Дизайн проездных документов
Автоматические контрольные пункты, позволяющие быстро попасть на станции и выйти из них большим массам людей, используются на большинстве современных линий метрополитена. В связи с этим особым видом графического дизайна к началу XXI века стало оформление проездных магнитных билетов и смарт-карт, имеющих вид кредиток.
Японское управление общественного транспорта города Саппоро, в отличие от большинства других, выпускает проездные билеты не унифицированного, а различного оформления. Кроме функциональной задачи обеспечения более легкого и быстрого распознания отдельных видов проездных документов (в т.ч. единых на различные виды транспорта) решается эстетическая задача привлекательного внешнего вида. Создана возможность заказа карт, имеющих дизайн в соответствии с пожеланиями пассажиров. Предлагается даже подарочный вариант оформления с изображением различных цветов и других сюжетов. Дизайн карточек оказался настолько привлекателен, что они стали предметом коллекционирования любителей сувениров.
Электронно-оптические приборы для изучения структуры вещества
Многие достижения в науке, технике и технологии второй половины XX века (прежде всего, в микроэлектронике), биологии, медицине и других отраслях теории и практики не могли бы состояться без оборудования для наблюдения, анлиза и пр. с использованием пучков быстролетящих электронов. Родоначальником этого довольно обширного семейства электронно-оптических приборов был электронный микроскоп11. Он появился в результате поиска путей совершенствования оптического микроскопа (см. Лекцию 4).
Сложные оптические микроскопы позволяют наблюдать объекты с размером около 0,1- 0,2 мк, что соответствует увеличению в 2000 раз (невооруженный глаз различает предметы с размерами около 0,2 мм). Применение в световой микроскопии больших увеличений является бесполезным, так как разрешающая способность остается той же, а изменяется только масштаб изображения из-за явления дифракции, обусловленного волновой природой света. Разрешающая способность, составляющая около одной трети длины волны, может быть существенно повышена за счет использования электронных лучей, обладающих волнами во много раз короче световых, что и было осуществлено в электронных микроскопах. Электронные микроскопы позволили реализовать разрешение в несколько ангстрем (1 ангстрем равняется 10“8 см) при увеличении порядка 500000 крат.
В 1960-е годы промышленностью уже выпускались в значительном количестве и широко использовались в исследовательской работе, а также в прикладных целях, микроскопы для исследования в проходящих лучах, растровые микроскопы и рентгеновские микроанализаторы.
В просвечивающем электронном микроскопе, как и в световом, основными элементами являются объектив, окуляр и конденсор. Вместо источника света в оптическом микроскопе здесь имеется электронная пушка: катод испускает электроны, анод фокусирует и ускоряет их. Затем пучок электронов попадает в конденсорную систему, задача которой в микроскопах любого типа - собрать и направить на объект исследования как можно больше лучей от источника. Сформированный пучок электронов попадает на образец и затем в объектив, в фокальной плоскости которого образуется первое увеличенное изображение. При помощи проектора, представляющего собой систему магнитных линз, оно переносится на экран или фотопластинку в еще более увеличенном виде. Это изображение наблюдается через оптический микроскоп. Микроскопы этой конструкции работают на просвет. Изображение создают электроны, прошедшие образец насквозь. Поэтому для исследования либо берут пленку («срез») из материала образца, либо делают отпечаток его поверхности - реплику12.
Так как в этих приборах световые лучи заменены электронными, то для их формирования используются электромагнитные системы, располагаемые в электронной колонне. Из-за сильного поглощения электронов материей, в частности, воздухом, в канале для прохождения электронного луча создается вакуум. Поэтому такие приборы содержат довольно большие вакуумные узлы для создания и поддержания высокого разряжения, а также сложные системы электропитания, индикации и управления.
Первый электронный микроскоп сконструировали в Германии ученые М. Кнолль и Э. Руска в 1931 году. В 1939 году немецкая фирма «Сименс» выпустила свою первую промышленную модель просвечивающего электронного микроскопа. В 1936 году был изготовлен микроскоп ЕМ1 английской фирмой «Метрополитэн виккерс». Прибор имел разрешение около 2000 ангстрем и увеличение порядка 5000 крат. У этого технического изобретения и его конструктивного воплощения была почти полувековая предыстория.13
Немецкий физик-экспериментатор Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) обнаружил в 1895 году возникновение в вакуумной трубке с двумя электродами некоего излучения (от катода к аноду), на основе чего была создана рентгеновская трубка. Рентгеновские лучи - электромагнитное ионизирующее излучение - возникали в ней на аноде под воздействием упомянутого излучения с катода. Английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) доказал (1897), что катодные лучи являются потоком мельчайших заряженных частиц - электронов.
Однако только в 1924 году французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) показал, что все частицы (в т.ч. электроны) имеют двойственную природу - ведут себя одновременно и как частицы, и как волны. При этом, чем больше энергия частицы, тем короче длина ее волны, а энергия частицы тем больше, чем выше ее скорость. Следовательно, сильно разогнав электроны, можно получить волны в 100 тыс. раз короче световых и, значит, увидеть в 100 тыс. раз более мелкие объекты, чем в световом микроскопе. Технической предпосылкой для создания нового типа микроскопа стала разработка немецким физиком X. Бушем магнитной электронной линзы (1926). После чего М. Кнолль и Э. Руска приступили к созданию первого электронного микроскопа (1928).
В годы Второй мировой войны производство микроскопов в небольших количествах осуществлялось в Германии и США, теоретические исследования и конструкторские разработки велись также в Англии, Бельгии, Швеции и Японии. В Советском Союзе исследования в электронной микроскопии были начаты в конце 1939 года в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова (ГОИ), в Ленинграде. В 1940-м году был создан первый макетный образец, а уже в 1946 году микроскопы ГОИ получили различные организации СССР. Промышленное производство электронно-микроскопической аппаратуры в нашей стране началось в 1949 году выпуском приборов под маркой ЭМ-3 на Красногорском механическом заводе14.
Форма первых промышленных образцов определялась, в первую очередь, стремлением добиться наиболее простыми средствами нормального функционирования прибора, т.е. обеспечить формирование электронно-оптического изображения достаточного увеличения, разрешения и яркости, а также защитить оператора от воздействия высокого напряжения. Компоновка и форма первых приборов формировались инженерами и носили чисто утилитарный характер. Эти новые приборы имели много общего с уже существовавшими станками и другим оборудованием: литые основания, пульты на вертикальных поверхностях, штурвалы и рычаги в качестве органов управления. Электронная колонна устанавливалась на стенде, примыкавшем к шкафу, а пульт управления находился на передней поверхности стенда, что затрудняло манипуляции с органами управления. Часть органов управления помещалась в зоне, наиболее близкой к элементу технической структуры, для управления которым они предназначалась.
Так, рукоятки регулировки реостата накала находились на экранной ванне над колонной и манипуляции с ними не могли быть выполнены сидя. Там же находился измерительный прибор накала.
Интенсивное расширение промышленного производства электронных микроскопов началось в 1950-е годы. Возрастает количество фирм-изготовителей в различных странах; совершенствуются технические параметры приборов, одновременно изменяется их компоновка и внешний вид. Новые для того времени отечественные и зарубежные микроскопы представляли собой так называемые настольные модели. У них был стол значительных размеров, на котором вертикально вверх крепилась электронная колонна, по сторонам которой располагались пульты с органами управления и средствами индикации. Высота стола и ряд других параметров приборов обычно выбирались без учета антропометрических и других эргономических требований. Стремление компактно расположить все вспомогательные системы в столе обусловило его высоту почти в 900 мм у отечественного ЭМ-5 и японского JEM-T4, и поэтому оператор работал в неудобной позе с поднятой грудной клеткой и локтями15.
Совершенно другую компоновку имел голландский микроскоп ЕМ100, в котором электронная колонна располагалась в столе под углом к горизонтальной плоскости. Конечное увеличенное изображение рассматривалось на флуоресцирующем экране (280 мм), что было весьма удобно для оператора-исследователя.
Форма микроскопа отражала самые модные веяния тех лет. Обтекаемые поверхности, криволинейные формы элементов со сглаженными углами придавали целостность композиции, делая форму скульптурной. Однако эта форма противоречила требованиям эргономики. Стол выпуклостью по направлению к оператору, отсутствие плоскости стола как таковой, расположение органов управления под экраном и по сторонам от колонны (на высоте 820 мм) - вот основные недостатки формы микроскопа. Примером другого композиционного и конструктивного решения является английская модель «Коринт 275» с расположением электронной колонны под поверхностью стола (вертикально вниз) - об этой модели речь шла в предыдущей лекции.
Показательна эволюция формы микроскопов японской формы JEOL, которая широко использовала американский опыт, и модели которой пользовались авторитетом на мировом рынке. При создании моделей с совершенствованием технических характеристик наблюдался возврат к прежним, не всегда оправданным решениям. С интервалом в 10 лет, как-бы забывая все уже достигнутое мировой практикой микроскопостроения, повторяются компоновка и форма пульта управления американского EMU-2, который был отправной точкой для японских приборов. Оператор был вынужден работать в неестественной позе (сгорбленное положение тела с вытянутой шеей и руками, не имеющими опоры в локтях). И только потом, спустя еще 10 лет произошел возврат к расположению пультов над столешницей по сторонам от колонны. Изменение формы микроскопов соответствует закону развития в природе и технике, сформулированному философами-материалистами: «Развитие, как-бы повторяющее пройденные уже ступени, но и повторяющее их иначе, на более высокой базе («отрицание отрицания»), развитие, так сказать, по спирали, а не по прямой линии...» (В.И. Ленин)16.
Наряду с совершенствованием технических параметров, эргономических и эстетических характеристик просвечивающих электронных микроскопов создавались приборы с новыми функциональными возможностями.
Рентгеновский микроанализатор, сконструированный в 1951 году во Франции Р. Кастеном, позволил проводить химический анализ по длине волны рентгеновского излучения, испускаемого исследуемым образцом под воздействием тонкого электронного зонда. Позднее в прибор были введены системы для формирования изображения структуры образца и наблюдения ее на экране электронно-лучевой трубки. Идея использования в микроскопии телевизионной системы с растровой разверткой оказалась чрезвычайно плодотворной. Образец сканировался тонким электронным лучом, а информация о каждой его точке последовательно передавалась в фотоумножитель - собирающий элемент, а с него - на экран телевизора.
Растровый электронный микроскоп появился в 1960-е годы в результате развития полупроводниковой радиоэлектроники, опыта, накопленного при производстве просвечивающих электронных микроскопов и рентгеновских микроанализаторов. Растровые микроскопы позволили воспроизводить на экране трехмерное микроизображение с глубиной резкости, по крайней мере, в 300 раз большей, чем при помощи световых микроскопов. При этом подготовка образцов сводилась к минимуму Благодаря широкому использованию интегральных схем эти приборы имели весьма небольшие габариты и были компактны.
В 1970-е годы высококлассные просвечивающие электронные микроскопы для решения широкого круга научно-исследовательских задач стали дополняться различными системами. Микроскопы превратились в приборные комплексы, которые включали в себя, кроме собственно микроскопа, еще спектрометры различного типа, приставки для манипуляций с образцами и видеосистемы с телевизионными экранами для наблюдения образцов в различных режимах [19.5; 19.6].