Об источнике рентгеновских лучей, практическом исполнении и безопасной эксплуатации трубок Ленарда

 

В последнее время я живу с ощущением, что несколько советов относительно практического исполнения трубок Ленарда улучшенной конструкции, великое множество которых я недавно представил Нью-Йоркской академии наук (6 апреля 1897 г.), могли бы быть своевременны и полезны, особенно ввиду того, что при соответствующей конструкции и подходящем режиме работы большую часть риска, сопутствующего экспериментированию с лучами, можно избежать. Элементарные меры предосторожности, предложенные мной в предыдущих статьях, были, по-видимому, проигнорированы, и о случаях травмирования пациентов пресса сообщает почти ежедневно. И даже если бы не было других причин, нижеследующие строки, касающиеся данного вопроса, были бы уже давно написаны, не препятствуй мне в осуществлении этого намерения неотложные и неизбежные обязанности. Теперь, когда возникла краткая, если можно так выразиться, хоть в высшей степени и нежелательная приостановка в работе, такая возможность появилась. Однако поскольку такие удобные случаи представляются нечасто, я воспользуюсь настоящей возможностью, чтобы в нескольких словах остановиться на некоторых других моментах, имеющих отношение к этой теме, и, в частности, на важном результате, полученном мной некоторое время тому назад с помощью трубки Ленарда и который я только отчасти могу считать своим, поскольку профессор Рентген фактически изложил то же самое другими словами в своем недавнем сообщении в Берлинской академии наук. Результат, о котором идет речь, имеет отношение к широко дискутируемому вопросу об источнике рентгеновских лучей. Как известно, в первом сообщении о своем открытии Рентген высказал мнение, что лучи, оказывающие воздействие на чувствительный слой, исходят от светящегося пятна на стеклянной стенке колбы, другие ученые переложили ответственность на катод; третьи — на анод, в то же время кое-кто посчитал, что лучи исходят исключительно от покрывающих поверхности флюоресцирующих порошков… Количество гипотез, большей частью необоснованных, множится столь быстро, что в отчаянии хочется воскликнуть вместе с поэтом:

 

Блажен, кто вырваться на свет

Надеется из лжи окружной.[8]

 

(Перевод Б. Пастернака)

В результате своих экспериментов я пришел к пониманию того, что, независимо от местоположения, основным источником этих лучей является место первого столкновения выбрасываемого потока частиц внутри колбы. Это сказано исключительно в общем смысле, а утверждение профессора Рентгена соотносится с этим высказыванием как частный случай, так как в его первых экспериментах флюоресцирующее пятно на стеклянной стенке было, по случайному совпадению, местом первого столкновения катодного потока. Исследования, проводившиеся вплоть до настоящего времени, лишь подтвердили безошибочность приведенного выше мнения, и место первого столкновения потока частиц — будь то анод или изолированный объект, стеклянная стенка или алюминиевая мембрана — непременно окажется основным источником лучей. Но, как мы увидим, это не единственный источник.

Сразу же после того, как был зафиксирован вышеописанный факт, я направил свои усилия на поиск ответов на следующие вопросы: во-первых, должно ли тело, попавшее под поток, непременно находиться внутри трубки? Во-вторых, обязательно ли, чтобы препятствие на пути катодного потока было представлено твердым или жидким телом? И, в-третьих, до какой степени скорость потока обусловливает генерирование и влияет на характер испускаемых лучей?

Чтобы выяснить, может ли тело, помещенное снаружи трубки на пути потока частиц или в направлении их движения, порождать такое же специфическое явление, как и объект, помещенный внутри трубки, необходимо было, как оказалось, сначала доказать, что частицы действительно проникают сквозь стенку, или, другими словами, что предполагаемые потоки, какова бы ни была их природа, достаточно явно выражены во внешнем пространстве вблизи стенки колбы, производя действия, свойственные катодному потоку. Не составило труда, работая с должным образом подготовленной трубкой Ленарда, имевшей чрезвычайно тонкую мембрану, получить множество, на первый взгляд, неожиданных свидетельств такого рода. Я уже указывал на некоторые из них, и, думается, сейчас достаточно сослаться еще на одно, которое я наблюдал позднее. В пустотелую алюминиевую заглушку А трубки, показанной на схеме (ил. 1), которая будет подробно описана, я вложил серебряную 50-центовую монету, закрепив ее на небольшом расстоянии от мембраны и параллельно ей, или дну заглушки, с помощью кусочков слюды таким образом, чтобы она не касалась металла трубки и вокруг нее было воздушное пространство. После пребывания лампы в состоянии возбуждения в течение примерно 30–45 секунд под воздействием разряда вторичной обмотки мощной катушки нового типа, ныне широко известного, обнаружилось, что серебряная монета нагрелась до такой степени, что даже обжигала руку, но алюминиевая мембрана, которая представляла собой весьма незначительное препятствие для катодного потока, была лишь умеренно теплой. Таким образом было доказано, что серебряный сплав вследствие своей плотности и толщины забирал большую часть энергии удара, испытывая такое же воздействие частиц, как если бы он находился внутри лампы, и к тому же в процессе изучения теневых отпечатков выявились признаки того, что монета вела себя подобно второму поставщику лучей, так как очертания теневого изображения не были контрастными и четкими, какими они были, когда полудолларовая монета изымалась, а размытыми. Для главной цели исследований не имело большого значения выяснение с помощью более точных методик, пронизывают ли катодные частицы мембрану на самом деле или от внешней стенки мембраны отбрасывается другой отдельный поток. По моему мнению, нет ни малейшего сомнения в том, что на деле происходит первое, так как в отношении этого явления я могу предъявить многочисленные дополнительные доказательства, на которых я, возможно, подробно остановлюсь в ближайшем будущем.

 

Ил. 1. Схема трубки Ленарда, с помощью которой Тесла выявил подлинный источник рентгеновских лучей

 

Затем я постарался выяснить, есть ли необходимость в том, чтобы наружная преграда была, как в данном случае, твердым телом или жидким, или, в более общем смысле, телом с поддающимся измерению объемом, и именно в этом направлении исследований я неожиданно пришел к результату, на который ссылался в предваряющих эту статью констатациях. А именно: я обратил внимание (до некоторой степени случайно, хотя и придерживался системы в своих исследованиях) на явление, показанное на схеме (ил. 1). Здесь представлена трубка Ленарда, состоящая из трубки Т из толстого стекла, которая сужается у открытого конца, образуя горловину n, из вмонтированной в нее алюминиевой заглушки А, из сферической формы катода е, укрепленного на стеклянном стержне v, и платиновой проволоки w, впаянной, как обычно, в противоположный конец трубки. Алюминиевая заглушка А фактически не соприкасается со стенкой из кварцевого стекла, а находится на небольшом расстоянии, отделенная от него сплошным узким станиолевым кольцом r. Наружное пространство между стеклом и заглушкой А заполняется герметизирующим веществом с способом, который я опишу позже. F — защитный экран, обычно используемый при проведении научных наблюдений.

Так вот, глядя на экран в направлении от F к T, мы увидели, что на светящемся фоне проступают темные линии, воспроизведенные в нижней части схемы. Кривая e и прямая w были, конечно, сразу же опознаны как очертания катода e и дно заглушки А соответственно, хотя из-за оптического обмана они выглядели значительно ближе друг к другу, чем в действительности. Например, если расстояние между e и о составляло пять дюймов, то на экране эти линии, казалось, находились в двух дюймах одна от другой. Эта иллюзия легкообъяснима и совершенно не важна, за исключением того, что это явление может иметь значение для врачей и о нем следует помнить, проводя обследование с использованием экрана, так как по причине вышеописанного эффекта, который иногда проявляется в немыслимых искажениях, можно получить совершенно ошибочное представление о расположении различных органов обследуемого, грозящее ненужным хирургическим вмешательством. Но если линии e и w были легкообъяснимы, то кривые t, g, а поначалу озадачивали. Вскоре, однако, выяснилось, что расплывчатая линия а была тенью края алюминиевой заглушки, значительно более темная линия g — тенью от края стеклянной трубки T, a t — тенью станиолевого кольца r. Эти тени на экране F определенно доказывали, что фактор воздействия на флюоресцирующий экран исходил из пространства вне лампы по направлению к алюминиевой заглушке и главным образом из зоны, через которую проходили основные возмущения или потоки, излучаемые трубкой через мембрану; его появление нельзя объяснить более правдоподобно, чем предполагая, что частицы воздуха и пыли выбрасываемых потоков препятствуют их прохождению и вызывают удары и столкновения, распространяющиеся по воздуху во все стороны, постоянно порождая таким образом новые источники излучений. Именно этот факт привел Рентген в своем недавнем сообщении, которое уже упоминалось. Так по крайней мере я истолковывал его официальное заявление о том, что лучи исходят из облученного воздуха. Теперь остается проверить, способен ли воздух, тщательно очищенный от всех инородных частиц, вести себя как объект динамического удара и быть источником излучений, определить, зависит ли генерирование последних от присутствия в воздухе частиц, размеры которых можно определить. У меня есть основание считать, что так оно и есть.

Зная об этом явлении, мы теперь можем сформировать более полное представление о процессе генерирования излучений, открытых Ленардом и Рентгеном. Идею можно сформулировать, утверждая, что потоки мельчайших материальных частиц, отбрасываемых от электрода с огромной скоростью, наталкиваются на препятствия, где бы они ни были — внутри лампы, в воздухе или другой среде, или в самих чувствительных слоях, и дают начало излучению, или лучеиспусканию, которое обладает многими свойствами того, что нам известно как свет. Если этот физический процесс генерирования таких лучей будет бесспорно доказан как истинный, он будет иметь огромное практическое значение, так как побудит врачей критически пересмотреть многие явления, которые в настоящее время приписываются поперечным эфирным волнам, и, возможно, приведет к радикальному изменению существующих взглядов и теорий относительно этих явлений, если и не сути этих явлений, то по крайней мере способа их образования.

Мои усилия по поиску ответа на третий из перечисленных выше вопросов привели к установлению с помощью подлинных фотографий тесного родства между лучами Ленарда и Рентгена. Фотографии, имеющие отношение к этой теме, были представлены на заседании Нью-Йоркской академии наук (о котором уже упоминалось) в апреле 1897 года, но, к сожалению, краткость моего выступления и сосредоточенность на других вопросах привели к тому, что я упустил наиболее важное — описание способа получения этих фотографий. Эту оплошность я смог лишь отчасти исправить на следующий день. Воспользовавшись возможностью, я представил иллюстрации и рассказал об экспериментах, в которых была доказана отклоняемость рентгеновских лучей под воздействием магнита, что устанавливает еще более тесное родство, если не идентичность лучей, названных именами этих двух первооткрывателей. Однако подробное описание этих экспериментов, а также других исследований и полученных результатов в рамках темы, представленной мной тогда научному обществу, появится в более подробном сообщении, над которым я без спешки работаю.

Чтобы ясно представить значение рассматриваемых фотографий, я хочу напомнить, что в некоторых из своих предыдущих статей в адрес научных обществ я старался рассеять существовавшее до этого распространенное мнение, что явления, известные как феномены Крукса, и зависят от высокой степени разрежения, и указывают на нее. С этой целью я продемонстрировал, что свечение и большинство явлений в лампах Крукса могут быть получены при более высоком давлении газов в лампах с использованием значительно более высоких или более стремительных электродвижущих импульсов. Имея на вооружении этот полностью доказанный факт, я подготовил трубку, воспользовавшись методом Ленарда, описанным в его первом известном научном сообщении. Из трубки откачивался воздух до средней степени разрежения, и оказалось: когда трубка была подключена к обычной катушке высокого напряжения с низкой скоростью изменения тока, ни одного из двух типов излучений не было отмечено даже тогда, когда трубка была до такой степени напряжена, что сильно нагревалась за считанные мгновения. Тогда я предположил, что существенное увеличение скоростных характеристик импульсов, проходящих через лампу, могло бы вызвать излучения. Для проверки этой идеи я применил катушку неоднократно описанного мной типа, в которой первичный контур возбуждался под воздействием разрядов конденсатора. С таким устройством можно добиться любой желаемой частоты импульсов, в этом отношении практически не существует ограничений, так как энергия, аккумулированная в конденсаторе, является самой быстрой взрывообразной действующей силой из известных нам, и мы можем получить любой потенциал, или электрическое напряжение. Действительно, я убедился, что возрастание скоростных характеристик импульсов, проходящих через трубку, сопровождаемое, однако, не увеличением, а скорее уменьшением совокупной энергии, сообщаемой ей, привело к возникновению свечения и появлению лучей Ленарда, а затем, при дальнейшем форсировании выброса импульсов на достаточное расстояние рентгеновских лучей большой мощности, дало мне возможность получить фотографии, на которых видны тончайшие костные структуры. Тем не менее та же самая трубка, вновь подключенная к обычной катушке с низкой скоростью чередований тока в первичном контуре, практически не испускала лучей, даже когда через нее проходило гораздо больше энергии, о чем можно было судить по степени нагрева. Этот опыт, а также тот факт, что, используя огромные электрические напряжения, получаемые с помощью специально сконструированного для этой цели устройства, удалось получить отпечатки в атмосферном воздухе, убедили меня, что лучи Ленарда и рентгеновские лучи обязательно образуются во время разрядов молнии при обычном атмосферном давлении.

В настоящий момент, внимательно перечитывая написанное ранее, я понимаю, что мой научный интерес доминирует над практическим и что следующие заметки следует посвятить важнейшей цели этой статьи, а именно сообщению исходных данных для конструирования тем, кто занят производством трубок, и, возможно, практикующим врачам, которые заинтересованы в такой информации. Как бы то ни было, всё вышеизложенное не было напрасным и способствовало достижению цели, так как эксперименты показывают, насколько полученный результат зависит от соответствующей конструкции приборов, потому что с обычными устройствами бóльшая часть описанных выше результатов научных исследований не была бы получена.

 

Ил. 2. Усовершенствованная трубка Ленарда

 

Я уже дал описание внешнего вида трубки, показанной на иллюстрации 1, а на иллюстрации 2 представлена другая, усовершенствованная конструкция. В этом втором примере алюминиевая заглушка А имеет сферическую форму дна, а не прямую, как раньше, при этом центр сферы совпадает с центром электрода e, который сам сфокусирован на центр мембраны заглушки А, как показано пунктирной линией на иллюстрации 1. Алюминиевая заглушка А имеет станиолевое кольцо r, как на иллюстрации 1, или же металл заглушки можно развальцевать в этом месте, что позволит иметь небольшую опорную поверхность между металлом и стеклом. Это важная подробность, имеющая практическое значение, так как если площадь опорной поверхности невелика, то давление на единицу площади возрастает и образуется более плотное смыкание. Кольцо необходимо сначала развальцевать и затем отшлифовать, чтобы оно плотно прилегало к горловине колбы. Если остановить выбор на станиолевом кольце, то его можно вырезать из обычной станиолевой заглушки, которую можно найти в продаже, обращая при этом внимание на то, чтобы кольцо было гладким.

 

Ил. 3. Устройство с улучшенной двухфокусной трубкой, которое уменьшает вредные воздействия

 

На иллюстрации 3 показана модифицированная трубка, которая так же, как и два описанных выше типа трубки, входила в коллекцию, представленную на выставке. Как видите, это двухфокусная трубка с ударными пластинами из иридиевого сплава и с расположенной напротив алюминиевой заглушкой А. Трубка демонстрируется не по причине оригинальности конструкции, а лишь для того, чтобы проиллюстрировать особенности ее применения. Вы, наверное, заметили, что алюминиевая заглушка в описываемых трубках вставлена внутрь горловины, а не надета на нее снаружи, как это зачастую делается. Долгий опыт работы доказывает, что практически невозможно поддерживать глубокий вакуум в трубке с наружной заглушкой. Единственный способ, с помощью которого я смог сохранить вакуум в полной мере, состоял в охлаждении заглушки, например, сильной струей воздуха и в соблюдении следующих мер предосторожности: сначала пускается слабая воздушная струя и после этого трубка подключается к питанию. Затем ток, проходящий через трубку, а также давление воздуха постепенно усиливаются и доводятся до нормальных рабочих показателей. По завершении эксперимента давление воздуха и напряжение тока в трубке постепенно снижаются, и управление обоими процессами осуществляется таким образом, чтобы не возникло большой разницы в температуре между стеклом и алюминиевой заглушкой. Если не соблюдать эти предосторожности, то вследствие неодинакового расширения стекла и металла от вакуума не останется и следа.

С трубками, о которых здесь идет речь, совершенно не обязательно соблюдать эту меру предосторожности, если уделить должное внимание подготовительному этапу. Устанавливая заглушку, ее следует сначала охладить до разумного предела, не подвергая опасности стекло, и затем осторожно протолкнуть в горловину трубки, следя за тем, чтобы не было перекоса.

Однако наиболее важными операциями в процессе изготовления такой трубки являются две: утончение алюминиевой мембраны и герметичное закрепление заглушки. Толщина металла заглушки может составлять одну тридцать вторую или даже одну шестнадцатую дюйма, и в таком случае с помощью конического зенкера диаметром около четверти дюйма можно уменьшить толщину центральной части, насколько это возможно, не допуская прорыва листа. Дальнейшее утончение производится вручную с помощью шабера; и на последнем этапе металл следует подвергнуть осторожной ковке таким образом, чтобы надежно закрыть пустоты, которые могли бы допустить постепенную утечку. Вместо того чтобы проделывать всё это, я применил заглушку с отверстием в центре, которое я закрыл листом чистого алюминия толщиной в несколько тысячных дюйма, приклепав ее к заглушке посредством кольца из толстого металла, но результат не вполне удовлетворил меня.

Герметизацию заглушки я произвожу следующим образом: трубка закрепляется на насосе в соответствующем положении и из нее откачивается воздух до достижения устойчивого состояния. Степень разрежения является мерой безупречности соединения. Утечка обычно бывает значительной, но это не такой серьезный изъян, как может показаться. Теперь трубка подвергается постепенному тепловому воздействию с помощью газовой горелки, пока температура не достигнет точки плавления сургуча. Затем пространство между заглушкой и стеклом заполняется высококачественным сургучом, и когда он начинает плавиться, температуру следует снизить, чтобы сургуч в полости мог застыть. Затем температура нагрева вновь возрастает, и этот процесс нагревания и остывания повторяется несколько раз, до тех пор, пока вся полость после очередного снижения температуры не окажется заполненной сургучом и не исчезнут все воздушные пузыри. Затем сверху накладывается еще немного сургуча, и откачивание воздуха продолжается еще в течение часа или около того, в зависимости от мощности насоса, с применением умеренного нагревания — значительно ниже точки плавления сургуча.

Подготовленная таким образом трубка будет хорошо сохранять вакуум и прослужит очень долго. Не используемая в течение нескольких месяцев, она может постепенно терять высокий вакуум, но его можно легко восстановить. Однако если после длительной эксплуатации возникнет необходимость почистить трубку, это легко осуществить: осторожно нагреть трубку и удалить заглушку. Сначала можно почистить кислотой, затем сильно разбавленной щелочью, далее дистиллированной водой и, наконец, чистым ректифицированным спиртом.

Эти трубки, должным образом подготовленные, дают значительно более резкие отпечатки и выявляют гораздо больше подробностей, чем трубки обычного типа. Для четкости отпечатков важно, чтобы электрод имел соответствующую форму и чтобы фокус в точности совпадал с центром заглушки или был немного внутри нее. При установке заглушки следует как можно точнее измерить расстояние от электрода. Следует также отметить, что чем тоньше мембрана, тем выше резкость отпечатков, но не рекомендуется делать мембрану слишком тонкой, так как она может моментально расплавиться при подключении тока.

 

Ил. 4. Схема компоновки с использованием трубки Ленарда для безопасной работы на более близком расстоянии

 

Такие трубки имеют и другие преимущества, кроме описанных выше. Они также лучше приспособлены для проведения обследования хирургами больных, особенно если трубки используются таким образом, как показано на схемах (ил. 3 и 4), которые не требуют разъяснений. Вы видите, что в обоих случаях заглушка заземлена. Это, несомненно, уменьшает вредное действие, а также дает возможность получать отпечатки при очень короткой экспозиции всего лишь в несколько секунд и с близкого расстояния. Во время работы лампы вы можете нечаянно задеть ее, но благодаря заземлению не почувствуете неудобства. Схема компоновки, показанная на иллюстрации 4, выгодно отличается формой единственного вывода, катушку которого я описывал по другому поводу и который представлен в виде схемы, где P — первичный контур, a S — вторичный, и в данном случае вывод высокого напряжения соединен с электродом, тогда как заглушка заземлена. Трубка может быть размещена, как показано на рисунке, под рабочим столом и в непосредственной близости или даже в контакте с телом пациента, если для получения отпечатка требуется лишь несколько секунд, как, например, при исследовании отдельных участков конечностей. Я сделал много отпечатков с помощью таких трубок и не наблюдал никаких вредоносных воздействий, но я бы советовал на очень коротких расстояниях не облучать больше двух или трех минут. В этой связи экспериментатору следует принять во внимание выводы, сделанные мной в предыдущих сообщениях. Во всяком случае, поступая описанным образом, вы, несомненно, достигаете еще большей безопасности, а процесс получения снимков значительно убыстряется. Для охлаждения лампы можно использовать струю воздуха, как ранее указывалось, или же каждый раз, когда делается снимок, в заглушку можно налить немного воды. Вода лишь слегка ослабит действие трубки, в то же время она поддерживает безопасную для мембраны температуру. Могу добавить, что трубки можно усовершенствовать, снабдив заднюю часть электрода металлическим покрытием С, как показано на иллюстрациях 1 и 2.

«Electrical Review», 11 августа 1897 г.