Ртутные линии задержки¶
Ртутная линия задержки — это электронное устройство, предназначенное для временной задержки электрического сигнала, в котором в качестве среды распространения сигнала используется столб жидкой ртути. Принцип действия основан на преобразовании электрического сигнала в ультразвуковую волну, её распространении через ртуть с известной скоростью и последующем обратном преобразовании в электрический сигнал. Ртутные линии задержки применялись в ранних вычислительных машинах, радиолокации и системах связи в середине XX века, до появления более компактных и надёжных полупроводниковых и ферритовых запоминающих устройств.
¶История
Разработка ртутных линий задержки была тесно связана с потребностями радиолокации во время Второй мировой войны. Для обработки отражённых радиосигналов требовались устройства, способные запоминать и сравнивать сигналы, разделённые во времени. Первые практические конструкции были созданы в 1940-х годах в Великобритании и США. В 1943 году американский инженер Уильям Шокли (впоследствии нобелевский лауреат) предложил использовать ртуть как среду для акустической задержки.
Ключевой вклад в развитие технологии внёс Джон Преспер Эккерт, один из создателей компьютера ENIAC. В 1944 году он разработал ртутную линию задержки, которая стала основой для оперативной памяти в компьютере EDVAC (1949). В 1946 году Эккерт и Джон Мокли основали компанию Eckert–Mauchly Computer Corporation, где продолжили совершенствовать ртутные линии для коммерческих машин, таких как UNIVAC I (1951).
В СССР исследования в этой области велись в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР под руководством Сергея Лебедева. В машине МЭСМ (Малая электронная счётная машина, 1951) использовались ртутные линии задержки в качестве запоминающего устройства. Позже, в 1950-х годах, они применялись в советских вычислительных машинах «Стрела» и БЭСМ-2.
К середине 1950-х годов ртутные линии задержки начали вытесняться более надёжными и быстродействующими ферритовыми сердечниками, а затем — полупроводниковой памятью. Однако в специализированных системах (например, в радиолокационных станциях) они использовались до 1960-х годов.
¶Принцип действия
Ртутная линия задержки работает на основе преобразования электрического сигнала в механические колебания (ультразвук) и обратно. Устройство состоит из трёх основных компонентов:
- Трубка с ртутью — герметичный сосуд (обычно стеклянный или металлический), заполненный дистиллированной ртутью. Длина трубки определяет время задержки.
- Пьезоэлектрический преобразователь на входе — кристалл кварца или титаната бария, который под действием электрического сигнала генерирует ультразвуковые колебания, распространяющиеся вдоль столба ртути.
- Пьезоэлектрический преобразователь на выходе — аналогичный кристалл, преобразующий механические колебания обратно в электрический сигнал.
Процесс протекает следующим образом:
- Электрический импульс подаётся на входной пьезопреобразователь.
- Преобразователь генерирует ультразвуковую волну частотой от 1 до 10 МГц (в зависимости от конструкции).
- Волна распространяется по ртути со скоростью около 1450 м/с (скорость звука в ртути при 20 °C).
- Через время, равное длине трубки, делённой на скорость звука, волна достигает выходного преобразователя.
- Выходной преобразователь генерирует электрический сигнал, ослабленный и искажённый по сравнению с исходным.
Время задержки (τ) рассчитывается по формуле: τ = L / v, где L — длина трубки, v — скорость звука в ртути. Для типичной длины 1 м задержка составляет около 0,69 мс.
¶Особенности ртути как среды
Ртуть была выбрана благодаря своим уникальным физическим свойствам:
- Высокая плотность (13,5 г/см³) и низкая вязкость обеспечивают малые потери энергии при распространении ультразвука.
- Хорошая теплопроводность позволяет эффективно отводить тепло от преобразователей.
- Жидкое состояние при комнатной температуре (температура плавления −38,8 °C, кипения 356,7 °C) упрощает конструкцию — не требуется сложной системы охлаждения или нагрева.
- Низкое затухание звука — коэффициент затухания в ртути на частотах 1–10 МГц составляет 0,1–0,5 дБ/см, что позволяет создавать линии длиной до нескольких метров.
Недостатками являются токсичность ртути и её высокая стоимость, а также чувствительность к температурным колебаниям (скорость звука меняется примерно на 0,1 % на 1 °C).
¶Конструкция
Типичная ртутная линия задержки представляла собой стеклянную трубку длиной от 0,5 до 2 м, диаметром 10–20 мм, заполненную ртутью. На концах трубки размещались пьезоэлектрические кристаллы. Для уменьшения отражений от торцов трубки внутренние поверхности покрывались звукопоглощающим материалом (например, резиной или свинцом).
В некоторых конструкциях использовались несколько последовательно соединённых трубок для увеличения времени задержки. Для компенсации температурной нестабильности применялись термостаты, поддерживающие температуру ртути с точностью до 0,1 °C.
¶Усиление и регенерация
Поскольку сигнал на выходе был значительно ослаблен (потери составляли 20–40 дБ), требовались усилители. В вычислительных машинах ртутные линии задержки использовались как регенеративные запоминающие устройства: сигнал циркулировал по замкнутому контуру, проходя через усилитель и формирователь импульсов, что позволяло хранить данные неограниченное время.
¶Применение
¶В вычислительной технике
Ртутные линии задержки были первым типом оперативной памяти (ОЗУ) в электронных компьютерах. Они использовались в следующих машинах:
- EDVAC (США, 1949) — 128 линий задержки, каждая хранила 8 слов по 44 бита.
- UNIVAC I (США, 1951) — 100 линий, суммарная ёмкость 1000 слов.
- МЭСМ (СССР, 1951) — 64 линии, ёмкость 31 слово.
- БЭСМ-2 (СССР, 1955) — 256 линий, ёмкость 2048 слов.
Ёмкость одной линии составляла от 100 до 1000 бит, время задержки — от 0,2 до 1 мс. Скорость доступа была последовательной (циклической), что ограничивало быстродействие.
¶В радиолокации
В радиолокационных станциях ртутные линии задержки применялись для:
- Подавления пассивных помех — сравнения отражённых сигналов от неподвижных и движущихся целей (системы селекции движущихся целей, СДЦ).
- Запоминания сигналов — для последующей обработки или отображения на индикаторе.
- Формирования временных интервалов — в системах синхронизации.
¶В системах связи
В аналоговых системах связи линии задержки использовались для:
- Коррекции временных задержек в многоканальных линиях.
- Реверберации — создания искусственного эха в аудиотехнике.
- Фазовой обработки сигналов в радиопередатчиках.
¶Достоинства и недостатки
¶Достоинства
- Высокая надёжность — отсутствие движущихся частей, длительный срок службы (до 10 000 часов).
- Большое время задержки (до нескольких миллисекунд) при относительно простой конструкции.
- Возможность регенерации сигнала — хранение данных без потери.
¶Недостатки
- Токсичность ртути — риск отравления при разгерметизации.
- Температурная нестабильность — требовалась термостабилизация.
- Большие габариты и масса — типичная линия на 1 мс весила около 1 кг.
- Последовательный доступ — невозможность произвольного обращения к данным.
- Высокая стоимость — из-за использования ртути и точной механики.
¶Интересные факты
- Первая в мире коммерческая вычислительная машина UNIVAC I использовала ртутные линии задержки общей ёмкостью 12 000 бит.
- В компьютере EDVAC для охлаждения ртути применялась водяная рубашка.
- В СССР ртутные линии задержки производились на заводе «Светлана» в Ленинграде.
- В 1950-х годах стоимость одного бита памяти на ртутных линиях составляла около 1 доллара США (в пересчёте на современные цены — десятки долларов).
- Некоторые радиолокационные станции, использующие ртутные линии задержки, эксплуатировались до 1980-х годов.
¶Источники
- Эккерт, Дж. П. «Ртутные линии задержки как запоминающие устройства». — Proceedings of the IRE, 1953.
- Лебедев, С. А. «Электронные вычислительные машины». — М.: Изд-во АН СССР, 1956.
- Китов, А. И. «Электронные цифровые машины». — М.: Советское радио, 1956.
- Бурцев, В. С. «Вычислительные машины и системы». — М.: Наука, 1975.
- Goldstine, H. H. «The Computer from Pascal to von Neumann». — Princeton University Press, 1972.