) dt PfSl/d,) P(s./di) • • • • • • ... P(sn/di)
Р(Л) d, P(Si/d,) PlSj/rfJ ... ... ... ...
11*
307
Продолжение
m) dg РЫЬ) • • • ••• ... • • . . ♦ •
... ... ... ... • • • ... ...
PWj) dj ... ... • * • P(st/dj) ... ...
••• ... ... ... • * * • • • • • • « • •
P(dm) ^Ч41/dm) • • • ... * • • ... P(snLam)
Задача диагностики заключается в том, чтобы на основании симп-
томокомплекса sf, установленного у больного, и данных диагностичес-
-кой таблицы определить вероятности P(dj/st) каждой из имеющихся
в таблице болезней dlt d2, .... dit .... dm. Болезнь, имеющая наиболь-
шую вероятность, и будет искомБПй диагнозом. Для решения этой за-
дачи надо от указанных в таблице вероятностей комплекса st при раз-
личных заболеваниях dj, т. е. P(si/dj), перейти к искомым вероятнос-
тям P^djlst), т. е. вероятностям различных заболеваний dj при комплек-
се St. Это можно сделать на основании теоремы об умножении ве-
роятностей с использованием формулы Байеса (см. § 96), ко-
торая применительно к данному случаю принимает вид
- ‘ р w<)==_^A.^W .,
2 p(d7)p(8j/dj)
I—m.
где P(dt!st) — искомая вероятность того, что при данном симптомо-
комплексе st у больного имеется заболевание dit P(si/dt) — известная
из диагностической таблицы вероятность наличия симптомокомплекса
Sj при заболевании dj, P(dj) — вероятность заболевания dj в данной
группе населения. Произведение P(d,)P(sl/dj) — числитель формулы —
соответствует вероятности совпадения (в данной группе больных)
симптомокомплекса sf и заболевания d}, т. е. P(st и dj). Знаменатель
формулы ^.P(dj)P(si/dj) представляет полную вероятность наличия ком-
1— т
плекса st при всех болезнях d, которая характеризует распространен-
ность этого комплекса при других заболеваниях данного класса. Чем
ближе величина знаменателя формулы к величине чйслителя, тем вы-
ше специфическое значение симптомокомплекса S| для -заболевания
dj. Таким образом, в формуле учитывается информационный вес симп-.
томокомплекса st при заболевании dj,
зов
Покажем применение формулы на простейшем примере. У некоторого боль- -
ного имеется симптомокомплекс s4. Найти вероятность болезней^ представленных
в следующей диагностической таблице:
Вероятность болезни Болезнь Вероятность симптомокоплекса
•i •i «4
0,3 di 04 0 0,1 0,2 0,26
0.4 da 0 0,4 0.2 0,2 0,5'
0,1 d» 0,1 0 0,6 0,3 0
0,2 dt 0,3 0,2 0 0,1 0,5
Решение!
0.30.2 0.06
0,3 0,2+0,4 0,2+0,1 0,3+0,2-0,1 0,19 ® 1/3}
0,4 0,2 0,08
P (da/s4) «= 0,19 0,19 ~ 1/2, •
0,1 0,3 0,03 “ -
P(d3/S4)° 0,19 0,19 ' 1/6» •
0,2 0,1 0,02
P(d4/s4)=>- 0,19 0,19 1/8»
Наиболее вероятна болезнь da.
При использовании вероятностной логики алгоритм постановки
диагноза требует значительно более сложных вычислений, чем при
детерминистской логике, и может быть реализован только с помощью
вычислительной машины (ЭЦВМ).
3. Метод фазового интервала основан на понятии о пространстве
признаков (см. § 172). В этом «-мерном пространстве состояние боль-
ного обозначается точкой, каждая из п координат которой соответству-
ет признакам этого состояния. Поскольку одно и то же заболевание у
различных людей может протекать с несколько различным комплексом
, признаков, обозначаемых одной точкой, определенное заболевание в
фазовом пространстве признаков'будет представлено группой (Мно-
жеством) точек по числу обследованных^больных (рис. 293; точки А,
В, С и т. д. показаны условно на плоскости). В каждой группе наме-
чается центр — геометрическое место точек, наиболее густо располо-
женных, — который соответствует признакам наиболее типичного
течения данного заболевания (см. группу Л).
При диагностике по совокупности признаков, имеющихся у боль-
ного, определяют соответствующую точку в фазовом пространстве и
по ее положению решают, к какому из представленных на диаграмме
заболеваний она ближе всего, подходит, Это и .будет искомый диаг-
ноз.
Диагностика усложняется в елучаях, когда данная точка попада-
ет в область перекрытия признаков двух или нескольких заболеваний
(точка или когда она попадает в место от них удаленное (точка ТИ2).
309
В первом слу.чае путей статистической обработки исходных данных
уменьшают разброс их около центра и таким образом устраняют вза-
имное перекрытие признаков. Во втором случае путем специальных
Цикл по признакам
диагнозов
Рис. 292
рке. 293
математических приемов вычисляют величину интервалов Dme kJ>mp
\ между положениями точки М и групповыми центрами признаков за-
болеваний (рис. 293). Заболевание, характеризуемое группой призна-
ков, отделенных от данной точки М
наименьшим интервалом, и принимается
за искомый диагноз.
*7 Метод фазового интервала требует
сложных вычислений и поэтому приме-
£ няется только в случаях, когда рассмот-
ренные выше табличные методы не дают
удовлетворительных результатов.
Кроме быстроты и большей досто-
верности машинная диагностика пред-
ставляет значительные ' преимущества
благодаря способности машины к само-
V совершенстваванию путем самообучения
*’ (см. §171).
Самосовершенствование диагностиче-
ской машины заключается в том, что
по мере накопления собственного опыта в этом отношении машина
исправляет и дополняет данные первоначально введенных в нее
диагностических таблиц [вероятностй PisJdj) и P(dj) J. Для этого в ма-
310
шину вводят результаты верификации -поставленных ею диагнозов,
полученные в клинике при анализе результатов лечения, катамнести-
ческих наблюдениях, посмертном вскрытии и т, п. Обработав эти дан-
ные (по заданной программе), машина вносит соответствующие поправ-
ки к данным диагностических таблиц.
Блок-схема самообучающейся диагностической системы приведе-
на на рис, 294.
• Кроме того, накапливая в процессе самообучения достаточный опыт
относительно диагностической ценности того или иного признака (и
соответствующего исследования), машина дает возможность начинать
Рис. 294
диагностику при сравнительно небольшом количестве исходных дан-
ных, указывая затем по ходу действия дополнительные исследования,
которые действительно необходимы для постановки достоверного ди-
агноза, избавляя таким образом больного от излишних исследований,
которые могут быть ему тяжелы или неприятны.
§ 181. Системы врачебного контроля
В настоящее время получают распространение автоматизирован-
ные системы оперативного врачебного контроля (АСОВК). Такие сис-
темы обеспечивают непрерывное получение физиологической инфор-
мации о состоянии наблюдаемого человека, автоматический анализ и
оценку ее с индикацией результатов и сигнализацией о необходимости
проведения соответствующих мероприятий, а в некоторых случаях и
их автоматического выполнения. Эти системы применяются прежде
всего при наблюдении за состоянием тяжелобольных, а также во вре-
мя операций. Применяются они и при наблюдении за состоянием здо-
ровых людей, подвергающихся экстремальным воздействиям, напри-'
мер, невесомости, динамическим перегрузкам, интенсивному радио-
активному облучению и т. п.
К врачебному контролю относятся также периодические профи-
лактические обследования определенных групп здоровых людей (спорт-
смены, рабочие вредных или тяжелых профессий и т. д.).
Основные- показатели, регистрируемые при АСОВК: электрокар-
диограмма (зубец QfiS)K частота пульса и дыхания, температура тела
и во многих случаях также артериальное давление, показатели КГР
и др. Обработка этих данных заключается в основном в сравнении за-
регистрированных показателей с’нормой или с заданными допустимы-
ми пределами отклонений и выработке соответствующих сигналов,
311
Поскольку АСОВК выполняет ограниченный круг определенных
функций, она обычно строится иа основе небольшой специализирован»
ной ЭЦВМ или Логического устройства, в котором информация обра-
батывается по жесткой программе.
Примерная блок-схема устройства АСОВК для наблюдения за
состоянием тяжелобольных состоит -из следующих элементов (рис.
295); датчик Д соответствующего показателя, наложенный иа больно-
го, усилитель, й преобразователь У сигнала в рабочий код логическо1
го устройства, само устройство (или блок ЭЦВМ), в котором происхо-
дят анализ информации и операция сравнения с заданными данными,
Рис. 29S
устройство для хранения этих данных (память) и выходной преобразо-
ватель, формирующий сигналы по отдельным показателям., Сигналы
по отдельным признакам могут суммироваться в соответствующем ло-
гическом устройстве, после чего выдается обобщенный сигнал тревоги
зй общее состояние больного.
• Пульт П с сигналами по отдельным показателям находится у пос-
тели каждого больного, кроме того, сигналы передаются на централь-
ный пульт ЦП у дежурной сестры (рис. 296). На этот пульт выносится
и сигнал тревоги.
В операционных сигналы АСОВК высвечиваются на табло, нахо-
дящемся в поле зрения хирурга.
При АСОВК за людьми, находящимися в рабочих условиях, не-
посредственно у них располагаются только датчики и блок с усили-
телем-преобразователем. К анализирующему устройству информация
передается по проводам или эфиру (см. § 143).
При профилактических обследованиях применяется,- например,
анализатор электрокардиограммы в первом отведении (рис. 297). Ап-
парат представляет логическое устройство для сравнения регистри-
руемого обычным образом сигнала с нормальным. На панели аппа-
рата показан график зубца, в характерных точках которого располо-
жены лампочки, сигнализирующие отклонение от нормы соответствую-
312
щих параметров. При обнаружении отклонений обследуемый направ-
ляется в клинику для подробного исследования.
В расвмотренных АСОВК анализируется только текущее состояние
больного (или обследуемого). Разрабатываются и начинают применять-
П
Рис. 296
ея АСОВК, в которых прогнозируются возможные изменения этого
состояния.-Для этого в памяти ЭЦВМ системы предварительно записы-
ваются основанные на достаточном опыте данные о том, как то или
иное изменение состояния боль-
ного в аналогичном случае отра-
жалось на регистрируемых по-
казателях, а также вводится
специальная программа. Полу-
чая от датчиков, расположен-
ных у данного’ больного, инфор-
мацию о динамике соответст-
вующих показателей и сравни-
вая ее с данными, записанными
в памяти, машина прогнозирует
возможное дальнейшее течение
процесса и при необходимости
вырабатывает предупредитель-
ные сигналы. Это помогает
врачу предупредить грозящие
осложнения.
Предполагается, что в дальнейшем возможности такого прогнози-
рования будут расширяться благодаря использованию математичес- - g
ких моделей функции организма. Прогнозирование при этом будет ос- -
новываться на решении уравнений, представляющих модель, с различ- .J|
ними Вариантами параметров, соответствующих текущим показате- .
лям состояния больного. >
...........________________:________ - —
Рис. 297
§ 182. Кибернетика а лечебном процессе
Согласно Н. М. Амосову, в основе болезней лежит нарушение
нормальной функции той или иной регулирующей системы, вызван-
ное вредоносным воздействием, а лечение — это процесс управления
организмом с целью восстановления его нормального состояния.
Обмен информацией в системе врач — больной, начавшийся при
диагностическом процессе, продолжается и в период лечения. Врач
наблюдает реакцию больного (субъективное наблюдение, данные инст-
рументального исследования или соответствующих тестов) и, анали-
зируя ее, корректирует лечение — характер лечебных воздействий
и их дозировку. Во многих случаях это требует достаточно быстрой
обработки большого количества информации, что становится затрудни-
тельным для врача. В этом отношении значительную помощь врачу
может оказать применение специализированных вычислительных ма-
шин.
Такая машина на основании выработанной заранее и введенной в *
нее программы может составить план лечения, а затем корректировать
его в соответствии с поступающей информацией о состоянии больного.
Сложность в этом вопросе представляет составление программы,
в которой должны быть учтены общие правила лечения при данном
заболевании, а также различные варианты лечения в зависимости от
индивидуальных особенностей общего состояния и чувствительности
(реактивности) больного к тем или иным воздействиям.
В настоящее время.подобные автоматические системы уже приме-
няются при критических состояниях, например во время тяжелых опе-
раций, когда врачебный контроль дополняется построенным на ба-
зе ЭЦВМ автоматическим устройством, которое анализирует инфор-
мацию, поступающую от больного, и «подсказывает» хирургу оптималь-
ное решение в ходе операции, а в случае необходимости оказывает
больному экстренную помощь (инъекция адреналина, введение кро-
везамещающей жидкости и т. п.).
К области применения кибернетики в лечебном процессе относит-
ся также биоуправление различными функциями организма, которое
заключается в том, что в качестве управляющих сигналов или сигна-
лов .обратной связи при лечебных воздействиях используются биопо-
тенциалы соответствующих органов. Биоуправлениё развивается в трех
направлениях: а) лечебное воздействие на патологически изменен-
ные органы с помощью биопотенциалов здорового организма, б) ав-
томатическое регулирование параметров лечебного воздействия с по-
мощью биопотенциалов самого больного органа, в) управление с по-
мощью биопотенциалов техническими устройствами, применяемыми в
лечебном процессе.
В качестве примеров можно указать следующие аппараты: разра-
ботанный в Институте кибернетики АН УССР аппарат (Миотон), в ро-
' тором для стимуляции паретичных мышц применяются усиленные
биопотенциалы здоровых мышц донора; аппарат для электросна, вы-
зываемого действием на головной мозг импульсов, воспроизводящих
форму биопотенциалов, записанных у этого же больного во время ес-
' 314' '
Рис. 298
тественного сна; разработанный в ЦНИИ курортологии и физиотера-
пии аппарат для электростимуляции мышц импульсным током, часто- *
та которого регулируется автоматически в зависимости от изменения
биопотенциалов пораженных мышц; аппарат для автоматической
дозировки ингаляционного наркоза в зависимовти от измене-
ния биопотенциалов головного мозга, характеризующих глубину
наркоза, и т. д.
Примерами технических устройств, управляемых биопотенциа-
лами, являются биоуправляемые протезы кисти, а также водитель сер-?
дечного.ритма (см.далее —
вариант о управлением от
биопотенциалов предсер-
дия).
Б неуправляемый протез
кисти, («железная рука»)
устроен так (рис. 298, а).
На сохранившихся мышцах
культи плеча укрепляются
электроды Э (рис.’ 298, б),
отводимые с их помощью
биопотенциалы усиливают-
ся, интегрируются и посту-
пают в блок формирования
управляющего сигнала, амплитуда которого пропорциональна общей
мощности биопотенциалов. Сигнал приводит в действие находящуюся
в гильзе Г механическую часть протеза, которая и осуществляет дви-
жение сгибания или разгибания пальцев кисти. Эти движения
управляются путем произвольного сокращения соответствующих
мыщц плеча, которое сопровождается образованием биопотенциа-
лов.
Разработаны также более сложные системы протезов, в которых
кроме выполнения определенных движений обеспечивается восприя-
тие некоторых внешних воздействий, например давление, т. е. возме-
щается не только двигательная, но частично и чувствительная (так-
тильная) функция конечности.
В качестве примера другого устройства в биоуправлением можно
привести фазорентгенокард иограф — аппарат для рентгенографии
сердца в заданный момент цикла его работы. Метод основан на соот-
ветствии по времени определенных фаз цикла работы сердца и элемен-
тов электрокардиограммы. Установка состоит из рентгеновского ап-
парата и электронного прибора (кардиосинхронизатора), восприни-
мающего электрокардиосигнал (ЭКС) в первом отведении. В приборе
отмечается появление в ЭКС зубца R и при этом запускается реле вре-
мени, на котором заранее установлена выдержка, соответствующая
желаемой фазе сердечного цикла. При срабатывании реле включает-
ся рентгеновский аппарат и производится снимок.
В заключение этого параграфа опишем несколько аппаратов, при-
меняемых в лечебной практике, назначением которых является заме-
щение пораженных функций организма и которые могут рассматри-
ваться в качестве источника управляющей информации в кибернети-
ческой системе аппарат — больной. В обоснование этого можно при-
вести высказывание В. В. Ларина и Р. М. Баевского о том, что «...в
принципе любое воздействие на организм может быть рассмотрено...
как врод в организм управляющей информации...», которая в организ-
ме перерабатывается в ответную реакцию на воздействие.
1.- Упомянутый в § 147 вживляемый под кожу сердечный стимуля-
тор (водитель ритма) в простейшем варианте представляет генератор
кратковременных импульсов с фиксированной частотой и собственным
источником питания, смонтированный в корпусе размером 5 X 8 см,
который покрыт биологически инертным полимером. Масса стимулято-
ра 100 г. Стимулятор подшивается под кожу в .удобном месте, а про-
вода от него, покрытые силиконовой резиной, подводятся к сердечной
рис. 299
мышце и укрепляются на ней с помощью небольших крючков-зажи-
мов, которые служат электродами. На рис. 299, а показан стнмуля-,
тор типа ЭКС-2 в момент операции его вживления, а на рис. 299, б —
рентгенограмма, на которой видны провода, укрепленные к сердечной
мышце (Ст — стимулятор).
Стимулятор содержит блокинг-генератор и конденсатор, создаю-
щий двусторонний импульс для предупреждения поляризационных
явлений на электродах. Частота импульсов 60—70 в минуту, длитель-
ность (в соответствии с параметрами электровозбудимости сердечной
мышцы) порядка 1—3 мс, сила тока в импульсе 3—5 мА, что требует
напряжения источника питания 2—3 В. Источником питания служит
ртутная батарея, обеспечивающая срок работы порядка 2 — 3
года.
Имеются стимуляторы и с бноу правлен нем, например при пред-
сердечно-желудочковой блокаде применяется стимулятор, в котором
частота импульсов, поступающих к желудочкам, задается биопотен-
циалами предсердия.
316
J!. Аппарат для искусственного кровообращения (АИК) примени»
ется при операциях на сердце, которые требуют временного выклю-
чения его из круга кровообращения. Аппарат (рис. 300) выполнен в
виде подвижного столика С, внутри которого размещена механичес-
кая часть — насосы, а сбоку укреплен физиологический блок, содер-
жащий оксигенатор О, резервуар Р запасной крови, держатели Д для
трубок и катетеров и щиток Ш со вспомогательными деталями. Систе-
ма насосов по функции аналогична самому сердцу и поддерживает дав-
Рис. зоо •
*ление и циркуляцию крови в сосудах организма во время операции.
Оксигенатор выполняет роль легких и обеспечивает артериализацию,
т. е. насыщение крови кйслородом. Таким образом, аппарат в целом
выполняет функцию сердца и легких.
На рис. 301 показана упрощенная схема устройства аппарата. Сис-
тема насосов состоит из двух синхронно работающие поршневых на-
сосов 18, которые приводятся в дви-
жение электромотором 20 через фрик-
ционный регулятор 19. С помощью
регулятора устанавливаются ритм и
'величина хода поршней насосов. Дей-
ствие этих насосов через наполнен-
ные маслом трубы передается спе-
циальным насосам 4 и 9, которые с
помощью резиновых диафрагм и кла-
панов создают необходимое разреже-
ние (насос 4) в венозной части и дав-
ление (насос 9) • в артериальной час-
ти физиологического блока ап-
парата.
Кровь всасывается из вен через
воздушную ловушку 1, электромаг-
нитный зажим 2, уравнительную ка-
меру 3, Выполняющую функцию пред-
сердия, и с помощью насоса 4 впрыс-
кивается в верхнюю камеру 5 окси-
генатора. Здесь кровь равномерно
распределяется по столбу кровяной
пены, заполняющей его среднюю камеру 6. Кайера 6 'представляет
собой цилиндр из капроновой сетки, в дне которой расположен
распределитель 7. кислорода. Кислород равномерно через 30 от-
верстий поступает в камеру через образующийся на дне камеры слой
крови. Общая. поверхность пузырьков в пенном столбе (общее число
их около 30 000, диаметр от 3 до 5 -мм) равна примерно 5000 см2 (при
объеме крови 150—250 см®).
В оксигенаторе кровь насыщается кислородом, отдает в окружаю-
щую атмосферу углекислоту и через капроновую сетку для улавлива-
ния тромбов стекает в нижнюю камеру 8, откуда через трубку, насос
9, зажим 10 и воздушную ловушку 11 поступает в артериальную сис-
тему организма. Кислород поступает в оксигенатор через счетчик га-
за 17 и увлажнитель 16. В верхней части оксигенатора расположены
В17
пеногаситель 12 и отверстие для выхода газа. С оксигенатором через
важим 14 сообщается сосуд 15 с запасной кровью или кровезаменяю-
щей жидкостью. Поступлениё крови из оксигенатора регулируется
поплавком 13, связанным индуктивного находящейся снаружи катуш-
кой, которая управляет включением электромагнитных зажимов
прибора.
Аппарат искусственного кровообращения может заменить естест-
венное сердце только на несколько часов. Ведутся работы по созданию
искусственного сердца, вживляемого в организм и способного поддер-
живать кровообращение в течение длительного срока.
Подобная идея заключается в создании из полимерных материалов
сосуда, по форме напоминающего желудочек сердца с двойными стен-
ками, между которыми накачивается воздух под необходимым давле-
нием (рис. 302, а). Внутренняя полость имеет два патрубка, снабжен-
Рис. 301
ных всасывающим и нагнетательным клапанами Ki и /С2, которыми она
сообщается с соответствующими кровеносными сосудами. При нагне-
тании воздуха кровь изгоняется из полости в -отходящий сосуд, а при
Снижении давления всасывается из подводящего. На рис. 302, б пока-
Вано . расположение искусственного сердца в грудной клетке (ПЖ
318
и ЛЖ — искусственные желудочки, ВПВ — верхняя полая вена,
А — аорта, ЛА — легочная артерия).
Насос, обеспечивающий работу искусственного сердца, находится
вне организма. В этом’заключается основной недостаток данной
идеи.
3. Аппарат «искусственная почка» представляет гемодиализатор,
в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с
солевым раствором,
Рис. 302
Вследствие разности осмотических давлений из крови в солевой
раствор сквозь мембрану проходят ионы и неорганические молекулы
продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота), а также различные ток-
сические вещества, подлежащие удалению из организма.
Диализатор Д (рис. 303, а) представляет систему из плоских кана-
лов К, разделенных тонкими целлофановыми мембранами, по которым
>1$.
встречными потоками медленно движутся кровь и диализат — солевой
раствор, обогащенный газовой смесью О2 4- СО2. Движение крови
обеспечивается перфузионным насосом П. Солевой раствор перекачи-
вается в диализатор из бака Б, находящегося в основании аппарата
(рис. 303, б), насосом Н. Аппарат подключается к кровеносной сис-
теме больного в помощью катетеров, введенных в полую (плод кро-
ви в диализатор) и локтевую (выход) вены. Предварительно в кровь
больного вводится гепарин. Диализ продолжается 4—6 ч.'
Аппарат предназначается для очистки крови от азотистых шлаков
при недостаточной функции почек (т. е. осуществляет гомеостатичес-
кое регулирование химического состава крови).
4. -Аппарат «.искусственная поджелудочная железа» («бета-клетка»,
вырабатывающая инсулин) создан впервые в мире в СССР. Аппарат
состоит из небольшого резервуара с инсулином и прибора для систе-
матического введения его в кровь микродозами. Аппарат вживляется
под кожу. 'Запас инсулина пополняется с помощью укола шприцем
один раз в несколько'Месяцев. Предполагается в дальнейшем связать
дозировку подачи инсулина с'показателями уровня его содержания в
крови.
Аппарат применяется для лечения определенных форм ди-*
абета.
§ 183. Информационно-вычислительные
центры и АСУ
Системы машинной диагностики значительно облегчают работу вра-
ча, ускоряют постановку'диагноза и повышают его надежность. Од-
нако установка больших вычислительных машин требует затрат,
средств и квалифицированного технического обслуживания. Поэтому
целесообразно создание при крупных клинических учреждениях еди-
ных диагностических центров, которые могли бы обслуживать значи-
тельное число окружающих его лечебных учреждений.
Основные задачи работы подобного центра: 1) накопление инфор-
мационных данных в области симптоматики, течения и исходов раз-
личных заболеваний, создание медицинского архива и составление
диагностических таблиц и разработка алгоритмов; 2) непосредст-
венное проведение машинной диагностики на основании поступив-
шей информации; 3) техническая и консультационная помощь в
обработке и, анализе различной медико-биологической инфор-
мации.
Подобные центры организованы, например, в Институте хирургии
им. А- В. Вишневского АМН СССР (Москва) и Институте кибернетики
АН УССР (Киев), где разработаны диагностические системы для не-
которых заболеваний, в частности врожденных и приобретенных по-
роков сердца. Диагностические центры организуются также в ряде
других учреждений в Москве, Киеве, Ленинграде, Минске, Новоси-
бирске и др., постепенно расширяется и круг болезней, пр которым раз-
работаны системы для машинной диагностики. - •
320
Однако организация и эффективная рабрта таких центров требует
большой подготовительной работы, прежде всего в области стандарти-
зации методов сбора и регистрации медицинской информации» разра-
ботки единой терминологии, стандартной формы истории болезни и за-
писей в ней результатов инструментальных и лабораторных исследо-
ваний и т. п. Эта задача выходит за рамки функций отдельных центров
и должна выполняться (Хотя и с их участием) в централизованном по-
рядке. Возникают также новые задачи в области организации здра-
воохранения, как, например, сбор и обработка информации при про-
ведении профилактических- осмотров и диспансеризации различных
групп населения, противоэпидемических мероприятий и т. п., кото-
рые также включаются в функции подобных центров. В результате это-
го последние получают более сложную структуру и широкий круг вы-
полняемых функций й из диагностических центров превращаются в
автоматизированные медицинские- информационные системы.
Автоматизированная медицинская информационная система
(АМИС) — это комплекс методических и организационно-технических
средств для сбора, переработки, хранения и выдачи медицинской ин-
формации в процессе решения задач клинической медицины или орга-
низаций здравоохранения,, базирующийся на достижениях совре-
менной вычислительной техники. Основной организационной
формой АМИС являются информационно-вычислительные центры
(ИВЦ).
В зависимости от сложности поставленных перед ними задач ИВЦ
имеют различное оборудование (тип ЭВМ) и.базируются на различных
лечебно-профилактических (поликлиники, больницы, крупные кли-
нические комплексы) или руководящих (рай-, гор- и облздравы) учреж-
дениях с соответствующей иерархической соподчиненностью.
Основными функциями ИВЦ при клинических учреждениях яв-
ляется решение информационно-поисковых, диагностических задач
и задач управления лечебным процессом.' Имеются также и самостоя-
тельные информационно-поисковые системы (ИПС) в различных от-
раслях знания, в том числе и в медицине, основная задача которых за-
ключается только в приеме, хранении, статистической обработке
и выдаче информации преимущественно справочного характера
(см. § 169).
Первичным звеном в иерархической цепи ИВЦ является ИВЦ, вхо-
дящий в систему АСУ данного клинического учреждения.
Автоматизированная система управления (АСУ) — это новая, ка-
чественно более высокая форма управления самыми разнообразными
объектами в народном хозяйстве, начиная от отдельных производствен-
ных процессов и койчая предприятиями в целом (АСУП). АСУ — это
форма управления, использующая математические методы и техничес-
кие средства (ЭВМ) обработки информации при учете, анализе, пла-
нировании и организации деятельности предприятия или учреждения
(включая и лечебные). Форма, позволяющая осуществить кибернети-
ческий подход к решению задач управления и, в частности, прогнози-
ровать развитие событий и находить оптимальный вариант решения
задачи.
321
В основе АСУ также находится информационно-вычислительный
центр (ИВЦ), в котором и происходит переработка всей необходимой
информации.
АСУ в лечебном учреждении представляет особое структурное под-
разделение, называемое «больничной автоматизированной информаци-
онной системой» (БАИС). БАИС — это информационно-вычислитель-
ный центр (ИВЦ), связанный сетью терминалов (см. § 161) со всеми ос-
тальными подразделениями учреждения. Примерная схема БАИС по-
казана на рис. 304. Технической базой БАИС обычно является сред-
Рис. 304
няя или малая ЭЦВМ, работающая в реальном масштабе и в режиме
разделенного времени для возможности одновременного обслужива-
ния нескольких терминалов.
Информация, собираемая в том или ином подразделении учрежде-
ния, с помощью терминала передается на ИВЦ, где и производится ее
дальнейшая обработка и хранение. С помощью тех же терминалов осу-
ществляется также Запрос и получение требуемой информации из
ИВЦ. Информация числовая или текстовая (равно, как н запросы),
направляемая в ИВЦ, вводится путем печати на клавиатуре термина-
ла. Информация, получаемая от ИВЦ, выводится на экран дисплея
терминала, с которого и считывается.
В основном БАИС содержит три подсистемы: а) клиническую (ле-
чебно-диагностическую), б) по обработке данных лабораторных и
других исследований, в) административно-хозяйственную (учет и пла-
нирование работы учреждения).
Основу клинической подсистемы БАИС составляет «банк данных»,
в котором хранится вся информация о больных, находящихся или на-
ходившихся раньше в данном учреждении. В банке хранятся истории
болезней, которые начинаются при первом посещении больным учреж-
дения и продолжают пополняться в процессе лечения и наблюдения
822
(диспансеризация) в течение всей жизни данного человека. Банк дан-
ных сохраняется в виде записей в ДЗУ машины.
Обмен информацией между лечащим врачом (вообще' медперсона-
лом) и БАИС происходит непрерывно в течение всего пребывания боль-
ного в лечебном учреждении. В дальнейшем информация из БАИС ис-
пользуется как материал для отчетных данных различных исследова-
тельских разработок и т. п. В подобных случаях предварительную ста-
тистическую обработку информации производит сама ЭЦВМ и выдает
уже готовые данные.
Кроме составления и ведения истории болезни каждого больного
Рис. 305
ЭЦВМ на оснований введенной в нее информации выполняет ряд вспо-
могательных операций, связанных с лечением и пребыванием боль-
ного в клинике: составляет заявки на необходимые лекарства и мате-
риалы, диэтическое меню в столовой, сводки о движении больных и
наличии свободных мест и т. п.
Информация о больном, записанная в БАИС, носит название ма-
шинно-ориентированной (или просто машинной) истории болезни
(МИБ). МИБ должна представлять собой систему записей, стандарти-
зованную не только в рамках данного БАИС,'но и значительно в бо-
лее широком масштабе для возможности обмена информацией между
различными учреждениями. В наших условиях это должна быть ис-
тория болезни, стандартизированная в общегосударственном масшта-
бе (СИБ).
Созданию СИБ должна предшествовать большая работа по класси-
фикации и Стандартизации медицинских терминов, номенклатур, а
также записей результатов различных исследований и прочих меди-
цинских документов, на которых СИБ основывается. Не останавлива-
ясь на этом вопросе, по которому имеется сйециальная литература,
323
укажем, что разработка этих вопросов, включая и создание СИБ, по
различным классам заболеваний уже в течение многих лет ведется в
Институте кибернетики АН УССР (Киев), во ВНИИ медицинского
приборостроения (Москва) и в ЦНИИ экспериментальной и клиничес-
кой хирургии (Москва).
В БАЙС обеспечивается хранение информации и решение’задач
преимущественно местного (внутрибольничного) характера. Для ре-
шения сложных задач, например при машинной диагностике, ИВЦ
БАИС по соответствующим каналам связывается с ближайшим диаг-
ностическим центром, в котором и получает консультацию и необхо-
димую помощь.
В крупных многопрофильных учреждениях АСУ может иметь бо-
лее сложную структуру, включающую центральный ИВЦ, базирующий-
ся на большой ЭЦВМ (типа «Минск», ЕС и т. п.), который постоянны-
ми каналами связан с местными ИВЦ в основных подразделениях, по- >
строенных по типу рассмотренной выше БАИС. Подобную структуру
может иметь, например, АСУ крупного медицинского вуза (рис. 305). А
J *
V
*
3
3
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Прямым шрифтом указаны страницы 1-го тома,
курсивом — 2-го тома
Аббе теория (предел разрешения микро-
скопа) 271 *
'Автоколебательная система 74
' 'Автоматизированная система управления
(АСУ) 321
' Авторадиография 85
. Аккомодация (свойство тканей) 152
. Алгоритм 224
- Алгоритмические языки 225
Альбедо 229
Ампера закон 135
Анализатор поляризованиого света- 243,
245
‘ Анизотропия 224
Аннигиляция пары 89
' Антенна 206
'' Античастицы 113
“ Ар ифметическо-логическое устройство
: (в ЭЦВМ) 213
Астигматизм глаза 263
[; — линзы 252
Аудиометрия 99
Аускультация 99
Аэрозольтерапия 172
Аэрононы, аэроионизатор 171
I Байеса формула 323, 308
' Бактерицидная лампа 38
г Бальмера—Ридберга формула 24
Бар акустический 89
I — метеорологический 48
' Барокамера 51
f Барометр, барограф 48, 49
j; Барометрическая формула 48
£Бел (единица силы звука, громкости)
I 96,97
s, Бера закон 231
f Бетатрон 93
Ь Био закон 247
Био—Савара—Лапласа закон 128
Биокалориметр 60
Биопотенциалы 171
Биоуправление 314
Бит (единица информации) 261
Блокинг-генератор 155
Больцмана постоянная 65
— распределение 331
Бугера закон 239
Бэр (единица дозы) 99
Вебера—Фехнера закои 95, 96
Вейса—Лапика уравнение 151
Векторэлектрокардиография 126
.Вероятность математическая 319
— термодинамическая 65
Вестибулярный аппарат 93
Вибратор (самописец) 134
— (колебательная система) 204
Вильсона камера 83
Вина закон 5
Вискозиметр клинический 28
Внешние устройства ЭЦВМ 252
Водоструйный насос 25
Волна, длина волны 82, 203
— , интенсивность 85
— когерентная 212
— необыкновенная 244
— поляризованная 242
— , скорость фазовая 82, 232
— сферическая, плоская 86, 210
Волновое уравнение 84, 63
Волновод 181
Волоконная оптика 231
Гагеиа—Пуазейля формула 31
Газовая эмболия 47
Газотрон 125
Гастроскоп 281
825
Гейгера—Мюллера счетчик частиц 105
Гигрометр, гигрограф 53
Гипотермия 62
Гистерезис магнитный 134
Глаз, аккомодация 259
—, близорукость, дальнозоркость 262
—, видиости кривая 265
— , давление внутриглазное 2575
— приведенный 258
— , острота зрения 266
—, расстояние наилучшего зрения 260
Глазной магнит 134
Гомеостаз 278
Градиент физической величины 290
Гюйгенса—Френеля принцип 211, 220
Дарсонвализация 173
Датчики 41
Двойное лучепреломление 244
Де-Бройля волна 58
Дешифратор 204
Диамагнитные вещества 131
Диатермия 173
Дизъюнкция (в ЭЦВМ) 194
Диоптрия 249
Диполь 115
Дисперсия оптической активности 248
Дисперсия света нормальная, аномаль-
ная 235
Дисплей (в ЭЦВМ) 292
Дисторсия изображения 251
Дифференцирующая цепь 159
Дихроизм 245 .
Диэлектрическая проницаемость 117
Доза излучения биологическая 99
—, мощность дозы 99
— поглощенная, экспозиционная 98
Домены 116, 133
Доплера эффект 105
Дополнительные цвета 265
Дрейф в усилителе 163
Дьюара сосуд 58
Дюбуа—Реймона закон 150
Жидкость, давление 22
— ,— внутреннее 42
—статическое, динамическое 25
— неньютоновская 28
Задержки сигнала элемент (в ЭЦВМ]*
200
Заземление 114
Запирающий слой 176
Звук, громкость 95
— , запись магнитная 89, 90
— , интенсивность (сила звука) 89.
— , поглощение 102
— , реверберация 103
—, тембр 94
Звуковое давление 89
Зеемана явление 26
Зонная теория электропроводности 110
Изображение действительное, мнимой
250, 267 ’
Импеданс 144
Импульсный ток 153
----, аппараты 168
Инверсия (в ЭЦВМ) 196 А
Индуктотермия 174 /
Интегральная схема 145
Интегратор (элемент ЭАВМ) 234
Интегрирующая цепь 160 '
Информационно-вычислительный центр
(ИВЦ) 268. 320
Инфракрасное излучение 11
Искусственная почка 318
Искусственного кровообращения аппа«
рат 316 *
Искусственное сердце 318
А
Калория 55
Канал связи 264 ,
— —, пропускная способность 267 ,
Кандела (единица силы света) 7 «
Капилляроскопия 277
Кардинальные точки оптической систе-
мы 255 Zfe,
Катодный повторитель 162
Квантовые числа атома 21 S
Кирхгофа закон (в оптике) 4 у
Кодирование информации 268
Кожно-гальваническая реакция (КГР)
127
Колебание гармоническое 47
— —. векторная диаграмма 71
— релаксационное 79
Количество движения 40
Колориметрия 241 • ‘
326
Компаратор (в ЭАВМ) 236
Конъюнкция (в ЭЦВМ) 193
Кортиев орган 92 о
Кривизна поля изображения 251
Лабильность (свойство ткани) 152
Лапласа формула 46
Лауэграмма 227
Линза. on гическая, аберрации 251
——, оптическая сила 249
— —, формула тонкой линзы 250
'— цилиндрическая 254
Логика врачебная 303
— математическая 190
Лоренца сила 135
Люксметр 19
Люмен 7
Люминесцентная лампа 39 .
Люминесцентный анализ 35
Магнетон Бора 130
Магнитная линза 139
— проницаемость 133
Магнитный момент 130 /
Магнитострикция 104
Максвелла уравнения 199, 200
Малюса закон 245
Манометр 22
Масс-спектрометр 137
Меченых атомов метод 91
Микрометр оптический 275
Микропроекция, микрофотография 274
Микроскоп иммерсионный 273
— поляризационный 246
Микроэлектроника 145
Моделирование в кибернетике 258
Модель математическая 256
— — мышцы 287
--- нейрон# 293, 296
— — сорбции 276
— — элемента сосудистой системы 33,
288, 290
Модель условного рефлекса 295
Модуляция, демодуляция 207, 208
Монохроматор 237
Мультивибратор 156
Мышцы, механические свойства 70
Намагничение 132
Наперстновая камера 103
Нернста формулы 169
Нейрон 292
— формальный 293
----, модель 295
Нефелометрия 241
Нит (единица яркости) 8
Обратная связь 74, 160, 257
Обучающиеся ЭВМ 219
Октава 94
Операционный усилитель 230
Оптимизатор (в ЭЦВМ) 271
Оптическая плотность 241
Оптически активные вещества 247
Отведения при ЭКГ 123, 125
Отражательная призма 231
Парамагнитные вещества 131
Паскаль (единица давления) 22
Паули принцип ПО, 27, 114
Пельтье явление 175
Пентод (электронная лампа) 152
Перкуссия 100
Перфокарта, перфолента 217, 219
Плазма 125, 127
Планка постоянная 6, 21
Поверхностно-активные вещества 44
Полиграф 131
Полоса пропускания усилителя 161
Полусумматор (в ЭЦВМ) 206
Поляриметрия 247
Постоянная времени (разряд конденса-
тора) 121
Потенциал ионизации, возбуждения 123
Поток энергии ' (интенсивность) волны
85, 86
---излучения 6
Пригожина формула 66
Просветленная оптика 216
Пространство признаков 276.
Протон, нейтрон 70
Психрометр 53
Пуаз (единица вязкости) 27
Пузырьковая камера 84
Пьезоэлекрический эффект 118
Рад (единица дозы) 98
Радиоактивность, основной закон 77,
—, период полураспада 78
Радиопилюля (эндорадиозонд) 144
Радиопомехи 180
Радиоспектроскопия 29
327
Разность хода воли 212. 215
Разряд в газе 124
Разрешение оптическое 223
Регистр (в ЭЦВМ) 200
Резонанс в механике 75
--цепи переменного тока 145
— электрических колебаний 192
Рентген (единица дозы) 98
Рентгенометр 100
Рентгеноскопия,-рентгенография 51
Рентгеноструктуриый анализ 220
Реография 150
Рефрактометр 231
Росы точка 54
Ртутно-кварцевая лампа 36
Рэлея закон 239 ,
Свет белый 210
— монохроматический 209
— , сила света 7 • .
— цвет 264
— яркость 264, 8
Световой поток 7
— эталон 10
Сигнал (в теории информации) 263
Система (в кибернетике) 254
Смещение в электронной лампе 158
, —— транзисторе 182
Смещения ток 143, 200
, Солнечная постоянная 11
Сообщение (в теории информации) 260
Сопротивление активное J 40
— индуктивное, емкостное 142
— волновое колебательного контура 189
— полное цепи переменного тока 144
Спектр гармонический 79
— оптический 237
Спектральный анализ 238
СпекТрополяриметрия 248
Спии электрона 109
Стабилитрон 125
Стефана — Больцмана закон 5
Стимуляторы иервио-мышечиые 162
— сердпа 316
Стокса правило 34
Столетова закон 14
Сумматор (в ЭЦВМ) 206
Сфигмоманометр, сфигмотоиометр 39
Счетчик импульсов (в ЭЦВМ) 201
828
— частип газоразрядный 104
----люминесцентный 111
Счисления «двоичного система 187
Темного поля метод микроскопии 276
Тепловизор 12
Тепловой поток 56
Теплообмен 56
Темплота, количество теплоты 55
— приведенная 63
Теплолечение 61 * •«.
Терапевтический контур 199
Терминал (в ЭЦВМ) 223
Термистор 173 ..
Термодинамики второе начало 64
Терморегуляция в организме 59, 225
Термос, термостат 58
Тетрод, (электронная лампа) 152 ’
Тиндаля явление 238
Тиратрон 125
Толстослойных пластинок метод 85
УВЧ-терапия 175
Угловое увеличение 268
Ультрафиолетовое излучение 12
Умова вектор 86 '
Усилитель с преобразованием частоты
164
Установка Б (радиометр) 12
Устройство управления (в ЭЦВМ] 215
; Функциональный преобразователь
(в ЭАВМ) 297
Фурье закон теплопроводности 55
— теорема (гармонический спектр) 78 1
, Хроиаксйя, реобаза 151
Цветовое зрение 265
’ Циклотрон 92
Цистоскоп 230
Цифровая индикаторная лампа 127
Черное тело абсолютное 3
Шредингера уравнение 64
Шум акустический 101
i •— в электронных приборах 161, 181.
1 Эйитховена теория электрокардиогра-
фии 122
Эйнштейна уравнение фотоэффекта 14
Электрический момент диполя 11'5
• Электрическое поле вихревое 199
Фазово-контрастный метод микроскопия
276
Фазорентгенокардиограф 315
Ферромагнитные вещества 133
Флуоресценция, фосфоресценция 33
Фон (единица громкости) 96,
Фон радиоактивный 80,102
Фонендоскоп 99
Фонокардиограмма 100
Фотои 14
Фоторезистор 17
Фотоэлектроколориметр 19
Фотоэлектронный умножитель 16
Фотоэлемент вакуумный 15
— полупроводниковый 17
Фотоэффект, законы 14 . .
Функциональная система по П. К. Ано*
хину 297,
Электродиагностика 152
Электроды для электрографии 128
— иеполяризуюшиеся 147
Электрокардиоскоп 140
Электронная линза 138
Электронно-дырочный переход 176
Электронно-оптический преобразователь
16
Электронный парамагнитный резонанс 29
Энергии сохранения закон 54
Энергия магнитного поля 129
—электрического поля 121
— электромагнитного поля 203
Энтропия в информации 262 _
— в термодинамике 63
Эргометрия 18
Эритема 13
Эритемная лампа 39
Ядерные силы 71
-Ядро атома, энергия связи 72
ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть IV
Атомная. физика
Глава 17. Тепловое излучение. Теория Планка........................ 3
§ 101. Законы теплового излучения. Формула Планка £3
§ 102. Световые измерения Яркость. Световой'эталон............. 6
§ 103. Инфракрасное н ультрафиолетовое излучения...............11
Глава 18. Фотоэффект.............................................. 13 -
§ 104. Фотоэффект в металлах...................................13
' § 105. Фотоэффект в полупроводниках. Полупроводниковые фото-
элементы . . ............................ 17.
Глава 19. Строение атома по теории Бора............................20
§ 106. Теория Бора. Спектр атома водорода................... 20
§ 107. Квантовые числа Строение электронной оболочки атомов . 25
§ 108, Молекулярные спектры.............1.................... 28.
§ 109. Комптон-эффект .........................................31
Глава 20. Люминесценция...............^. ........................ 32
§ J10. Природа и виды люминесценции .......................... 32'
§ 111. Фотолюминесценция......................................34
§ 112. Люминесцентные источники оптического излучения......... 36
§ ИЗ. Индуцированное излучение. Лазер .........................39
Глава 21. Рентгеновское излучение................................43
§ 114. Природа излучения. Устройство рентгеновской трубки ... 43
§ 115. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом и ис-
пользование его в медицине....................................47
§ 116. Устройство рентгеновских аппаратов......................53
Глава 22. Элементы квантовой механики.............................57
§ 117. Волновые свойства частиц вещества......................57
§ 118. Рассеяние электронов на микроструктурах. Электронный мик-
роскоп ........................................................59
§ 119. Основные положения квантовой механики..................62
§ 120. Вероятностные закономерности. Объективность законов кван-
товой механики......................................... . . . 65
§ 121. КвантовоТйеханическая модель атома водорода ....... 67
330 "
Часть V
Ядериая физика
Глава 23. Ядро атома. Радиоактивность.........»...................70
§ 122. Строение ядра атома. Энергия связи....................70-
§ 123. Радиоактивность. 6 иды распада....................... 73
§ 124. Основной закон радиоактивного распада. Активность...... 77
§ 125. Радиоактивность в природе..............................79
§ 126. Проникающая и ионизирующая способности радиоактивного
излучения..............................................80
§ 127. Методы наблюдения радиоактивных излучений..............82
Глава 24. Ядерные реакции....................................... 85
§ 128. Простейшие ядерные реакции .......................... 85
§ 129. Реакции образования и аннигиляции пары................ 88
§ 130. Искусственные радиоактивные изотопы................... 89
§ 131. Ускорители частиц..................................... 92
§ 132. Термоядерные реакции................................. 95
Глава 25. Дозиметрия ионизирующего излучения.................,. . 95
§ 133. Действие ионизирующего излучения йа вещество.......... 95
, § 134. Дозиметрия рентгеновского и гамма-излучений. Измерение
активности радиоактивных иаотопов................................ 98
§ 135. Дозиметры.......................,в.................. 100
§ 136. Счетчики частиц.................................... 104
§ 137. Защита от проникающего излучения............ 111
§ 138. Элементарные частицы. Космические лучи................112
Ч а с т ь VI _
Основы медицинской электроники
Глава 26. Электроника в функциональной диагностике...............118
§ 139. Введение. Классификация...............................И8
§ 140. Электрография........................................
§ 141. Аппараты для электрографии .........................128
§ 142. Электрокардиографы...................................181
§. 143 . Электрическая регистрация неэлектрических величин. Эндо-
метрия. Радиотелеметрия.....................................140
Глава 27. Электростимуляция......................................*4®
§ 144. Электрические свойства тканей организма..............146
§ 145. Электростимуляция в физиологии и клинике.............160
§ 146. Генераторы кратковременных импульсов.................155
§ 147. Электронные стимуляторы..............................1®*
331
Глава 28.'Электротерапия ................................. . 164 .
§048j Гальванизация и лечебный электрофорез..................
§ 149. Импульсные токи в электротерапии.......................167
§ 150. Статдуш. Аэроионотерапия..............................170
§ 151. Использование высокочастотных колебаний о лечебной целью 172
§ 152. Аппараты-для УВЧ-терапив...............................177
§ 153. Микроволновая терапия.............., -.................180
Часть VII
Электронные вычислительные машинь!
Глава 29. Электронные цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ) . . 189
§ 154. Общее устройство ЭЦВМ................................. 182
§ 155. Форма представления информации в ЭЦВМ..................187
§ 156. Логические элементы ЭЦВМ...............................190
§ 157. Триггер ............................................. 198
§ 158. Типовые узлы ЭЦВМ......................'............. 200
§ 159. Запоминающее устройство '. ........................ . 208'
§ 180. Управление работой ЭЦВМ.............................. .212
§ 161. Устройства ввода в вывода . .'........................ 217
§ 162. Программирование для ЭЦВМ............................ 223
Глава 30. Электронные аналоговые вычислительные машины (ЭАВМ)
§ 163. Элементы устройства ЭАВМ.............................. 228
§ 164. Решение задач на ЭАВМ................................ 238
. § 165. Применение ЭАВМ при медико-биологических исследованиях 243
§ 166. Аналогово-цифровые преобразователи. Агрегатные системы
вычислительной техники .......................................248
Часть VIII
Основы медицинской кибернетики
Глава 31. Основные понятия кибернетики.............................254
§ 167. Предмет и метод кибернетики.............................254
§ 168. Элементы теории информации..............................260
§ 169. Передача Ииформацив ............................... . . . 263
§ 170. Системы автоматического регулирования..................268
§ 171. Экстремальное регулирование. Оптимальное и адаптивное
управления.................................................... 271
§ 172. Распознавание образов . ..........-................. . 274
Глава 32. Биологическая кибернетика................-...............276
§ 173. Биологическая система................................. 276
§ 174. Физиологическая кибернетика. Регулирующие системы орга-
низма . . ............ I . . ..................................278
332
§ 175. Моделирование в физиологической кибернетике............285
• § 176. Модель сердечно-сосудистой системы.................... 287.
§ 177. Нейрокибернетика..................................... 291
Глава 33. Медицинская кибернетика ..........................:....- 299
§ 178. Задачи медицинской кибернетики . ......................299
§ 179. Кибернетика в клинической диагностике............. 300
§ 180. Основные виды врачебной логики....................... 303
§ 181. Системы врачебного контроля............................811
§ 182. Кибернетика в лечебном процессе........................314
§ 183. Информационно-вычислительные центры я АСУ ...... 320
Предметный указатель ....................................325
Редакция благодарит каид. техн, наук Ю. И. Дегтярева
за оказанную помощь при редактировании глав по
электронным вычислительным машинам и основам меди-
цинской кибернетики.
НИКОЛАИ МИТРОФАНОВИЧ ЛИВЕНЦЕВ
КУРС ФИЗИКИ
Редактор Е. С. Гридасова. Переплет художника ГО. Д. Федич-
кина. Художественный редактор В. И. Пономаренко. Технический
редактор Н. В. Яшукова. Корректор Г. И. Кострикова
ИВ № 1128
Изд. № ФМ-6336. Сдано в набор 17.03.78. Подо, в пе,-
чать 18.08.78. Т-16304. Формат 60X90/16. Бум. тип. № 2.
Гарнитура литературная. Печать высокая. Объем 21 усл. печ. л.
22,22 уч.-изд. л. Тираж 120 000 зкз. Зак. Ns 246 Цена 90 кон.
Издательство «Высшая школа»,
Москва, К-51, Неглйнная ул., д. 29/14
Московская типография № 4 Союзполиграфпрома при Государ-
ственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии
и книжной торговли Москва, И 41, Б, Переяславская ул.,
дом №46 '
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«ВЫСШАЯ ШКОЛА»
ВЫПУСТИТ В СВЕТ В 1979 ГОДУ
для студентов вузов и втузов
следующие учебные пособия]
Алексеев Г. Н. Общая теплотехника: Учебное пособие. — 35 л., ил. — В перл
1 р. 20 к.
Книга состоит из двух частей — теоретической и описательной и шести раз-
делов в них: «Термодинамика», «Тепло- и массообмен», «Источники энергии».
Теплогенераторы», «Электрогенераторы», «Двигатели».
В теоретической части рассматриваются практически все процессы и зако-
номерности, с которыми студент встретится во второй части при изучении кон-
кретного оборудования.
В описательной части новым в сравнении с существующими пособиями
и учебниками является раздел «Источники энергии», в котором рассматривают-
ся все возможные и находящиеся в данное время в распоряжении человечест-
ва энергетические ресурсы на Земле, оцениваются их перспективы, достоинства
и недостатки.
Предназначается для студентов втузов.
Буравихин В. А., Шелковников В. Н„ Карабанова В. П. Практикум по магне-
тизму: Учебное пособие. — 18л., ил. — В пер.: 85 к.
Данный практикум содержит работы, охватывающие основные методы изме-
рения магнитных свойств массивных и пленочных ферромагнетиков.
Лабораторные работы сгруппированы по отдельным разделам: «Магнитное
поле и магнитные свойства вещества»; «Намагничивание и магнитный гистере-
зис»; «Четные и нечетные эффекты в ферромагнетиках», «Температура Кюри»;
«Магнитный резонанс» и т. д.
Предназначается для студентов педагогических институтов.
Геворкян Р. Г. Курс физики: Учебное пособие. — 40 л., ил. — В перл
1 р. 35 к.
В пособии приводятся основные теоретические сведения; определенные
действующей программой для высших учебных заведений. Рассмотрена физиче-
ская сущность явлений, описаны методы их изучения, формулируются физиче-
ские понятия и законы. В книге нашли отражение новейшие достижения физи-
ки, получившие практическое применение.
Предназначается для студентов Вузов.
Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: Учебное пособие в 3-х томах.—
Т. III. Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика. — 3-е изд., пере-
раб. и доп. — 33 л., ил. — В пер.: 1 р. 20 к.
Настоящая книга является переработанным изданием третьего тома учеб-
ного пособия по физике, которое широко исполв^уется как основное во многих
вузах страны.
При подготовке третьего издания авторы включили в нее параграф о голо-
графии. Глава о космических лучах и элементарных частицах дополнена сведе-
ниями о последних открытиях в этой области. Второе издание этого тома вышло
в 1971 г.
Предназначается для студентов втузов.
335
• V
Скрышевский А. Ф. Структурный анализ жидкостей и вморфиык тел: Учеб^
иое пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — 20 л., ил. — В пер.: 1 р. 10 к. j
В книге изложены теоретические и экспериментальные основы рентгено-i
графин, электрографии и нейтронографии жидкостей и аморфных тел. Рассмот-1
рены методы описания их структуры и ато/*иой динамики с прмощьк» корреля- /
тивных функций распределения. Освещены общие представления о природе{
химических связей и межмолекулярных сил. Дано описание строения молекул, г
структуры сжиженных инертных газов, жидких металлов и сплавов, индиви-*'
дуальных молекулярных жидкостей, жидких кристаллов, расплавов солей, раст- ’
воров электролитов и твердых аморфных тел. Рассмотрен метод молекулярного {
рассеяния рентгеновских лучей и его применение для исследования флуктуаци-1
онной структуры жидкостей, геометрических и весовых характеристик макромо* \
лекул. Первое издание вышло в 1971 г.
Предназначается для студентов вузов. Может быть полезна аспирантам и на-
учным работникам.
* < ।
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ1
Издательство «Высшая школа» выпускает учебники, учебные и методические ,
пособия, плакаты.
Подробнее познакомиться с нашей учебной литературе*) вам поможет анио-
тированный план на 1979 г. (вузы и техникумы), который имеется в книжных мдга- •
зинах. Предварительные заказы на книги вы можете сделать в магазинах книго-
торга или потребительской кооперации.
Н. М.Ливенцев
Курс
физики
• АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
•ОСНОВЫ
МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
И КИБЕРНЕТИКИ