Содержание к диссертации
Введение
1. Исторические аспекты становления элементной базы оптоэлектроники (конец XVII —начало XXI вв.) 19
1.1. Создание физических основ оптоэлектроники (конец XVII-30-е гг. XX вв.) 19
1.1.1. Создание фотоприемников 24
1.1.2. Исследования в области оптической связи 26
1.2. Полупроводниковая электроника - база для появления и развития оптоэлектроники (1940- 1960-е гг.) 28
1.2.1. Развитие фоторезисторов. Фотодиоды 28
1.2.2. Изобретение транзистора 29
1.2.3. Полупроводниковые фотоприемники, светодиоды, оптроны 31
1.2.4. Изобретение лазера 33
1.2.5 Планарная технология. Интегральные схемы 35
1.2.6. Развитие волоконно-оптической связи 37
1.3. Становление оптоэлектроники (1970- 1980-е гг.) 39
1.3.1. Создание гетеролазера 41
1.3.2. Индикаторы 43
1.3.3. Развитие интегральных схем 45
1.3.4. Многоэлементные фотоприемники 47
1.3.5. Становление волоконной оптики и ВОЛС 48
1.4. Современная оптоэлектроника и фотоника (90-х гг. XX - начало XXI вв.) 53
1.4.1. Интегральные схемы 53
1.4.2. Оптическая связь 54
1.4.3. Оптические коммутаторы 57
1.4.4. Интеллектуальные системы технического зрения на основе КМОП-технологии 59
2. Организация управления электронной промышленностью в СССР и России 63
2.1. Государственное управление отраслевой промышленностью и наукой (20-х гг. XX - начало XXI вв.) 63
2.1.1. Предвоенные и военные годы (1920 - 1945 гг.) 63
2.1.2. Послевоенные годы (2-я половина 1940-х- 1950-е гг.) 65
2.1.3. Становление электронной промышленности и ее оптоэлектронного компонента (1960 — 1980-е гг.) 69
2.1.4. Стагнация в электронной отрасли. Мероприятия по возрождению отрасли (90-е гг. ХХ-начало XXI вв.) 78
2.2. Роль Академии наук СССР и РАН в развитии оптоэлектроники 83
2.3. Роль кафедр ведущих советских и российских вузов в развитии оптоэлектроники 86
2.4. Роль научно-технических обществ в развитии оптоэлектроники 91
2.4.1. Российские научно-технические общества 91
2.4.2. Международные научно-технические общества 94
3. Применение оптоэлектронных (фотонных) приборов на отечественном железнодорожном транспорте 99
3.1. История применения оптических приборов 100
3.2. Светодиодные системы световой сигнализации 102
3.3. Бесконтактные устройства видимого и ИК диапазонов для контроля рельсовой колеи и узлов подвижного состава 107
3.3.1. Системы контроля температуры букс и ходовой части подвижного состава 107
3.3.2,Оптоэлектронные измерительные системы 116
3.4. Телевизионные системы 121
3.5. История применения волоконно-оптических линий передачи 126
3.5.1. Строительство ВОЛП МПС России 127
3.5.2. Основные технические характеристики ВОЛП МПС России 130
4. Перспективы применения оптоэлектронных технологий на транспорте 140
4.1. Тенденции развития мирового рынка оптоэлектронных приборов и систем 140
4.1.1. Волоконно-оптические линии передачи 141
4.1.2. Устройства отображения информации и фотоприемные камеры 142
4.1.3. Промышленные оптоэлектронные технологии 144
4.1.4. Аэрокосмические и военные системы 146
4.2. Оптоэлектронные системы обеспечения безопасности движения 148
4.2.1. Приборы ночного видения и интеллектуальные транспортные средства 148
4.2.2. Оптико-электронные средства контроля движения поездов 154
4.2.3. Оптоэлектронные системы сигнализации и контроля 157
4.2.4. Светодиодные источники освещения 158
4.3. Фотонные кристаллы в телекоммуникационных технологиях 159
4.4. Перспективы развития электроники и оптоэлектроники в России 162
4.5. Методика оценки исторической обусловленности и целесообразности внедрения новой техники на железнодорожном транспорте 166
4.5.1. Оценка комплекса технических средств измерения рельсовой колеи метрополитена КСИР с помощью методики 169
4.5.2. Модель оптимального распределения времени разработки и испытаний устройства по этапам 176
Заключение 182
Список использованной литературы и источников 185
- Планарная технология. Интегральные схемы
- Послевоенные годы (2-я половина 1940-х- 1950-е гг.)
- История применения оптических приборов
Введение к работе
Актуальность темы. Вторая половина XX в. характеризуется революционными преобразованиями в электронике. Изменение представлений о ее развитии, в том числе оптоэлектроники (ОЭ), сопоставимо лишь с революцией в физике начала XX в., которая привела к принципиально новому пониманию микромира.
Во второй половине XX в. стало ясно, что современные требования в области информатики и связи невозможно обеспечить с помощью традиционных средств электроники, даже при наличии больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). Оптоэлектроника возникла как недостающее звено электроники, поскольку для представления, обработки и передачи информации использовала электронные и оптические методы и средства воздействия. Это дало возможность принципиального преобразования систем информации и связи. Оптоэлектронные (фотонные) приборы и технологии обладали экономичностью, надежностью, технологичностью, быстродействием, долговечностью и миниатюрностью. Эти характеристики, отвечая запросам современного "информационного" общества, позволили оптоэлектронике занять прочное положение одного из ведущих направлений электроники.
Железнодорожный транспорт относится к сложным наукоемким техническим системам, в которых, в первую очередь, осуществляется внедрение инновационных технологий. Поэтому новые оптоэлектронные устройства и системы находят применение в системах сигнализации и связи, устройствах контроля нагрева букс, информационных табло, системах видеонаблюдения. Техническое перевооружение железных дорог на рубеже XX - XXI вв. предусматривает широкое применение оптоэлектронных (фотонных) технологий (ОЭТ).
Цель диссертации - исследование историко-технических аспектов развития отечественной оптоэлектроники и ее применения на железнодорожном транспорте.
Методология работы основывалась на междисциплинарном принципе исследования. Использование метода системного анализа позволило рассмотреть оптоэлектронику как сложный комплекс. Применение сравнительного метода дало возможность объективно оценить достижения отечественной опто-электроники на фоне ее мирового развития.
Объектом исследования является развитие и становление оптоэлектро-ники за период с конца XVII по начало XXI вв.
Предмет исследования - применение технических средств оптоэлектро-ники, в том числе на железнодорожном транспорте.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- выявление критериев для определения периодов развития оптоэлектро-ники исходя из особенностей, закономерностей и преемственности теоретических и прикладных исследований;
- систематизация фундаментальных открытий в области физики с конца XVII по начало XXI вв. с целью определения их роли в процессе зарождения и становления оптоэлектроники;
- определение влияния полупроводниковых технологий на создание элементной базы оптоэлектроники в 60-е гг. XX - начале XXI вв.;
- оценка роли государства, академического и педагогического социума, научной общественности в развитии отечественной оптоэлектроники;
- раскрытие историко-технических аспектов внедрения оптоэлектронных технологий и перспектив их применения на отечественном железнодорожном транспорте;
- выявление тенденций развития мирового рынка оптоэлектронных приборов и систем с целью определения эффективности их применения и прогнозов развития на транспорте;
разработка методики оценки исторической обусловленности и целесообразности внедрения фотонных технологий на железнодорожном транспорте на примере комплекса технических средств для фотонного измерения состоя ния железнодорожного полотна метрополитена в плане и профиле (КСИР).
Историография. В привлеченной к исследованию отечественной и зарубежной литературе содержатся общие сведения по истории физики и электроники, излагается методология, рассматриваются виды оптоэлектронных приборов, их развитие и области промышленного применения.
В публикациях Т.Я. Дубнищевой, СХ. Карпенкова, В.А. Соломатина анализируется развитие физики в контексте современного естествознания. Работам Б.Н. Авдонина, В.М. Пролейко и А.А. Щуки присущ тщательный отбор изобретений с 1930-х по 1990-е гг., характеризующих этапы развития научной и производственной базы отечественной электроники.
Организационные и производственные аспекты развития российской электронной промышленности во второй половине XX в. освещены в статьях ученых, директоров и главных инженеров НИИ и заводов электронного комплекса. В их числе публикации О.Р. Абдуллаева, B.C. Абрамова, Б.Н. Авдонина, А.С Адонина, Ж.И. Алферова, И.С Васильева, Ю.П. Докучаева, Ю.Ф. Лез-жова, В.И. Локтионова, СИ. Реброва, В.В. Симонова, A.M. Стоянова, В.П. Сушкова, Н.Н. Усова. Государственное руководство электронной отраслью в советский и постсоветский периоды оценивается ими по динамике изменения объемов производства изделий электронной техники (ИЭТ), в т.ч. ОЭ приборов.
Вопросы методологии и анализа развития элементной базы ОЭ впервые были подняты Ю.Р. Носовым в конце 1980-х гг.
В работах Ж.И. Алферова, А.И. Бакланова, Л.П. Варфоломеева, И.К. Верещагина, В.А. Воротинского, СМ. Кокина, Л.А. Косяченко, СВ. Ларионова, Ю.Р. Носова, А.С. Скрылева, Н.Н Слепова, В.П. Феоктистова, В.А. Шилина и др. освещаются технические параметры оптоэлектронных приборов. Развитие волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и оптических компонентов изучалось по статьям В.В. Виноградова, СА. Дмитриева, В.К. Котова, В.Н. Листви-на, Н.Н. Слепова и др.
В публикациях В.А. Боганика, К.Г. Верхоланцева, В.И. Есюнина, А.Е. Ефрюшкина, Р.А. Косилова, А.А. Миронова, Г.А. Николаева, Г.С. Оноприя, И.И. Петрова, П.А. Путина, Б.С. Сергеева, А.Ф. Тагирова, Ю.И. Таныгина, В.В. Фарафонтова, С.А. Щиголева содержится информация о разработке, модернизации и внедрении бесконтактных устройств видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов для контроля пути и узлов подвижного состава, телевизионных систем, светодиодных матриц для железнодорожной сигнализации.
Сведения о зарубежных и отечественных фотонных системах контроля рельсовой колеи нашли отражение в работах B.C. Жильцова, В.Г. Иноземцева, Е.В. Титова, В.А. Шилина и др. Лазерные технологии для железнодорожного транспорта проанализированы по публикациям С.К. Байкова, В.А. Зверева, М.И. Квасова, А.Н. Лукина, И.Н. Михеева, Н.Н. Паршина, А.И. Пуйши, Л.А. Чкалова, О.Х. Шарадзе.
В зарубежной историографии некоторые вопросы развития электроники и ОЭ представлены в статьях G. Friedman, Е. Loebner, С. Veber, P. Reys. Разработка оптронов, элементов волоконной оптики, фотонных кристаллов, КМОП-ФД БИС, систем на кристалле (SoC) была прослежена по работам Е. Loebner, D. Bishop, V. Acsynk, N. Slow, H. Titus, J. Bonten, D. Sterling.
Тенденции мирового рынка ОЭ приборов, разработка и применение новейших ОЭ систем для обеспечения безопасности движения изучались по периодическим изданиям США и европейских стран "Photonics Spectra", "Opto & Laser Europe", "Optical Engineering Magazine", "EuroPhotonics", "Laser Optics" за период с 1999 по 2004 гг.
Источники. Источниковая база исследования позволила получить дополнительные сведения к обработанным историографическим данным. В процессе исследования были проведены научные семинары, на которых были интервьюированы видные ученые и инженеры электронного комплекса, представители высшей школы. Среди них - академики РАН Б.П. Захарченя и А.Л. Ми-каэлян, чл.-корр. РАН В.Я. Панченко; главные инженеры заводов и НИИ электронного комплекса А.С. Адонин, Ю.Р. Кузнецов, Ю.Н. Тишин и др.; заведую щие кафедр электроники ведущих технических вузов В.А. Никитенко, К.О. Петросянц, Б.С. Ринкевичюс, В.Я. Стенин. В ходе бесед оценивался вклад отечественных ученых в развитие полупроводниковой электроники, микро- и оп-тоэлектроники и оценка их состояния, промышленное применение приборов, перспективы их дальнейшего продвижения, необходимость объединения административных и академических ресурсов в науке и производстве.
Мемуары А.С. Андреева, А.А. Захарова, Ю.Р. Носова, В.М. Пролейко, А.Е. Шейндлина, А.А. Шокина о государственных мероприятиях по строительству электронной отрасли за период с 1930-х по 1990-е гг. отличает сопричастность авторов событиям.
Делопроизводительная документация, впервые введенная в научный оборот, представлена подлинниками документов Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова (РНТОРЭС) за 1946-1967 гг. Деятельность отечественных НТО и кафедр ведущих технических вузов в области ОЭ изучена по регистрационным документам, уставам НТО, протоколам кафедр за период с 1971 по 2002 гг.
Правовой базой исследования явились законодательные акты СССР и Российской Федерации в области электронной промышленности за период с 1946 по 1985 гг. и с 1994 по 2000 гг. Период с 1986 по 1993 гг. не зафиксирован в соответствующих правовых источниках из-за отсутствия системы государственного управления электроникой.
По постановлениям СМ СССР, ЦК КПСС и Военно-промышленной комиссии при Президиуме СМ СССР конца 1940-х - начала 1980-х гг. прослежена возраставшая роль государственного руководства послевоенным восстановлением и созданием инфраструктуры отрасли. В "Генеральной схеме развития электронной промышленности СССР на период до 2000 года", изданной в 1985 г., прогнозирование развития микроэлектроники и вычислительной техники опиралось на реальные возможности отрасли.
В Федеральной (Президентской) программе 1994 г. "Развитие электрон ной техники в России на период до 2000 г." и указах Президента РФ 1997 г. и 1999 г. определены меры по выходу электронной отрасли из кризиса. Прогноз развития отечественной электроники и ОЭ на начало XXI в. разработан в Федеральной целевой программе "Развитие электронной техники в России на период 2001-2006 годов".
В ведомственно-нормативных актах МПС России по применению информационных и телекоммуникационных технологий (ИТТ) на железнодорожном транспорте в 90-е гг. XX - начале XXI вв. содержится информация о мерах по повышению безопасности движения на железнодорожном транспорте за счет применения новейших (в том числе ОЭ) приборов.
К исследованию была привлечена техническая документация. Этапы строительства ВОЛС МПС России изучались по Техническому проекту компании ЗАО "ТрансТелеКом" 1998 г., фотонные системы контроля пути — по техническим проектам НИОКР МИИТа и ОАО "ПИК Прогресс".
Изученная историография показала, что историко-технические аспекты развития ОЭ не подвергались компаративному анализу, который бы учитывал экономическую, социально-политическую и технологическую компоненты .
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
1. Установлена периодизация развития оптоэлектроники.
2. Показана взаимосвязь и преемственность исследований в области физики с конца XVII до начала XXI вв., прогресса полупроводниковых технологий с развитием оптоэлектронных приборов и систем и их промышленным применением, в том числе на железнодорожном транспорте.
3. Установлена определяющая роль государственного руководства отечественной электронной промышленностью в период с 20-х гг. XX по начало XXI вв.
4. Выявлено влияние академической науки, вузов и научной общественности на развитие электроники и внедрении оптоэлектронных технологий в промышленности, в том числе, на железнодорожном транспорте в период с 30-х гг. XX по начало XXI вв.
5. Установлены тенденции развития мирового рынка оптоэлектронных приборов и систем для определения перспектив их применения на железнодорожном транспорте.
6. Разработана методика оценки исторической обусловленности и целесообразности внедрения новых технологий (на примере комплекса технических средств для фотонного измерения состояния железнодорожного полотна метрополитена в плане и профиле (КСИР), снабженная необходимым математическим аппаратом для расчета ускорения этапов внедрения.
Научно-практическая значимость диссертации определяется необходимостью применения ее результатов в ходе преподавания курса «история науки и техники» для студентов специальности «управление инновациями»; «история российской науки» и «история техники» - слушателям инженерных специальностей. Полученные данные могут быть использованы в процессе создания сводных работ по истории электроники, полупроводниковой техники, микро- и оптоэлектроники, вычислительной техники, составления прогнозов развития оптической связи, в деятельности профильных научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций.
Апробация работы. Основные результаты работы изложены на конференциях "II International Conference on Photonics for Transportation" (2001 г., г. Сочи); XIII Международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине" (2002 г., г. Сочи); V Научно-технической конференции "Электроника, микро- и наноэлектроника" (2003 г., г. Кострома); в Обществе ученых "Твердотельные оптоэлектронные комплексы" в 2003 г. и научно-технических семинарах Института проблем проектирования в микроэлектронике (ИППМ РАН) в 2004 г. Полученные результаты опубликованы в пяти статьях.
Структура диссертации: работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и источников. Она снабжена не обходимым математическим аппаратом. В тексте четырех глав помещены 12 таблиц и 59 рисунков.
Содержание работы.
Во Введении обоснована актуальность и научная новизна, определены цели, задачи работы, объект, предмет и методология исследования; проведен историографический и источниковедческий анализ, установлена научно-практическая значимость и апробация полученных результатов.
В первой главе "Становление элементной базы оптоэлектроники" впервые определены и обоснованы периоды развития ОЭ, выявлены их особенности. Критериями для установления периодов выбрана степень научной разработанности направления, широта применения ОЭ приборов и систем в промышленности, в том числе на железнодорожном транспорте, а также определяющая роль государства в развитии высоких технологий (для России).
В рамках первого периода "Зарождение физических основ оптоэлектроники" с конца XVII в. по 30-е гг. XX в. исследования ведущих ученых систематизированы с точки зрения внутренней логики развития, взаимосвязи и преемственности научных знаний.
Второй период "Создание полупроводниковых технологий — основа для появления оптоэлектронных приборов" определен с 1940-х по 1960-е гг., поскольку изобретение транзистора стало решающим для создания ОЭ приборов (светодиодов, лазеров, оптронов) и их промышленного применения.
Третий период "Становление оптоэлектроники" объемлет 1970-1980-е гг. и характеризуется расширением ОЭ элементной базы за счет совершенствования транзисторной технологии со структурой "металл-окисел-полупроводник" (МОП), повлиявшей на процесс создания многоэлементных фотоприемников и их применения в оборонных, промышленных и бытовых областях.
Четвертый период "Развитие современной оптоэлектроники" с 90-х гг. XX по начало XXI вв." отражает главенствующую роль ОЭ элементов в современных информационных и телекоммуникационных технологиях. Это связано с разработкой КМОП-ФД БИС, фоточувствительных ПЗС (ФПЗС), технологии многоспектрального уплотнения (DWDM) и фотонно-кристаллического волокна (ФКО) для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), промышленных лазерных технологий, существенно повлиявших на усовершенствование опто-электронных приборов.
В рамках данной периодизации были рассмотрены научные направления, тесно связанные с оптоэлектроникой в электронном приборостроении. Это -интегральные схемы, компьютеры, твердотельное телевидение.
Во второй главе "Организация управления электронной промышленности в СССР и России" установлено, что государственное руководство по созданию отечественной электроники начало осуществляться с 1920-х гг. Научно-производственной базой для этого послужила сложившаяся до революции сеть заводов и научно-исследовательских учреждений в области радиоэлектроники.
Период с 1930-х по 1960-е гг. характеризуется созданием центральных отраслевых органов, в частности, Комитета по радиолокации при Государственном комитете обороны и строительством инфраструктуры отрасли, состоявшей из профильных НИИ, КБ и заводов. Производство ИЭТ развивалось в направлении полупроводниковой электроники и вакуумной СВЧ-техники. Система управления была завершена образованием Государственного Комитета по электронной технике (ГКЭТ), а в 1965 г. — Министерства электронной промышленности (МЭП) СССР. К концу периода сеть союзных, республиканских полупроводниковых НИИ и заводов была значительно расширена и усилена за счет создания Центра микроэлектроники в г. Зеленограде. Была заложена база для научных исследований и производства ИЭТ для ведущих отраслей промышленности. В конце 1960-х гг. были разработаны первые ИК системы контроля температуры букс для железных дорог.
Период с 1970-х по 1980-е гг. определяется наиболее высоким уровнем развития электронной промышленности СССР и ее оптоэлектронного компонента благодаря поддержке государственным ресурсом, обоснованной страте гии научно-технического развития, реализовавшихся в мощной научной и производственной базе. В середине 1970-х гг. предприятия МЭП освоили выпуск всех видов ОЭ приборов.
Для выявления субъективного фактора в истории науки и техники проанализирована позитивная роль крупных ученых и организаторов отечественной электроник, таких, как А.И. Берг, К.А. Валиев, Н.Д. Девятков, В.Г. Колесников, В.А. Красилов, М.И. Неделин, Н.А. Пилюгин, Ф.Г. Старое, Д.Ф. Устинов, А.И. Шокин.
Период с 90-х гг. XX по начало XXI вв. исследован с точки зрения влияния политических и экономических перемен в России на развитие электроники. Из-за распада СССР отечественной электронике был нанесен большой урон. Государственная ориентация на зарубежную элементную базу привела к резкому сокращению финансирования, ликвидации многих предприятий и, как следствие, значительному отставанию от мирового уровня выпуска ИЭТ.
Постепенное наращивание производства в конце 1990-х гг. диктовалось интересами безопасности и обороноспособности России.
В начале XXI в. развитие электроники и ОЭ определяется Федеральной программой "Развитие электронной техники в России на период 2001-2006 годов" и поддерживается отраслевыми программами оборонного комплекса и ОАО "РЖД", которые предусматривают широкое применение ОЭ систем.
В третьей главе "Применение оптоэлектронных (фотонных) приборов на отечественном железнодорожном транспорте" рассмотрена история внедрения систем световой сигнализации с 1837 по 1931 гг., а также оптоэлектронных изделий и систем, выполненных на российской элементной базе, с середины 60-х гг. XX по начало XXI вв. В их числе - бесконтактные системы видимого и ИК диапазонов для контроля рельсовой колеи, температуры букс и ходовой части подвижного состава, промышленные телевизионные установки (ПТУ), светодиодные системы световой сигнализации (ССС), фотонные измерительные системы, а также ВОЛС МПС России. Прослежены этапы разработки, внедрения и модернизации этих систем. Результаты исследования представлены графиками, иллюстрирующими цикл "разработка - внедрение".
В рамках анализа мероприятий МПС России с середины 1990-х гг. и ОАО "РЖД" - с 2004 г. рассмотрены отечественные фотонные системы измерения состояния пути (КСИР, ЦНИИ-4), новейшие лазерные технологии: технология упрочнения поверхностей головки рельса и катания колес (НИИ машиностроения, ОАО НИИТМ "Сириус"), система автостопа для исключения проезда запрещающих сигналов (ПГУПС), экспериментальная система видимого и ИК диапазонов, сопряженная с лазерным локатором для всесуточного и всепогодного наблюдения трассы (ВНЦ ГОИ им. С.Н. Вавилова).
Проведено исследование истории развития отечественных ВОЛС с начала 1980-х гг. Прослежена реализация проекта ЗАО "Компании ТрансТелеКом" по строительству этапов ВОЛС МПС России с 1999 г., не имеющего аналогов в истории страны.
В четвертой главе "Перспективы применения оптоэлектронных технологий на транспорте" выявлены тенденции развития мирового рынка, рассмотрены перспективные фотонные системы обеспечения безопасности движения, современные промышленные оптоэлектронные технологии и перспективы развития производств микроэлектроники в России.
Анализ современного рынка оптоэлектронных приборов показал, что ведущие страны вкладывают громадные средства в создание оптоэлектронных технологий. Выявлено, что в области ИТТ особо актуальным является развитие магистральных систем передачи данных на базе ВОЛС, обслуживающих междугороднюю, международную связь, региональные, глобальные компьютерные и транспортные сети. Основной перспективой для ВОЛС является увеличение пропускной способности за счет внедрения технологии волнового мультиплексирования (DWDM). В области рынка устройств отображения информации и фотоприемных камер выявлен устойчивый рост продаж.
Актуальные области применения лазерных промышленных технологий прослежены на примере транспортного машиностроения (мощные лазеры для обработки материалов и изготовления алюминиевых конструкций легкого подвижного состава железных дорог) и ВОЛС (микромощные лазеры в качестве входных излучателей). Рассмотрена новейшая область применения светоизлу-чающих диодов для освещения салонов транспортных средств.
В ходе анализа мировых тенденций применения оптоэлектронных систем на железных дорогах определены основные перспективные направления и разработки:
- пассивные (X =3-5 мкм, 8-14 мкм) и активные системы (Х=0,8-1мкм) с тепловизорами для ночного видения на КМОП ФД камерах, апробированные в США для автомобильного транспорта (Ford Motor Со. и DaymlerChrysler).
- системы измерения параметров движения поезда (пути, скорости, ускорения), не использующие колесную пару как первичный датчик со свойственными ему погрешностями ("Correvit", Германия; система ФГУП "ОПТЭКС", Россия);
- фотонные системы оперативного контроля геометрических параметров рельсовой колеи (ORIAN, США; КСИР, Россия), износа головки рельса и гребня колес (Tread VIEW, Великобритания);
- специальный ВОК, изменяющий коэффициент пропускания светового сигнала при деформации рельсовой колеи (Академия наук США);
- мощные лазеры на основе СОг и Nd:YAG для транспортного машиностроения при изготовлении алюминиевых конструкций легкого подвижного состава (США);
- СИД белого цвета в качестве осветителей салонов транспортных средств (Программа Госдепартамента США).
Эффективность указанных систем подтверждает необходимость использования оптоэлектронных методов измерения при создании приборов и приборных систем нового поколения для железнодорожного транспорта.
Изучение научно-технических программ, разрабатываемых ОАО "РЖД" с привлечением ведущих российских научных центров и РАН показало, что к разработке и внедрению планируются следующие отечественные ОЭ системы: постовые системы контроля буксовых узлов пассажирских и грузовых вагонов в движении и измерении уровня заполнения железнодорожных цистерн на базе высокочувствительных ИК камер; применение лазерных технологий для создания систем автоматического детектирования цветового сигнала светофора с локомотива; неохлаждаемые тепловизионные камеры для разработки ОЭ систем анализа состояния пути, выявления механических напряжений, наличия препятствий на полотне и системы контроля температурного состояния ответственных частей вагонов и локомотива; разработки в области светофоров, указателей и других приборов на базе полупроводниковых источников света; применение ОЭ измерительных систем для контроля геометрических параметров токонесущего провода и тележек вагонов, характеристик рельсов и поверхности катания колесных пар при эксплуатации.
В заключении подведены результаты проделанной работы и сделаны выводы; определены направления и перспективы применения оптоэлектроники на железнодорожном транспорте.
Планарная технология. Интегральные схемы
Бурное развитие транзисторной технологии поставило перед разработчиками и схемотехниками задачу интеграции элементов интегральных схем (ИС). Кроме подбора подходящего полупроводника остро встала проблема автоматизации сборки. До этого изготавливались гибридные ИС, которые содержали пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) и межсоединения, выполненные в виде пленок на керамической подложке. К пассивной части подсоединялись транзисторы и диоды. Появились бескорпусные транзисторы в виде кремниевых чипов. Однако задачам повышения степени интеграции и надежности они не отвечали. После запуска в 1957 г. советских спутников на орбиту Земли, в США была утверждена самая крупная в истории международная космическая программа. В ней участвовали ученые 66 стран [3]. В исследования по миниатюризации ракетно-космической электроники вкладывались огромные финансовые средства.
Прогрессивным направлением конца 1950-х гг. считались транзисторы компании Fairchild Semiconductor, выполненные по мезатехнологии. Рабочие частоты некоторых меза-транзисторов достигали гигагерцевого уровня. Они были надежными, работали при более высоких температурах. Идея о возможности изготовления всей схемы в одном полупроводниковом кристалле принадлежит Д. Килби (Texas Instruments). Предлагалось так разрезать пластину, чтобы на чипе оказывалось несколько меза-транзисторов, а также разместить на том же чипе резисторы и конденсаторы, создав, таким образом, законченное устройство - интегральную схему. Это было реализовано в начале 1959 г. в виде триггера, изготовленного на одном кристалле монолитного германия (рис. 1.18.) [3]. единение меза-структур с помощью распайки металлических проволочек. Пайки снижали надежность микросхем при большом количестве элементов. Многие недостатки первых ИС устранил Р. Нойс (Fairchild), применив тонкопленочные металлические межсоединения, проходящие по пленке окисла, а также усовершенствовав ряд других технологических процессов. Р. Нойс и Д. Килби вошли в историю как создатели интегральной схемы. В 2000 г. Д. Килби был удостоен Нобелевской премии по физике. Р. Нойс не дожил до этого дня [7].
С 1959 г. разработки в области ИС развивались высокими темпами. Сначала ИС применялись в военных областях - системах управления боевых ракет, средствах противоракетной обороны, в электронном криптографическом оборудовании. Программа межконтинентальных баллистических ракет "Минитмен", развернутая в США в 1960-е гг., стимулировала производство микросхем невиданных ранее объемов - 4000 ИС в месяц [3]. Лидером была фирма Texas Instruments. В конце 1960-х гг. ИС стали применять практически во всех изделиях электронной промышленности.
В СССР первый планарный транзистор был разработан в НИИ "Пульсар" в 1963 г. [12]. Он стал основным активным элементом гибридных ИС. Выпуск первых планарных транзисторов был налажен в 1965-1966 гг. почти одновременно в НИИ микроэлектроники в Зеленограде, в НИИ "Пульсар" и на Воронежском заводе полупроводниковых приборов
Послевоенные годы (2-я половина 1940-х- 1950-е гг.)
Послевоенные годы (вторая половина 1940-х — 1950-е гг.) В послевоенный период экономика СССР была ориентирована на военное противостояние с США и восстановление народного хозяйства. Основные финансовые средства вкладывались в разработку и осуществление ядерного и оборонного проектов. Постановление Совета Министров СССР (СМ СССР) «Вопросы реактивного вооружения» от 19 мая 1946 г. поставило задачу централизации отраслей, производящих ИЭТ [40]. Началась структурная реорганизация. Комитет по радиолокации был ликвидирован, что, по мнению многих специалистов было ошибкой [41]. В 1945 г. Наркомат электротехнической промышленности с заводами, выпускавшими радиоэлектронные компоненты, были переданы во вновь созданный Наркомат промышленности средств связи (с 1946 г. Министерство), который стал ведущим в области электротехники. В 1953 г. МПСС СССР было объединено с российским Министерством электропромышленности и электростанций (МЭиЭ) в общесоюзное Министерство электростанций и электропромышленности во главе с М.В. Первухиным [40].
Появление транзисторной технологии и широчайшие потенциальные возможности полупроводниковой электроники поставили необходимость создания собственной полупроводниковой промышленности. В 1946 г. постановлением СМ СССР в НИИ-160 (НИИ «Исток») была создана научно-производственная база, которая концентрировала все лучшие отечественные и зарубежные разработки. В 1949 г. здесь был разработан первый образец точеч ного германиевого транзистора [40]. Во Фрязино было построено несколько предприятий этого профиля.
В соответствии с постановлениями СМ СССР № 1402/563 от 4 июня 1953 г. и Приказом Министра электростанций и электропромышленности № 60 от 9 июня 1953 г. был образоваван НИИ полупроводниковой электроники (ГУП "Ні 111 "Пульсар") с опытным заводом электронного профиля, выпускавший германиевые и кремниевые диоды и транзисторы [42]. В 1956 г. был создан НИИ-311с опытным заводом (ОАО НЛП «Сапфир» и ОАО «Оптрон»), который разрабатывал и выпускал полупроводниковые приборы [43]. Работы по созданию полупроводниковых детекторов проводились в НИИ-35 и ЦНИИ-108 - ведущем институте по радиолокации Министерства обороны СССР, возглавляемом академиком А.И. Бергом. Фундаментальные исследования проводила Лаборатория полупроводников во главе с А.Ф. Иоффе при Президиуме АН СССР [44].
В 1950-х гг. ВНИИ телевидения стал крупнейшим разработчиком и производителем телевизионных фотоэлектронных (оптоэлектронных) приборов, изделий на их основе и технологического оборудования. С 1938 г. там разрабатывались иконоскопы, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи [45].
Начало "холодной войны" стимулировало развитие электроники в СССР. К середине 1950-х гг. было освоено производство транзисторов. Заводы полупроводниковых приборов были построены в Александрове, Новгороде, Таллине, Херсоне, Запорожье, Брянске, Воронеже, Риге. В 1957 г. выпуск транзисторов составил 2,7 млн. шт., а суммарный годовой выпуск всех полупроводниковых приборов - 21 млн. [40]. В 1958 г. в СССР было начато серийное производство фотодиодов [46]. В тех условиях это было колоссальным прорывом советской науки и техники.
Успешное развитие промышленности полупроводников выдвинуло электронику в разряд приоритетных отраслей. В ноябре 1957 г. был создан Государ ственный комитет СМ СССР по радиоэлектронике, в задачи которого вошло осуществление единой технической политики в области прикладных исследований и разработка новых типов приборов и аппаратуры [38]. Важно, что впервые в названии государственного комитета появилось слово «электроника».
Период 1950-1960-х гг. характерен увеличением числа НИИ и КБ. Электронике уделялось большое внимание и в силу внешнеполитических соображений. Широко демонстрировались преимущества социалистического образа жизни. Достижения СССР в послевоенный период в области наукоемких технологий были очевидны. У руководства оборонной, космической и радиоэлектронной промышленности стояли специалисты высочайшего класса: Д.Ф. Устинов, М.И. Неделин, СП. Королев, М.В. Келдыш, М.К. Янгель, Н.А. Пилюгин, А.И. Шокин, А.И. Берг. Их знания, опыт и авторитет давали возможность правильно ориентировать руководство страны на важнейшие проблемы и, таким образом, влиять на политику государства. Однако, в отдельных случаях имели место проявления волюнтаризма. Например, несмотря на мнение ученых, предлагавших использовать для отечественного телевидения западногерманскую систему PAL, была выбрана французская система SECAM с заведомо худшими характеристиками [40]. Тогда это объяснялось политической ситуацией.
Немалый вред принесла децентрализация промышленности при создании совнархозов в 1957 - 1962 гг. Система управления отраслями была децентрализована, заводы и НИИ были отделены друг от друга и распределены по территориальному признаку. Объем научно-исследовательских разработок значительно сократился [46].
Успехи советской физики в создании ядерного оружия и освоении космического пространства в 1949 - 1960-е гг. неизмеримо подняли престиж отечественной науки в СССР и за рубежом. Было очевидно, что только комплексная автоматизация производства на основе электронной вычислительной техники может поднять экономику страны. Еще в 1948 г. в АН СССР начались работы по созданию ЭВМ вопреки официальной критике кибернетики. В 1956 г. в Мо сковском физико-технологическом институте были созданы факультет радиотехники и кибернетики во главе с А.И. Бергом и кафедра вычислительной техники во главе с С.А. Лебедевым. В 1959 г. Пленум ЦК КПСС поручил Комитету СМ СССР по радиоэлектронике, автоматизации и машиностроению, Научно-техническому комитету совместно с Госпланом СССР, совнархозам и предприятиям разработку перспективного плана комплексной автоматизации на базе средств вычислительной техники [38]. 27 января 1959 г. на XXI съезде КПСС при утверждении контрольных цифр развития народного хозяйства на предстоящую «семилетку» отдельно была подчеркнута роль полупроводниковой электроники. Этот факт говорит о возрастание роли электроники в секторе народного хозяйства, поскольку достижения электроники, как стратегической отрасли, практически никогда не упоминались в официальных заявлениях. В развитие решений съезда в октябре 1959 г. вышло постановление СМ СССР «О мерах по увеличению производства, расширению ассортимента и улучшению качества товаров культурно — бытового назначения и хозяйственного обихода», которое предусматривало широкое применение печатных схем и полупроводниковых приборов [46]. Однако электронику иногда рассматривали как комплектующую отрасль при ракетостроении, судостроении, радиотехнике и оборонной промышленности, как отраслях, поставляющих конечную продукцию. Не удавалось преодолеть разобщенность выпуска ИЭТ предприятиями разной подчиненности. Совнархозы нарушали связь науки с производством. Трудности, связанные с развитием отечественной электронной базы усугублялись появлением интегральной электроники и планарной технологии, освоение которых в промышленных масштабах требовало колоссальных усилий. Достижение паритета в военной области без современной электроники было невозможно. Требовалась незамедлительная реорганизация всех составляющих инфраструктуры электронной промышленности.
История применения оптических приборов
Применение световой сигнализации на железнодорожном транспорте России началось с ввода в эксплуатацию линии Петербург — Павловск в 1837 г. Постоянная сигнализация отсутствовала, но для особо важных сообщений применялся "оптический телеграф" (рис. 1.13.) Это были посты, размещенные на расстоянии 1-2 км. Ночная сигнализация осуществлялась красными фонарями, поднимаемыми с помощью проволочной передачи. Такой оптический телеграф существовал до 1870 г. Завершение строительства участка С.-Петербург — Москва в 1851 г. потребовало введения постоянной сигнализации. В 1852 г. вышло "Положение о сигнализации на С.-Петербург - Московской железной дороге", которое предусматривало использование переносных сигналов [94].
До 1870 г. на железных дорогах России, в большинстве своем частных, применялась различная световая сигнализация. Это были диски, подающие ночью белый огонь на двухпутных линиях и красный — на однопутных; семафоры с "крыльями", семафоры с красными и черными шарами и прочие варианты. В 1873 г. вышло "Положение о сигналах" Министерства путей сообщения (МПС). Предписывалось упорядочить применение семафорной сигнализации, но указаний о введении единых правил не было. До 1909 г. эта проблема решалась на разных дорогах по-своему. Наиболее распространенной была конструкция семафора с "крыльями", подающими двойной сигнал - машинисту и на встречное направление. Предшественниками современных прожекторных светофоров стали конструкция дуговой лампы с механическим регулятором В.Н. Чиколева (рис. 3.1) и электрический механизм, управляющий "окуляром" из трех цветных стекол К.Д. Кайля (конец 1890-х гг.) В 1909 г. были опубликованы "Общие правила сигнализации", предусматривающие применение семафора в качестве основного прибора для железнодорожной сигнализации [95]. В это же время была построена семафорная линия «С.-Петербург-Варшава» длиной 1200 км. Совершенствование устройства семафоров и систем световой сигнализации продолжалось.
Рис. 3.1. Дуговая лампа В.Н. Чиколева (1880 г.) В 1931 г. на отечественных железных дорогах началось применение системы автоблокировки. Одним из ее звеньев стали линзовые светофоры с двух-линзовой оптикой ступенчатого типа. Они изготавливались на Ленинградском заводе им. Козицкого, электротехнических заводах Наркомата путей сообщения (НКПС), Днепропетровском заводе "Светофор". После войны, наряду с основным типом светофора - линзовым, началось использование прожекторных светофоров, полученных по ленд-лизу. В дальнейшем прожекторные светофоры, уступающие в надежности, были вытеснены линзовыми, в которых применялись лампы накаливания. Разработанные до войны отечественные конструкции были усовершенствованы с учетом зарубежного опыта. Трехзначные светофоры ПС—45, выпускаемые заводами МПС после войны, были широко внедрены на железных дорогах страны. Их недостатками являются: низкая надежность, искажение сигнала прямыми солнечными лучами или отраженным светом цветных линз-светофильтров, необходимость использования защитных решеток для линзового стекла из-за опасности вандализма, что снижает видимость светофоров. По этой причине ежегодно заменяется до 10 % линз [94].
. Светодиодные системы световой сигнализации Преимущества СИД по сравнению с лампами накаливания определяют ся:
- высокой надежностью и большим сроком службы;
- малым энергопотреблением и низким напряжением питания;
- механической прочностью и конструктивной гибкостью;
- миниатюрностью и высоким быстродействием;
- экономичностью.
Светодиодные светофоры (рис. 3.2.) представляют собой СИД-матрицу, в которой, даже при выходе из строя половины диодов, сохраняются требуемые параметры цвета и яркости. Оборудование на матрицах СИД диаметром светильника 305 мм для переездной сигнализации на 30 % экономичнее оборудования на лампах накаливания и повышает срок службы до 100000 час. [96]. Зарубежный опыт свидетельствует о перспективности использования светодиодных светофоров. В высокоразвитых странах эти исследования имеют значительную государственную поддержку. Многоцветные светодиодные табло имеют повышенную надежность по сравнению с ламповыми и широко применяются на железных дорогах, вокзалах и в аэропортах [97, 98].
1997 г. Департамент сигнализации, связи и вычислительной техники МПС России утвердил ТЗ на разработку «Светооптической светодиодной системы мачтовых железнодорожных светофоров (ССС)», в процессе которой были созданы источники красного, желтого и зеленого цветов с повышенными параметрами по силе света в диапазоне температур - 60 до +50 С (табл. 3.1).
Таблица 3.1. Сведения о силе излучения светодиодных и ламповых светофоров [99]
Цвет Сила света в ССС, кд Сила света в светофоре с лампой мощностью 15 Вт, кд
Красный 2100 1560
Желтый 4350 3100
Зеленый 2600 1950
ССС должна функционировать в дневном, ночном и светомаскировочном режимах при напряжениях, соответственно равных 100 %, 80 % и 50 % от номинального значения. Ширина диаграммы направленности по уровню 0,1 должна быть не менее 1,5%. ССС обеспечивает самоконтроль в режимах горения и холодного состояния с помощью огневых реле, которые применяются во всех системах СЦБ. ССС была изготовлена в ЗАО «ИРСЭТ-ЦЕНТР» (С.Петербург). В 1999 г. были изготовлены и установлены на перегоне Горький — Толоконцево Горьковской ж.д. 2 комплекта, а в 2000 г. — 12 комплектов ССС красного, желтого и зеленого цветов [99].
Светодиодная система мачтового светофора содержит основание, блок СИД, многоэлементную линзу Френеля с апертурой 200 мм, плоское защитное стекло и заднюю крышку, на которой устанавливается источник питания. Блок СИД представляет собой печатную плату круглой формы с диаметром 200 мм. Конструкция ССС имеет диаметр 250 мм, толщину 53 мм и полностью совместима с существующим линзовым комплектом. Испытания подтвердили высокую надежность ССС, суточная экономия энергии составляет 50 Вт ч, срок окупаемости - 6 лет [99].
В 1998 г. Нижегородское ЗАО Транс-Сигнал и Горьковская ж.д. разработали и испытали устройства на основе СИД для приборов железнодорожной сигнализации. Светодиодным указателем красного цвета для устройства контроля схода подвижного состава (УКСПС) оборудуются подходы станций и сооружений для уменьшения последствий при сходе или нарушении нижнего габарита поезда (рис. 3.3 а). Информация о срабатывании УКСПС может передаваться машинисту с помощью речевого информатора или светового указателя (УПБ) в виде двух сходящихся полос. УПБ устанавливается на мачте следующего после УКСПС светофора [100].
Типовой указатель на лампах накаливания требует установки релейного шкафа и двух мощных источников питания КТП, что увеличивает его стоимость до 65 тыс. руб. Разработанный светодиодный указатель красного цвета питается от стандартного для СЦБ переменного напряжения 12 В. Изготовлено и введено в опытную эксплуатацию 80 образцов. Испытания показали, что светодиодный указатель обеспечивает увеличение в 2 раза дальности видимости (до 800 м), и расстояния различимости до 400 м. Прогнозируемый срок службы увеличен до 20 лет, наработка на отказ составляет 50000 час. Потребляемая мощность снижена в 14 раз и не превышает 20 Вт. Отпадает необходимость в установке релейного шкафа и дополнительных КТП. В отличие от лампового, в светодиодном указателе применяется высокопрочное поликарбонатное стекло, уменьшающее возможность механического повреждения. При серийном производстве базовая цена будет менее 6 тыс. руб. Поэтому экономический эффект только от внедрения одного указателя превышает 50 тыс. руб. В 1999 г. комиссия МПС России приняла решение о серийном производстве светодиодных головок красного цвета, а в 2000 г. начато их плановое внедрение [100].
Указатель скорости на СИД в виде светящейся зеленой полосы также, как и ламповый, состоит из трех линзовых комплектов, размещенных в одном корпусе. Для подключения используется сигнальный трансформатор СТ4 с огневым реле ОМШ2-40. Осевая сила света в три раза выше, чем у лампового указателя. Применение светодиодного указателя скорости обеспечивает значительное увеличение расстояний видимости и различимости. Отпадает необходимость периодической замены ламп и использования на кривых участках пути специальных рассеивателей [100].
