Текст книги "Превращения гиперболоида инженера Гарина"
Автор книги: Ирина Радунская
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 20 страниц)
ТРИ УРОВНЯ
Мы так увлеклись погоней за точностью и стабильностью генераторов, что чуть не забыли о мазерах. Нечто похожее случилось и с физиками.
Квантовые генераторы в первое время применялись только в качестве источников сверхстабильных колебаний. Но ведь еще в первых работах Басова и Прохорова, так же как и в первой статье Таунса и его сотрудников, указывалось, что их прибор может работать не только как генератор, но и как усилитель. Даже название «мазер», которое дал Таунс своему прибору, говорило об усилении, а не о генерации электромагнитных волн. Мазер есть акроним – сокращение – английской фразы. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, означающей усиление (а не генерацию) микроволн при помощи вынужденного испускания.
Уже из первых работ создателей молекулярного генератора было ясно, что особенности нового прибора, обеспечивающие выдающуюся стабильность его частоты, неизбежно ограничивают его применение в качестве усилителя. Усилитель на пучке молекул аммиака должен быть чрезвычайно узкополосным. Частота, на которой он может усиливать, способна изменяться только в весьма узких пределах. Такой усилитель не может найти широкого применения и действительно никогда не применялся.
Стабильность молекулярного генератора и узость его полосы усиления обусловлены тем, что работающие в нем молекулы аммиака пролетают сквозь резонатор в условиях строгой изоляции. Они связаны одна с другой и с внешним миром только через электромагнитное поле. В таком состоянии спектральная линия молекул должна была быть не шире миллионной доли герца. Практически она оказывается примерно в миллиард раз шире, так как молекулы пролетают через резонатор приблизительно за одну трехтысячную долю секунды, а за это время определить их резонансную частоту точнее невозможно.
Неудовлетворительные свойства усилителя на пучке молекул аммиака и выдающиеся качества молекулярного генератора на несколько лет определили дальнейшее развитие квантовой электроники. Все занялись совершенствованием квантовых стандартов частоты. О возможности квантового усиления забыли.
Лишь в 1956 году профессор Николас Блумберхен заново обсудил возможность применения квантовых систем для усиления электромагнитных волн. Блумберхен один из тех ученых, выходцев из Европы, которые в существенной мере обеспечили быстрый прогресс американской науки и дали журналистам право говорить об «импорте мозгов» в США. Блумберхен принадлежит к среднему поколению современных физиков. Он родился в Голландии в 1920 году, окончил университет во время войны, защитил докторскую диссертацию и в возрасте около 30 лет пересек океан в поисках более широкого применения своих способностей. Он теоретик, его работы привлекают четким и рациональным подходом к задаче, конкретными указаниями возможных экспериментальных следствий и практического использования.
Для применения в диапазоне сверхвысоких частот, пишет он, необходимы очень широкополосные усилители. Это, впрочем, было ясно всем имевшим дело с радиолокацией или радиоастрономией. Даже телевидение, особенно цветное, может быть передано только по широкополосным каналам связи.
Для создания широкополосного усилителя необходима квантовые системы, обладающие очень широкими спектральными линиями. Это значит, что пучки невзаимодействующих молекул или атомов здесь непригодны.
Опять, как видите, ничего абсолютного нет! Что годилось для одной цели, непригодно для другой. Но отказ от ранее найденного решения не есть шаг назад. Борьба за чистоту спектральной линии в генераторе перешла на этот раз в борьбу за ее уширение. А широкие спектральные линии возникают в результате сильного взаимодействия микрочастиц. Такие взаимодействия существуют в плотных средах – в жидкостях и твердых телах.
Блумберхен, перебрав различные возможности, предложил использовать для усиления радиоволн спектральные линии парамагнитных ионов, вводимых в качестве примесей в подходящие кристаллы.
Парамагнитные ионы, эти миниатюрные магнитики, входящие в состав многих твердых тел и жидкостей, давно были в поле зрения ученых. Но особенно широкое и успешное исследование таких ионов стало возможным после того, как удалось обнаружить явление электронного парамагнитного резонанса.
Электронный парамагнитный резонанс был открыт и изучен Евгением Константиновичем Завойским, ныне академиком, в его докторской диссертации, защищенной в 1944 году в Физическом институте АН СССР, который в это военное время работал в Казани. Хотя существование электронного парамагнитного резонанса еще в 1936 году было предсказано Гортером и Кронингом на основе теоретических соображений, обнаружить его было нелегко. Дело в том, что магнитные свойства парамагнитных ионов зависят не только от природы самого иона, но и от электрических полей, действующих внутри кристалла и внешнего магнитного поля, в котором находится кристалл. Поэтому один и тот же ион в разных условиях может обладать совершенно различными свойствами, и в довоенные годы их еще нельзя было заранее предсказать.
Хотя из теории ученые знали, что парамагнитные кристаллы должны обладать резонансным поглощением, то есть должны поглощать энергию электромагнитной волны подходящей частотой, это долго не удавалось наблюдать. Трудность заключалась не только в том, что это поглощение легче наблюдать на сверхвысоких частотах, но и в том, что линии парамагнитного резонанса очень широки (это и привлекло к ним впоследствии Блумберхена), так широки, что, перестраивая любые генераторы радиоволн от края до края шкалы, никому не удавалось даже заметить линию парамагнитного резонанса. Здесь-то и проявилось остроумие Завойского. Не то ценимое многими остроумие, вызывающее улыбку на лице собеседника, а столь редкое высшее проявление возможностей человеческого интеллекта, которое движет научный прогресс. Завойский рассуждал так. Частота парамагнитного резонанса зависит от величины магнитного поля. Мы хотим просмотреть очень широкую спектральную линию, а диапазон перестройки генераторов радиоволн слишком узок. Как поступить? Да так, как вы поступите перед осколком зеркала на стене вагона. Подвинуть его нельзя, так подвигайтесь сами, и вы увидите все, что вам нужно. Короче, если нельзя перестраивать генератор, нужно изменять магнитное поле. При этом спектральная линия будет смещаться, проходя перед генератором различными своими частями.
Одним словом, Завойский поместил исследуемый кристалл в поле генератора радиоволн и расположил свой прибор между полюсами большого электромагнита. Изменяя ток в его обмотках, Завойский обнаружил, что при вполне определенной величине тока поглощение радиоволн сильно увеличивается. Это был парамагнитный резонанс.
После открытия Завойского парамагнитный резонанс стал одним из наиболее удобных и точных методов изучения свойств твердых тел и жидкостей. Он наблюдается и в некоторых газах. При таких наблюдениях все и по сей день используют метод Завойского. Частота генератора, дающего радиоволны, необходимые для исследования, остается постоянной, а резонансная частота исследуемого вещества изменяется при помощи регулировки силы тока, питающей электромагнит.
Это отступление в область истории, несомненно, вызвало законный вопрос. Все известные до тех пор квантовые приборы работали на газах или на пучках частиц. Конечно, подобрать подходящие широкие спектральные линии было необходимо. Но этого далеко не достаточно. Как же Блумберхен предлагал приводить кристаллы в активное состояние? Ведь без этого усиление невозможно, а в твердом теле нельзя отделить частицы, находящиеся на верхних энергетических уровнях, от частиц на нижних уровнях! Действительно, никакой метод сортировки здесь неприменим.
Правда, при исследованиях парамагнитного резонанса ядер, а впоследствии и электронного парамагнитного резонанса ученые добивались на короткое время инвертирования, переворачивания населенности энергетических уровней. Первыми, как мы уже знаем, это сделали Пэрсел и Паунд. Они проявили удивительную сноровку, намагничивая кристалл фтористого лития в сильном магнитном поле, а потом быстро перенося его в магнитное поле противоположного направления. Так они перехитрили неповоротливые частицы – парамагнитные ядра фтора и лития, слабо связанные с внешними электронными оболочками, объединяющими атомы в кристалл. При перенесении кристалла в поле противоположного направления ядра не успевают быстро повернуться вслед за полем, и нижние энергетические уровни на некоторое время становятся верхними и наоборот. Значит, если вначале кристалл был в тепловом равновесии, то есть нижний уровень был заселен сильнее верхнего, то при переносе в поле противоположного направления более населенным окажется верхний уровень. И ионам ничего не оставалось, как для возвращения в равновесие высветить неожиданно оказавшийся у них избыток энергии!
Пэрсел и Паунд действительно получали при такой процедуре кратковременное индуцированное излучение, сопровождающее возвращение кристалла в равновесное состояние. Их знаменитый эксперимент, произведенный в 1951 году, теперь можно без преувеличения считать одним из предвестников квантовой электроники.
Впоследствии были разработаны и другие методы, позволяющие на время получить инверсию населенностей в парамагнитных кристаллах. Они могут быть применены при разработке усилителей, работающих в импульсном режиме. Но Блумберхена это не устраивало, он хотел, чтобы его усилитель, как и обычные усилители с электронными лампами, работал непрерывно и так долго, как это понадобится. Он хотел добиться создания устойчивого, постоянно действующего прибора, а не сенсационного успеха.
Глубокие раздумья и теоретические оценки показали ему, что, оставаясь в пределах двух энергетических уровней и не вводя движущихся частей, эту задачу решить невозможно. Но, к счастью, реальные квантовые системы имеют много различных энергетических уровней. Блумберхен решил привлечь на помощь третий уровень. Его идея теперь кажется очень простой. Выберем третий уровень, отстоящий от двух интересующих нас «рабочих» уровней много дальше, чем они отстоят друг от друга. Безразлично, будет ли он сверху или снизу от них. Представим себе, что третий расположен сверху, и для простоты будем считать, что других посторонних энергетических уровней нет.
Тогда в состоянии термодинамического равновесия большинство частиц будут находиться на двух нижних уровнях, причем на самом нижнем их будет немного больше, чем на втором, расположенном слегка выше. На третьем – самом верхнем – уровне, которому Блумберхен подготовил особую роль, будет меньше всего частиц. Идея Блумберхена состояла в том, чтобы при помощи сильного вспомогательного электромагнитного поля, частота которого соответствует резонансу между самым нижним и самым верхним уровнем, заставить частицы совершать переходы между этими уровнями, перепрыгивать с самого низа на самый верх до тех пор, пока населенность этих уровней не станет одинаковой. Расчет показал, что для этого с нижнего уровня на верхний должно быть переброшено так много частиц, что на нижнем уровне их окажется меньше, чем на втором, расположенном близко над ним уровне. Это и было целью Блумберхена. Он хотел добиться того, чтобы частиц на втором уровне стало больше, чем на нижнем. Таким образом между двумя нижними уровнями будет достигнута инверсия населенностей. В квантовых генераторах с пучками молекул аммиака или атомов водорода это достигается сортировкой этих пучков при помощи постоянного электрического или магнитного поля. В результате такого воздействия вспомогательной радиоволны вещество станет активным по отношению к переходам между нижними энергетическими уровнями. Оно сможет усиливать электромагнитные волны, частота которых настроена в резонанс по отношению к переходам между этими двумя уровнями.
В статье, в которой Блумберхен предложил создать квантовый парамагнитный усилитель и обосновал возможность получения инверсии при помощи вспомогательного электромагнитного поля и системы трех уровней, он называет в качестве своих идейных предшественников Паунда и Оверхаузера, применявших аналогичную методику для увеличения чувствительности радиоспектроскопов. Но Блумберхен, повидимому, не знал, что годом раньше, в 1954 году, вышла короткая заметка Басова и Прохорова, в которой они предложили применять метод вспомогательного электромагнитного излучения и трех уровней специально для получения активного вещества в квантовых генераторах и усилителях.
Блумберхен не ограничился простым предложением метода. Он провел дополнительные расчеты, которые показали, что этот метод в диапазоне сверхвысоких частот в обычных условиях практически неприменим. Дело в том, что энергетические уровни, переходы между которыми соответствуют квантам электромагнитного поля этого диапазона частот, расположены слишком близко между собой. Это значит, что населенности их различаются очень и очень слабо и получаемая здесь инверсия будет крайне малой, совершенно недостаточной для работы усилителя. Этот вывод мог бы обескуражить любого. Но Блумберхен был опытным физиком и сумел найти в своих формулах путь к достижению цели.
Формулы показывали, что для создания усилителя придется вести работу при сверхнизких температурах в непосредственной близости абсолютного нуля. Блумберхен говорит о температуре в 2 градуса выше абсолютного нуля, указывая, что при этой температуре жидкий гелий становится сверхтекучим и поэтому в нем не образуются пузырьки, которые могли бы помешать работе усилителя (вот до каких деталей продумана эта статья!). Охлаждать рабочее вещество нужно было и для того, чтобы спектральные линии в рекомендуемых Блумберхеном кристаллах не были чрезмерно широкими.
В заключение своей замечательной работы Блумберхен предсказывает, что усилитель, построенный в соответствии с его расчетами, будет чрезвычайно чувствительным. Из возможных применений нового усилителя Блумберхен указывает радиоастрономию, в частности, наблюдение излучения межзвездного водорода на волне 21 сантиметр.
Прошел всего год, и парамагнитный усилитель, предложенный Блумберхеном, был сделан Сковилом и его сотрудниками. Они применили кристалл этил-сульфата лантана, содержащий 0,5 процента гадолиния, принадлежащего к группе редкоземельных элементов. Этот кристалл помещался внутри специального резонатора, резонировавшего одновременно и на рабочую и на вспомогательную частоты. Это был новый триумф квантовой электроники.
Впрочем, это был не только первый, но и последний квантовый парамагнитный усилитель, построенный на этилсульфате лантана с гадолинием.
Блумберхен, по-видимому, избрал этилсульфат потому, что он уже был хорошо изучен. Но этилсульфат лантана с гадолинием оказался гигроскопичным, плохо выдерживал охлаждение. Он потребовал еще дополнительных усовершенствований и так и не нашел практического применения.
Эстафета снова перебросилась через океан. В Москве, отрывая время от усовершенствования молекулярного генератора, Прохоров и его аспирант А. А. Маненков усиленно изучали парамагнитный резонанс в рубине. Маненков прибыл в ФИАН из Казани, где сложилась большая группа физиков, активно, исследовавших теорию и экспериментальные особенности «Казанского эффекта», как некоторые в шутку называют парамагнитный резонанс, открытый в Казани Е. К. Завойским.
Рубин издревле славится как драгоценный камень. Физики уже знали, что он представляет собой разновидность корунда – бесцветной окиси алюминия, – окрашенного в красный цвет вследствие примеси небольшого количества ионов хрома.
Прохоров решил исследовать рубин потому, что он химически устойчив, по твердости уступает только алмазу и обладает большой теплопроводностью. Трудно поверить, но при температуре жидкого гелия он проводит тепло лучше, чем медь. А это очень важно при работе в условиях низких температур.
В 1955 году основные исследования рубина были опубликованы. Он оказался идеальным материалом для парамагнитных усилителей радиодиапазона. Это было то, чего не хватало ученым, заинтересовавшимся статьей Блумберхена.
В последующие годы одно за другим публикуются сообщения из различных лабораторий о создании и исследовании квантовых парамагнитных усилителей. Большинство из них работает на рубине. В некоторых лабораториях испытывают и другие кристаллы, но по различным причинам дальше опытов дело не идет. Одни кристаллы слишком хрупки, в другие невозможно ввести нужное количество парамагнитных ионов, третьи гигроскопичны.
МЕНЬШЕ ШУМА!
В следующую главу мы не можем войти без рубина. Это замечательный волшебный камень, в сердце которого, как оказалось, дремлет красное солнце. Но даже до того, как физики раскрыли его главный секрет, рубин высоко ценился в технике. Его значение и до создания квантовых парамагнитных усилителей выходило далеко за пределы интересов модниц и ювелиров.
Еще в середине прошлого века ученые разработали метод получения искусственных рубинов. Это позволило широко применить рубин в приборостроении. Каждый знает, что качество часов во многом зависит от того, сколько в них «камней». «Камнями» часовщики называют изготовленные из рубина миниатюрные подшипники, в которых вращаются оси часового механизма, и маленькие зубчики на качающейся вилке часового хода. В хороших современных часах иногда более двух десятков таких камней. Подшипники из рубина применяются и в различных электроизмерительных приборах, в компасах, сейсмографах и других точных приборах.
Сейчас приборостроительная промышленность ежегодно расходует тонны искусственных рубинов. Они изготавливаются весьма прозаично: на заводах в специальных печах Вернейля. В этих печах внутри керамического теплозащитного цилиндра бушует пламя кислородо-водородных горелок. Сверху в пламя непрерывно сыплется размолотая до состояния тончайшей пудры окись алюминия, в которую добавлено небольшое количество окиси хрома. Пылинки пудры плавятся на лету и в виде мельчайших капелек падают на затравку – маленький кристаллик рубина, расположенный в нижней части пламени на специальном держателе. В то время как на затравке оседает слой жидкой окиси алюминия, держатель, медленно вращаясь вокруг оси, постепенно опускается вниз.
Спускаясь в более холодную часть печи, окись алюминия затвердевает, сливаясь с кристаллом-затравкой в единое целое. Постепенно вырастает большой прозрачный камень, похожий на застывшую каплю замерзших красных чернил.
Цвет искусственного рубина можно регулировать так же плавно, как, скажем, накал электрической лампочки или тон краски на картине художника. Нужно лишь менять содержание хрома в рубине! Для ювелирных целей и для технических применений обычно в кристалл вводится несколько процентов хрома. Но исследования Прохорова и других физиков показали, что для квантовых усилителей это не подходит. Для них необходим бледнорозовый рубин, содержащий лишь сотые доли процента хрома.
Правда, в некоторых случаях берется немного более высокая концентрация. Американский ученый Т. Мейман обнаружил, что, доведя концентрацию хрома до десятых долей процента, при которой обычные квантовые усилители уже не работают, можно создать усилитель, действующий при температуре жидкого азота, то есть при 77 градусах выше абсолютного нуля. Эффект усиления был им получен даже при температуре сухого льда (твердой углекислоты), а это 195 градусов выше абсолютного нуля. К сожалению, эти весьма интересные опыты не нашли еще практического применения. Хотя работать с жидким азотом, а тем более с сухим льдом много удобнее и дешевле, чем с жидким гелием, усилители, способные действовать при этих температурах, недостаточно хороши и пока не могут конкурировать с другими типами малошумящих усилителей.
Новым приборам было нелегко пробивать себе дорогу в жизнь. Они встречали жестокую конкуренцию со стороны других усилителей и должны были доказать свое преимущество. А преимущество было действительно бесценное.
О внутренних шумах радиоприемников знает каждый внимательный радиослушатель, каждый наблюдательный телезритель. Даже в тихой лесной избушке, удаленной от городов с их заводами, троллейбусами, неоновыми рекламами и рентгеновскими трубками, создающими помехи радиоприему, даже при питании от батарей, даже зимой, когда от ближайших гроз нас отделяют тысячи километров, мы слышим слабый шум и видим на экране телевизоров легкую рябь. Особенно мешает это при приеме дальних радиостанций. Эти шумы и помехи возникают внутри радиоприемников, главным образом в электронных лампах.
В борьбе за чувствительность радиоприемников ученые достигли очень больших результатов. Они близко подошли к пределу – идеальному приемнику, не вносящему в передачу своих собственных шумов. Правда, идеал есть идеал, он, как горизонт, удаляется по мере того, как к нему приближаются. Идеального приемника нет и никогда не будет. Но приблизиться к идеалу не только мечта, но и практическая задача ученых и инженеров.
Лучшие электронные лампы и специальные полупроводниковые параметрические усилители, работающие в диапазоне сантиметровых волн, имеют очень малые шумы. Ученые оценивают их сотнями градусов. Не удивляйтесь, для расчетов оказывается более удобным оценивать шумы в градусах, а не в электрических или акустических единицах. В тех же градусах, которыми мы измеряем температуру. Так, идеальный приемник не шумел бы вовсе и его условная шумовая температура была бы равна нулю градусов. Отдельные образцы современных приемников имеют шумовую температуру вблизи ста градусов. Но и это слишком много для радиоастрономов, которым необходимо принимать очень слабые сигналы. Они бы просто утонули в собственных шумах приемной аппаратуры. Квантовые парамагнитные усилители смогли скачком улучшить чувствительность приемников. Они имеют шумовую температуру, измеряемую лишь десятками градусов, причем большая часть шумов возникает даже не в самом усилителе, а в антенне и волноводах, соединяющих антенну с усилителем. Почти что идеал! Не дотягивают буквально на десятку.
Только такое большое увеличение чувствительности смогло обеспечить квантовым парамагнитным усилителям путевку в жизнь, несмотря на то, что их применение много сложнее, чем работа с электронными лампами или полупроводниковыми усилителями.
Особенно усложняет дело необходимость применения жидкого гелия. Гелий ведь сравнительно редкий газ. Он образуется при радиоактивном распаде природных радиоактивных элементов, и так как гелий легче воздуха, то, попав в атмосферу, он быстро поднимается вверх и в приземном слое воздуха его так мало, что добывать гелий из воздуха все равно, что переливать из пустого в порожнее.
Сейчас основным источником гелия служат природные горючие газы, в которых содержится сравнительно большой процент гелия. Имеется гелий и в источниках радиоактивных вод, в нефти и некоторых минералах. Так что промышленная добыча гелия сейчас с избытком покрывает потребность. Но получить газообразный гелий еще далеко не все. Гелий имеет упрямый характер – он наиболее трудно конденсируемый из всех известных веществ. Долго считалось, что он ни при каких условиях не превращается в жидкость. Он покорился лишь в начале нашего века. Для его сжижения необходимы специальные машины. Хранить жидкий гелий можно только в сосудах, напоминающих большие термосы.
Но ученые вынуждены идти на преодоление всех этих трудностей, лишь бы получить сверхчувствительные малошумящие приемники сверхвысоких частот! Сейчас на повестке дня стоит внедрение специальных гелиевых холодильников. Эти холодильники основаны на тех же принципах, которые используются в большинстве бытовых и промышленных холодильников, только вместе применяемого в них фреона – синтезируемого химиками легко сжижающегося газа – в этих холодильниках циркулирует гелий. Небольшой компрессор сжимает гелий так же, как это происходит в обычных холодильниках. Расширяясь в специальных устройствах, сжатый газ сильно охлаждается и, охладившись, превращается в жидкость.
Малогабаритные гелиевые холодильники не только обеспечат широкое применение квантовых парамагнитных усилителей, но и найдут применение во многих других областях науки и техники.
Но квантовые парамагнитные усилители должны были конкурировать с другими усилителями не только по «малошумности», но и по ширине полосы частот усиливаемых сигналов Усилители резонаторного типа, созданные различными советскими и зарубежными исследователями, были сравнительно узкополосными. Впрочем, ученым, работающим в области квантовой электроники, было ясно, что применение резонаторов вовсе не обязательно. Достаточно создать среду с инверсной населенностью – активную среду, и электромагнитная волна при прохождении по такой среде будет не ослабевать, а нарастать. Она будет не поглощаться, а усиливаться.
Однако простые расчеты показали, что даже в лучших парамагнитных кристаллах такое усиление мало. Для заметного усиления волна должна пробегать по активному веществу многие десятки, а то и сотни метров. Создавать такие громоздкие системы, которые нужно к тому же охлаждать жидким гелием, казалось неразумным.
Резонатор решал эту задачу много проще. Ведь волна, сотни и тысячи раз пробегая между стенками резонатора и каждый раз взаимодействуя с активным парамагнитным кристаллом, получала необходимое усиление в малом объеме. Однако резонатор не обеспечивал необходимой широкополосности. Возникал своего рода порочный круг.
Выход из этого нашли Р. де Грасс, Е. Шульц-Дюбуа и известный уже нам Р. Сковил. Они поняли, что активное вещество могло бы усиливать электромагнитную волну значительно сильнее, если бы эта волна бежала в веществе гораздо медленнее, чем это происходит в обычных волноводах. Это была ключевая идея. Подобно Аладдиновой лампе, она открыла перед исследователями путь к цели.
Эта мысль кажется довольно подозрительной. Ведь все электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Но здесь отнюдь не возникало конфликта с законами природы. Скорость электромагнитных волн постоянна и неизменна только в пустом пространстве. Внутри вещества и вблизи его границы скорость электромагнитных волн зависит и от свойств вещества и от формы его поверхности и легко может быть изменена. Необходимые методы были уже разработаны при создании электронных ламп с поэтичным названием: ламп с бегущей волной. При этом уже были созданы различные системы, замедляющие электромагнитные волны. Для квантовых парамагнитных усилителей наиболее удобными из них оказались волноводы, вдоль одной из стенок которых торчали штыри или в середине которых помещалась проволочка, изогнутая в виде змейки. Эти простые приспособления не позволяли электромагнитной волне бежать прямо вдоль волновода. Волна вынуждена следовать вдоль изгибов змейки или обегать каждый штырь от подножия к вершине и обратно. В результате ее продвижение вдоль волновода сильно замедляется, чего и хотели достичь ученые. Они расположили вдоль волновода рядом с основанием штырей или рядом со змейкой кристаллы этилсульфата лантана с примесью гадолиния, улучшенные добавлением церия, и убедились в том, что усилитель работает. Но, несмотря на то, что усилитель охлаждался до температуры 1,6 градуса, то есть значительно ниже температуры жидкого гелия, он оказался пригодным только для лабораторных исследований. Слишком мало было даваемое им усиление.
Сковилу и его сотрудникам пришлось отказаться от облюбованного ими вещества и применить кристаллы рубина. Новый усилитель, работавший при температуре 1,5 градуса, показал себя вполне работоспособным. Даваемые им шумы оказались равными всего 12 градусам. Из них примерно 10 градусов относились за счет соединительных элементов, а сам усилитель давал всего около 2 градусов шума.
Создавая свой усилитель, Сковил и его сотрудники столкнулись с трудностью, часто досаждающей радиоинженерам и даже радиолюбителям.
Если в самом обычном усилителе усиленный выходной сигнал снова попадет на вход, возникнет обратная связь. Если эта связь достаточно велика, усилитель превратится в генератор. В нем самопроизвольно возникнут колебания, и он уже не сможет усиливать внешние сигналы.
Но активная среда, этот прекрасный усилитель, должна усиливать электромагнитную волну независимо от того, в каком направлении она бежит – слева направо или обратно. Это значит, что если даже малая часть волны отразится от конца усилителя и побежит к его началу, а затем, снова отразившись, пойдет по нему опять, то она раз от раза будет усиливаться, и если усиление достаточно велико, то усилитель превратится в генератор. Он, как говорят радисты, самовозбудится и будет генерировать радиоволны даже при отсутствии внешнего сигнала. При этом он уже не сможет работать как усилитель.
Сковил, конечно, знал об этом и принял необходимые меры. Он поместил в волновод своего усилителя кусочки феррита. Феррит – это особое магнитное вещество, которое в присутствии магнитного поля пропускает радиоволны, идущие в одну сторону, и поглощает их, если они бегут в обратном направлении. Так как парамагнитный усилитель и без того работал в магнитном поле, то феррит без дополнительных усложнений обеспечивал поглощение обратной волны и тем самым нормальную работу усилителя.
Советские ученые внесли большой вклад в разработку квантовых парамагнитных усилителей. Прохоров первым достиг коротковолнового края сантиметрового диапазона. С ним работал кандидат физико-математических наук Н. В. Карлов и другие фиановцы.
Карлов, который, несмотря на молодость, давно приобрел репутацию хорошего радиоастронома, а стал доктором, подобно Бонаноми, покинул звезды и планеты, чтобы обеспечить радиоастрономам помощь ее ровесницы квантовой электроники. Карлов – автор уникального усилителя, способного усилить почти неуловимое излучение атомов водорода из глубины вселенной. Приняв эту своеобразную радиопередачу, можно исследовать распределение водорода во вселенной и получить новые данные о ее структуре, которые другим способом получить невозможно.
Карлов – один из способнейших молодых физиков школы Прохорова. Кончил он тот же «физтех», что и Ораевский, делал диплом в ФИАНе и с тех пор работа в лаборатории Александра Михайловича. Кстати, работали они вместе с женой – она специалист по аппаратуре. Таким образом, их дуэт перекрывает весь диапазон встречающихся в работе проблем – от теории до практики.
Этим они напоминают мне молодую супружескую пару из лаборатории Басова – Тамару и Толю Никитиных. Они вместе сделали водородный мазер, а потом глава семьи первым защитил диссертацию. Тамара, у которой, кроме водородного генератора, еще маленькие сын и дочь, «защищали» во вторую очередь. И когда у них дома праздновалось это событие, большинство тостов было за совместное творчество, за семейственность.
