Текст книги "История лазера"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 31 страниц)

Клистрон

В 1930-х гг. магнетрон был единственным хорошим генератором, пригодным для работы на очень высоких частотах. Ч.Э. Клитон (г. р. 1907) и Н.Г. Вильяме (1870—1956) из Мичиганского университета, выполнили первые спектроскопические измерения на микроволновых частотах. Они использовали магнетрон для исследования спектра поглощения аммиака. В исследованиях с целью определить практический предел длин волн, которые можно генерировать с помощью магнетрона, было показано в 1936 г., что можно получить колебания с длиной волны 6,4 мм. Однако эффективность магнетрона была не очень высокой. Поэтому новое устройство, названное «клистрон», было разработано в Стэнфорде, в Калифорнии Расселом Варианом (1898-1959), Сигердом Варианом (1901 —1961) и др.

Клистрон работает на совершенно другом принципе по сравнению с системами, использовавшимися до него для генерации высоких частот. В нем электроны сбиваются в сгустки, которые снабжают энергией объемный резонатор.

Объемный резонатор состоит из полости проводящего материала, в которой образуются стоячие электромагнитные волны. Чтобы эта полость стала резонатором, нужно, чтобы ее размеры соответствовали длине волны. Для полостей простой формы, например куб, это соотношение гласит (как мы уже видели), что сторона полости должна быть кратной целому числу полуволн. Уменьшение длины волны сказывалось на микроволновой технике. Было установлено, что для передачи микроволн с одного места в цепи до другого нужно направлять их в подходящие металлические структуры. Волноводы, как их стали называть, представляют металлические трубы круглого или прямоугольного сечения, и волна распространяется в них за счет отражений от стенок. Эти волноводы могут быть и антеннами, если они имеют открытый конец.

Радар

Микроволновые устройства и технологии получили мощный импульс развития между 1930 и 1945 гг. из-за необходимости получения ультракоротких волн, нужных для разработок и создания радаров (аббревиатура, введенная американцами: radio detection and ranging).

Принцип работы радара очень прост: импульс радиоволн посылается на цель, частично отражается обратно к приемнику, где и регистрируется. Посылаемый и отраженный импульсы визуализируются на осциллоскопе, и, измеряя временной интервал между моментами, когда импульс был послан и когда пришел обратно, можно определить расстояние до цели.

Еще Герц и другие наблюдали, что радиоволны могут отражаться металлическими предметами. В 1904 г. немецкий инженер Хулсмейер получил патент на использование этого свойства для обнаружения препятствий при плавании кораблей. Он построил устройство, с которым получил хорошие результаты в Роттердамском порту. Но никто не заинтересовался разработкой этой системы, которая была слишком передовой для того времени.

Результаты первых экспериментов по ионосферному радиозондированию атмосферы, которые провел Эплтон (1925 г.) с целью доказать существование ионизованных слоев в атмосфере, способных отражать микроволны, оживил идею использовать методы, основанные на отражении радиоволн, для локализации объектов, расположенных на больших расстояниях. Принцип использования импульсов излучения, что является характерной особенностью современного радара, впервые был реализован в 1925 г. Д. Брейтом (1899—1981) и М.А. Тьювом (1901-1982) из Вашингтонского Института Карнеги для измерения высоты ионосферы. Итак, ряд экспериментов по применению принципа локализации земных объектов и определения расстояний до них начался в Европе и США. При проведении исследований, связанных с использованием микроволн для связи, было найдено, что можно обнаружить присутствие судов и самолетов путем регистрации энергии, которую они отражают.

В США, в Исследовательской лаборатории Военно-морского флота (NRL), уже с 1920-х гг. была известна возможность обнаружения движущихся объектов путем отражения электромагнитных волн. В. Делмар Гершбергер и его сотрудники использовали для этой цели магнетроны, изготовленные фирмами «Вестингауз» и RCA, для проведения экспериментов на сантиметровых волнах. Были получены успешные результаты. Однако в то время было мало квалифицированных специалистов, чтобы довести устройства до практического использования.

Разработки радаров в Великобритании

В Великобритании, в 1934 г., желание защитить страну от воздушного нападения привело Г. Э. Вимперса, директора исследований при Министерстве авиации к обращению за советом к А. В. Хиллу (1886—1977), видному физиологу из Кембриджа, который получил в 1922 г. Нобелевскую премию по физиологии, и который был офицером артиллерии в Первой мировой войне. Конкретно, задавался вопрос о возможности уничтожения вражеских самолетов. Результатом обсуждений было обращение Вимперса 12 ноября 1934 г. к Государственному секретарю по военно-воздушным силам с просьбой организовать комитет для рассмотрения того, насколько последние успехи в науке и технике могут быть использованы для усиления противовоздушной обороны» Вимперс предложил, чтобы председателем этого комитета был профессор Г. Т. Тизард (1885—1959), декан химического факультета Империал Колледжа. А членами предлагалось назначить Хилла и профессора П. М. С, Блэккета (1897—1974), который характеризовался «как морской офицер в войне (1914-18), который с тех пор проявил себя своей работой в Кембридже, как один из лучших молодых научных лидеров». Эта характеристика была вполне оправдана, так как в 1948 г. Блэккет получил Нобелевскую премию по физике «за развитие метода камеры Вильсона и открытие с ее помощью в области ядерной физики и космических лучей». Комитет был немедленно создан и 28 января 1935 г. состоялось первое заседание. Вимперс обратился с запросом к Суперинтенданту радиоисследовательского отдела Национальной Физической лаборатории Роберту Ватсон-Ватту (1892—1973), нельзя ли выводить из строя вражеские самолеты или их экипажи с помощью интенсивных пучков радиоволн. Ватсон-Ватт немедленно ответил, что произвести такие «лучи смерти» нереально, но вместо этого возможно обнаруживать вражеские самолеты. Он представил расчеты, показывающие, что энергию, отражаемую самолетом, облучаемого мощным пучком радиоволн, можно использовать для этой цели. Немедленно была проведена работа по демонстрации, которая дала прекрасные результаты 26 февраля 1935 г. Она была настолько успешной, что было начато сооружение системы радиолокационных станций. Было продемонстрировано обнаружение корабля на расстояние около 30 км и возможность обнаружения самолета на расстояние 160 км. Роберт Ватсон-Ватт написал фундаментальное уравнение радара, которое показывает, что максимальное расстояние, на котором можно обнаружить самолет, пропорционально линейным размерам антенны и только лишь корню четвертой степени из мощности. Это означает, что для увеличения дальнодействия радара в 2 раза нужно увеличивать мощность в 16 раз.

Расстояние также увеличивается при уменьшении длины волны, но это не представляло интереса для Ватсона-Ватта. В то время не было генераторов высокой мощности, работающих на длине волны меньшей чем 10 м. Поэтому была выбрана длина волны 50 м, руководствуясь тем соображением, что радиоволны будут хорошо отражаться от бомбардировщика, когда размах его крыльев будет приблизительно равен половине длины волны. Но вскоре было установлено, что радиолокационные станции создают взаимные интерференционные помехи, и длина волны была уменьшена до 26 м, а затем и до 13 м.

К сентябрю 1938 г. побережье в районе устья Темзы было покрыто сетью радаров, и радары были также установлены на главных британских линкорах. Благодаря этому Великобритания смогла противостоять врагу и получить преимущества в битве с немецкими военно-воздушными силами во Второй мировой войне (август 1940 г.), а установка радаров на кораблях позволила британскому флоту добиться впечатляющих успехов (сражение у мыса Матапан, март 1941 г.).

В марте 1935 г. корабли британского флота могли обнаруживать самолеты лишь с помощью биноклей с увеличением 7х. А вскоре после Мюнхенского кризиса (1938 г.) они могли обнаружить самолет на расстоянии до 100 км благодаря радару.

Разработки радаров для флота продолжались в течение всей войны, иногда сопровождаясь некоторыми странностями. Один эпизод может показать нам, как в то время плохо понималось использование радиоволн, а некоторые эффекты казались таинственными. В 1943 г. немцы стали атаковать английские военные корабли летающими бомбами, управляемыми по радио. Это вызывало страх среди команды. Однажды флотские специалисты, случайно, во время одной из таких атак в Бискайском заливе включили электрические бритвы и к своему, а также и всей команды, изумлению, увидели, что бомба стала поворачиваться в небе, а затем направилась в сторону самолета, который запустил ее. Немедленно Адмиралтейство разослало приказ включать все имеющиеся на корабле электрические бритвы и размахивать ими против летающих снарядов. Эффективность этой меры не зарегистрирована в официальных бумагах, но она, определенно, повышала моральный дух команды.

После разработки цепи радаров, защищающих Темзу, Ватсон-Ватт и его сотрудники обратили свое внимание на радар для установки его на самолете. Радары второго поколения с длиной волны 1,5 м имели размеры, позволяющие установить их на самолетах, предназначенных для обнаружения подводных лодок, всплывающих ночью. Каждый согласится, что длина волны 10 см еще лучше, и поэтому старались освоить этот диапазон длин волн. Одна из причин улучшения – резкое уменьшение размеров аппаратуры и повышение эффективности определения целей. 12 августа 1940 г. впервые был испытан радар для самолета, работающий на длине волны 10 см.

Резонаторный магнетрон

В первые месяцы войны был сформирован Британский комитет по координации разработок радиоламп. Он заключил ряд научно-исследовательских и промышленных контрактов на разработку радиоламп для передатчиков и приемников с длиной волны 10 см. Один из контрактов был заключен с группой профессора М. Олифанта (1901—2000) из Бирмингемского университета, который в 1937 г. перешел из Кавендишской лаборатории для организации в Бирмингеме лаборатории ядерной физики. Эта группа первоначально интересовалась разработкой генератора на основе клистрона, с которым Олифант ознакомился во время своей поездке в США в 1938 г. В результате, к концу 1939 г., его группа создала клистрон, который генерировал около 400 Вт непрерывной мощности на длине волны 10 см, а несколькими месяцами позже был создан и импульсный вариант, пригодный для радара.

Однако это устройство оказалось слишком громоздким для установки на самолет, и хотя клистроны меньшего размера использовались в самолетных радарах, продолжались поиски альтернативного варианта. В группе также работали и другие специалисты, включая Дж. Рэндала (1905—1984). Он получил докторскую степень в Манчестерском университете, выполняя исследования по рассеянию рентгеновских лучей, и провел год в лаборатории Британской Компании Дженерал Электрик, где приобрел опыт в области устройств высокого вакуума. Г. Бут (1917—1983) получил высшее образование в области физики в 1938 г. и в 1941 г. стал доктором в Бирмингеме. Олифант попросил их исследовать схемы, которые требовались для мощного генератора. Поэтому в 1940 г. они начали исследование с целью улучшить магнетрон, на основе идеи использовать цилиндрический резонатор, выполняющий двойную функцию: определять частоту и служить анодом магнетрона. Они испробовали новое устройство, которое было названо «резонаторным магнетроном», 21 февраля 1940 г. и получили около 400 Вт на 9,8 см.

Немедленно это устройство было внедрено Компанией Дженерал Электрик в улучшенной модификации с увеличенной до 10 кВт мощностью. И в мае уже работал радар, использующий этот новый магнетрон. Он способен был обнаружить перископ подводной лодки на расстоянии 10 км.

Осенью 1940 г. британская научная и техническая миссия, возглавляемая сэром Генри Тизардом, привезла этот резонаторный магнетрон в США.

После триумфа по обороне Темзы ожидалось, что Тизард будет назначен Главным Научным Военным Консультантом. Так и было некоторое время, но когда Уинстон Черчилль стал премьер-министром, он выбрал на эту должность другого специалиста. Тизард стал менее влиятельным, но был назначен главой деликатной миссии в США. Эта миссия должна была убедить США, в то время нейтральных, разрабатывать и производить технику, нужную для войны. Англичане сначала не решались разглашать перед американцами устройство магнетрона, опасаясь, что это попадет в руки немецкой разведки, но последующее полностью оправдало усилия миссии Тизарда. Впервые резонаторный магнетрон был 6 октября 1940 г. продемонстрирован американцам в Bell Telephone Laboratories, Раскрытие этого устройства привело к созданию Лаборатории излучений в Массачусетском технологическом институте, знаменитом MIT в Бостоне. Была сколочена элитная группа ученых и инженеров, набранных из университетов и промышленности. В результате, в годы войны было создано множество магнетронов и более 100 радарных систем, которые обеспечили союзникам техническое преимущество. Более двух миллиардов долларов было вложено в эти разработки в течение войны, и это дало импульс развития микроволновой технологии и в послевоенный период.

По предложению Тизарда многие из приглашенных специалистов были ядерными физиками, потому что, как сказали британские визитеры на основе своего опыта, они более легко адаптируются в новые исследования, чем радиоинженеры. Ли Ду Бридж (1904—1996) из Рочестерского университета был назначен главой новой лаборатории. Среди других в ней были И. Раби, Кен Бэйнбридж (1904—1996), Норман Рамси, Эд Парсел, Эрни Полард и Луис Альварец, многие из которых еще сыграют роль в нашей истории.

Радар в других странах

Во время войны радар также разрабатывался в Германии для противовоздушной обороны и в Италии для целей навигации. Немцы уже начали исследования по магнетронам и микроволновым системам в 1930-х гг. Фирма Телефункен в Берлине экспериментировала с системой овладения «таинственными лучами» для обнаружения самолетов, которая была в 1935 г. описана в статье американского журнала Electronics. Эта фирма разработала Wirzburg, систему противовоздушного радара, используемого Люфтваффе в течение всей войны.

Однако оказалось, что предложение оборудовать истребители радаром встречает сопротивление Геринга, который утверждал, что немецкие пилоты настолько умелые, что им не нужны «кинематографические инструменты».

Первый работающий радар был построен в 1935 г. и был продемонстрирован Гитлеру, Герингу и сопровождающим их лицам. Соперничество между немецкими министерствами, недостаточное привлечение университетов и стремление к секретности были причиной неполного использования радара в Германии.

В Италии в 1924 г, профессор Н. Каррара (1900—1993) был назначен заведующим кафедрой физики в Военно-морской академии. Здесь проводились исследования по генерации и приему сантиметровых волн. Вначале 1930-х гг. разные авторы писали о возможности использовать микроволны, чтобы получать эхо от неподвижных или движущихся объектов, и в 1933 г. Маркони выполнил успешный эксперимент, используя моторный экипаж, движущийся рядом с микроволновым пучком. Новость была подхвачена СМИ, которые заговорили о «лучах смерти», с помощью которых Маркони выключал двигатели автомобилей и самолетов.

В 1935 г. профессор Тиберио (1904—1980), офицер флота, представил комиссии Министерства лекцию, в которой продемонстрировал возможность использовать микроволн для ночного обнаружения (так тогда писали), и на следующий год Флот начал секретные исследования. Тиберио проводил эти исследования с целью разработки радиодальномера. С 1936 по 1941 г. несколько прототипов было реализовано, а в 1942 г. были созданы 50 систем для Флота и для обнаружения самолетов. Одной из этих систем было обнаружено соединение американских самолетов, которые в мае 1943 г. провели сильную бомбардировку Ливорно. На стадии изготовления аппаратуры возникли значительные трудности, поскольку нельзя было получать нужные материалы из США, а Германия требовала невыполнимых условий. Были попытки организовать нужное производство в Италии, но они оказались неудачными. Хорошо известным результатом было сражение у мыса Матапан, в котором итальянские корабли были лишены радаров.

В Японии, несмотря на интенсивные исследования в области магнетронов и микроволн, разработка радаров тормозилась из-за разногласий между Армией и Флотом и отсутствием централизованных усилий, подобных тем, что были в США.

В Советском Союзе были активные исследования в области магнетронов, но, по-видимому, решающий шаг в сторону использования импульсов, а не непрерывного режима, не был сделан.

В течение войны лучшие английские и американские ученые были вовлечены в исследования по микроволнам и радарам, и в конце войны микроволновые системы легко перешли в исследовательские институты с целью продолжения фундаментальных исследований в этой области. Поэтому в конце войны эти исследования естественным образом оказались связанными с микроволнами.

Взаимодействие микроволн с веществом может привести к переходам между энергетическими уровнями молекул, лежащими близко друг от друга. Малая энергия соответствует энергии микроволновых фотонов. Также микроволны могут взаимодействовать с магнитным моментом электрона (спин) или атомных ядер. В этих случаях магнитное поле волн воздействует на магнитный момент частицы (электрона или ядра) и ориентируют его путем соответствующего изменения энергии. Эти явления взаимодействий между микроволнами и веществом составляют предмет радиоспектроскопии. Радиоспектроскопия естественным образом возникла из разработок радаров и генераторов микроволн во время Второй мировой войны. После войны эти генераторы стали использовать в спектроскопических исследованиях, которые позволяли выявить малые детали молекулярных структур и атомных ядер. Единственным измерением, выполненным до войны с помощью микроволн, было измерение частоты инвертированного перехода в молекуле аммиака, лежащей в сантиметровом диапазоне. Как мы уже говорили, это измерение было выполнено Клитоном и Вильямсом в 1934 г.

Из-за научного интереса эти работы быстро перешли из промышленных лабораторий, где проводились исследования, в университеты, где добывалась информация, относящаяся к фундаментальным проблемам физики и химии. Для этих исследований частотная чистота или когерентность излучения была очень важным свойством. Было необходимым иметь источники, которые испускают одиночную частоту, или, если это невозможно, то, по крайней мере, иметь частоты в очень ограниченном диапазоне, которые не подвержены сильным флуктуациям.

Для лучшего понимания взаимодействий микроволн с веществом нам следует обратиться к дальнейшему развитию спектроскопии.

ГЛАВА 8
СПЕКТРОСКОПИЯ: АКТ II

После основополагающей работы Бора в 1913 г. атомы и молекулы были в центре внимания физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. В то же время возросли знания об атомных ядрах благодаря изучению радиоактивности и ядерных реакций, осуществляемых бомбардировкой ядрами водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы) более тяжелых ядер.

Если до Бора спектроскопия была, по существу, эмпирической наукой, которая мало продвигалась от составления каталогов длин волн, то новая теория атома стала руководящим принципом интерпретации экспериментальных результатов и, как часто случается, сочетание теории и эксперимента привело к объяснению самых различных наблюдаемых явлений.

Первое доказательство существования дискретных энергетических состояний атомов

Центр тяжести исследований теперь переместился в Германию. Один из наиболее значительных результатов был получен Джеймсом Франком (1882-1964) и Густавом Герцем (1887-1975) в 1913-1914 гг., как раз накануне войны.

Франк был сыном гамбургского банкира. Он получил образование в Гейдельберге и в Берлине и стал заведующим кафедрой экспериментальной физики в Геттингене, которую он оставил в 1933 г. после прихода Гитлера к власти и эмигрировал в США, где стал работать в Чикагском университете. Во время Второй мировой войны принимал участие в атомном проекте, выступая позднее против военного применения.

Густав Герц, также из Гамбурга, был племянником Генриха Герца. Он был тяжело ранен во время войны, и когда возвратился в 1917 г. в Берлин, единственной возможностью для него было бесплатное чтение лекций в университете. В начале 1920-х гг. он поступил во вновь созданную исследовательскую лабораторию Компании Филипс в Голландии. Это была одна из первых промышленных лабораторий, проводивших фундаментальные исследования. В 1925 г. ему было предложено партнерство с университетом г. Галле, а затем стал профессором экспериментальной физики в Берлине с 1928 по 1935 г. Будучи евреем, но был вынужден уйти из университета. С 1928 по 1945 г. он работал в компании Сименс, пережил войну и был интернирован русскими. В 1955 г. он стал директором Института Физики в Лейпциге в ГДР.

Эти два физика задумали остроумный эксперимент, в котором, по их замыслу, можно было определить энергию ионизации атома, т.е. величину той энергии, которую нужно сообщить атому, чтобы освободить его внешние электроны. Сущность эксперимента заключалась в том, чтобы возбуждать атомы ударами электронов, а затем, измеряя энергию, которую электроны теряют при столкновениях, вычислять измененную энергию. Они обнаружили, что получаются последовательные изменения энергии, как показано на рис. 27, где минимумы тока, зарегистрированные при увеличении энергии электрона, соответствуют энергии, которая передается от электронов атомам. Бор дал правильную интерпретацию этим значениям. Они определяют «энергии ионизации», которые в его интерпретации соответствуют энергиям разных возможных орбит электронов в атоме. Таким образом, энергия атома не изменяется электроном, чья энергия недостаточна, чтобы «ионизовать» его, и орбиты электронов в атоме могут иметь вполне определенные значения энергии. Эксперименты Франка и Герца и их интерпретация Бором убедительно продемонстрировали не только существование стационарных состояний, которые постулировались Бором, но также возможность возбуждать их ударами электронов, причем скачки между ними подчиняются фундаментальным законам, выдвинутым Бором.

За эту работу Франк и Герц получили Нобелевскую премию по физике в 1925 г.

Рис. 27. Результат эксперимента Франка и Герца с парами ртути. На графике показана зависимость тока от приложенного напряжения. Из значений напряжений, при которых ток имеет минимумы, можно определить энергии возбуждения электронов в атоме