Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 23 (всего у книги 52 страниц)

РџРѕРїРѕРІ

В России использование радиоволн для связи было связано, независимо от Маркони, с профессором А. С. Поповым (18591906), который разработал один из первых приемников электромагнитных волн. Аугусто Риги писал: Новые характеристики аппаратуры Попова для регистрации волн заключаются в использовании молоточка и звонка, управляемого электрическим током, для восстановления первоначального сопротивления когерера, а также использование вертикального проводника, позднее названого антенной.

Александр РџРѕРїРѕРІ родился (1859) РІ рабочем поселке РЅР° Урале РІ семье священника, Рё предполагалось, что РѕРЅ пойдет РїРѕ стопам отца согласно семейной традиции. Вместо этого РѕРЅ поступил РЅР° физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета, РіРґРµ блестяще защитил диссертацию РїРѕ электрическим машинам. Р’ 1883 Рі. РѕРЅ был приглашен РІ Кронштадт для преподавания РІ Минных классах Р РѕСЃСЃРёР№СЃРєРѕРіРѕ Флота. Рти классы организованы РІ 1874 Рі. Рё были наиболее прогрессивным СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёРј институтом РІ области электротехники. РџРѕРїРѕРІ провел там 18 лет, удовлетворяя СЃРІРѕРё интересы РІ физической лаборатории Рё выполняя исследования РІ рамках РєСѓСЂСЃР° обучения. РћРЅ стал признанным авторитетом РІ области электричества, Рё Р РѕСЃСЃРёР№СЃРєРёР№ флот РјРЅРѕРіРѕ раз обращался Рє нему для решения практических проблем.

После его успехов РѕРЅ РІ 1901 Рі. был назначен профессором Рлектротехнического института РІ Санкт-Петербурге, Р° РІ 1905 Рі. был выбран его ректором. Р’ начале XX РІ. ухудшились отношения Р РѕСЃСЃРёРё СЃ Японией, Рё РІ 1904 Рі. разразилась Р СѓСЃСЃРєРѕ-японская РІРѕР№РЅР°. 1905 Рі. был РіРѕРґРѕРј бурных политических событий. Забастовки, стачки Рё собрания проходили РїРѕ всей стране. Р’ декабре Правительство постановило среди РґСЂСѓРіРёС… распоряжений запретить публичные собрания РІ помещениях института. РџРѕРїРѕРІ отказался исполнять этот приказ, направленный властями против студентов. Р’ результате сильных волнений РѕРЅ тяжело заболел Рё скоропостижно скончался РѕС‚ инсульта РІ январе 1906 Рі.

После публикаций Герца в 18881889 гг. Попов заинтересовался волнами Герца и, зная о когерере, в начале 1895 г выполнил серию исследований, надежность результатов которых обеспечивалась использованием маленького молоточка, который срабатывал, когда ток протекал через устройство, и маленьким ударом восстанавливал первоначальные условия (рис. 26).

Рис. 26. Система Попова для детектирования электрических колебаний. Рисунок показывает расположение частей и электрические соединения между ними. (�з работы А.С. Попова Аппаратура для обнаружения и регистрации электрических колебаний, Журнал Русского физико-химического общества, 1, 1-14(1896).)

Первая демонстрация этого приемника состоялась перед Физическим обществом Санкт-Петербурга 7 мая 1895 г. В то время Попов был преподавателем Минных классов, и его результаты не могли быть опубликованы по соображениям секретности.

Проводя свои эксперименты на открытом воздухе, Попов обнаружил, так же как Лодж и другие, что когерер реагирует на атмосферные электрические явления, и его чувствительность можно увеличить, если один из его концов соединить с вертикальной проволокой, связанной с воздушным шаром, или с громоотводом, а другой соединить с землей. Попов использовал это, чтобы построить специальный прибор (грозоотметчик) и установил его в Лесном институте Санкт-Петербурга, Он также публично продемонстрировал в 1896 г., эксперименты по связи, и установил свой грозоотметчик на знаменитой Нижегородской ярмарке. Там был в 1885 г. построен павильон достижений в области электричества и демонстрировалась электростанция с производимостью до 400 кВт. Грозоотметчик предупреждал о приближении грозы и позволял принять меры для защиты. Во время этой ярмарки Попов прочел об экспериментах Маркони и при поддержке Российского Флота возобновил свои эксперименты по связи. Однако его обязали опираться на зарубежных производителей, так как Россия не имела нужной промышленности. Парижский инженер и бизнесмен Евгений Дюкре (18441915), который первым во Франции построил устройства беспроволочного телеграфа, очень заинтересовался Поповым и в 1898 г. стал строить радиотелеграфные станции на основе его систем. Сотрудничество ДюкреПопов поддерживалось политическим сближением России с Францией, начавшимся в конце XIX в. В период 18991904 гг. Компания Дюкре получила несколько заказов от Российского Флота. Однако эта компания была слишком мала и слаба, и Русский Флот во время русско-японской войны использовал системы связи, сделанные в Германии фирмой Телефункен.

Микроволны

Как уже говорилось, потребовалось время, чтобы использовать короткие волны, хотя именно они и получались в первых экспериментах. Для того, чтобы получать микроволны, необходимо было уменьшать размеры ламп, которые тогда использовались в схемах генерации, а также размеры самих схем. Вскоре обозначилась проблема, вызванная временем, требуемым электронам для пролета от сетки к аноду лампы.

Напоминаем, что РІ вакуумной лампе, такой, какая использовалась РІ то время, электроны испускаются нитью, нагреваемой током, помещенной РІ эвакуированную стеклянную колбу, Рё окруженную металлической сеткой. Рти электроны собираются электродом, называемым анодом, РїСЂРѕРёР·РІРѕРґСЏ тем самым ток. Величину этого тока можно контролировать путем электрического потенциала РЅР° сетке. Очевидно, что, двигаясь РѕС‚ нити Рє аноду Рё РїСЂРѕС…РѕРґСЏ через сетку (РІСЃРµ эти элементы обозначаются как электроды лампы), электронам требуется время, Рё если РІ течение этого времени электрический потенциал РЅР° сетке заметно изменится, то это исказит сигнал, снимаемый СЃ анода.

Чтобы уменьшить это время пролета, старались делать лампы меньшего размера, более компактными, уменьшая расстояния между нитью, сеткой Рё анодом РґРѕ РјРёРЅРёРјСѓРјР°. Рта проблема очень хорошо была описана РІ работе Р�СЂРІРёРЅРіР° Ленгмюра Рё Карла Комптона (1931 Рі., РЎРЁРђ). Р’ ней РѕРЅРё указали, как можно продвинуться РІ область высоких частот, просто уменьшая размеры Рё расстояния между электродами.

Уже РІ 1933 Рі. РІ РЎРЁРђ фирма RCA выпустила лампу акрон, a Western Electric знаменитую РєРЅРѕРїРєСѓ Р·РІРѕРЅРєР°. Рти миниатюрные лампы позволяли генерировать частоты РґРѕ 1500 МГц (длина волны около 20 СЃРј). Однако мощность была очень мала.

Магнетрон

На сцене появилось новое устройство, магнетрон, которое стало в середине 1920-х гг. преимущественным генератором. Было показано, что с помощью магнетрона можно получать очень высокие частоты.

В магнетроне используется комбинация электрического и магнитного полей. В первой реализации прямая нить накала (катод) окружалась цилиндрическим анодом. Внешнее магнитное поле было направлено так, чтобы заставить электроны, летящие к аноду, двигаться по спирали между двумя электродами.

Рто устройство было изобретено Альбертом Р’. Халлом (18801966), который родился РЅР° ферме РІ штате Коннектикут Рё после получения степени РІ Йельском университете РІ 1913 Рі. стал работать РІ исследовательской лаборатории Дженерал Рлектрик (GE). Р’ 1914 Рі. РѕРЅ изобрел динатрон, первый РІ длинном СЂСЏРґСѓ радиоламп впервые созданных РёРј. РћРЅ также РїСЂРѕРІРѕРґРёР» исследования РїРѕ проблемам кристаллографии Рё использовал рентгеновские лучи.

Р’ течение 1916 Рі. Халл начал эксперименты РїРѕ контролю потока электронов РІ лампах СЃ помощью магнитного поля как альтернативный СЃРїРѕСЃРѕР± вместо сетки, который использовался РІ то время. Контроль СЃ помощью сетки РІ то время был объектом СЃРїРѕСЂР° между Дженерал Рлектрик Рё Американской Телефонной Рё Телеграфной Компании, касающимся оплаты автору изобретения Ли РґРµ Форесту.

Р’ 1920-С… РіРі. Халл Рё его сотрудники РІ Дженерал Рлектрик продемонстрировали, что устройство, первоначально имевшее несколько названий, РЅРѕ, РІ конце концов, стало называться магнетроном, может быть использовано РЅР° РЅРёР·РєРёС… частотах РІ качестве усилителя или генератора РІ радиосистемах, Р° также РІ качестве электронного ключа РІ преобразователях мощности. Летом 1921 Рі. права РЅР° изготовление ламп, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, сделали магнетрон РЅРµ очень важным для радиотехники. Р’ Дженерал Рлектрик продолжались работы СЃ магнетроном, РЅРѕ для высоких мощностей. Р’ 1925 Рі. Халл изготовил магнетрон высокой мощности для получения волн СЃ длиной 15 РєРј Рё мощностью 15 РєР’С‚.

Важное открытие, что магнетрон может генерировать колебания СЃ очень высокой частотой, было независимо сделано РІ Германии Рё РІ РЇРїРѕРЅРёРё РІ середине 1920-С… РіРі., РЅРѕ РѕРЅРѕ оставалось неизвестным РІ Америке вплоть РґРѕ 1928 Рі. Чешский физик РђРІРіСѓСЃС‚ Цачек опубликовал РІ 1924 Рі. РЅР° чешском языке результаты экспериментов, РІ которых РѕРЅ сумел генерировать волны длиной 29 СЃРј. Однако эти результаты получили распространение только, РєРѕРіРґР° его работа была описана РІ немецком специализированном журнале РІ 1928 Рі. Р’ 1924 Рі. аналогичные результаты были получены РСЂРёРєРѕРј Хабаном РІ университете Рі. Йена.

В Японии электрофизик Хидетсугу Яги (1886 1976) и его студент Кинийро Окабе (18961984) внесли важный вклад в разработку магнетрона высоких частот. Яги родился в Осаке и получил степень по техническим наукам в Токийском университете в 1909 г. Перед Первой мировой войной он учился в Англии вместе с Джоном Флемингом, изобретатель лампового диода для детектирования радиоволн. Яги заинтересовался возможностью связи на коротких волнах, когда провел некоторое время в Дрездене (Германия) с Генрихом Георгом Баркгаузеном (1881 1856), изобретатель особой ламповой схемы для генерации высоких частот. С началом войны Яги возвратился в Японию для преподавания в Тохоку �мперском университете, где он в 1919 г. получил докторскую степень. В начале 1920-х гг. он узнал о магнетроне Халла от японского морского офицера, который возвратился после посещения США.

Окабе, который стал первоклассным специалистом РїРѕ магнетронам, окончил университет РўРѕС…РѕРєСѓ РІ 1922 Рі., Р° РІ 1928 Рі. защитил РїРѕРґ руководством РЇРіРё диссертацию. Р’ 1927 Рі. Окабе сообщил, что ему удалось получить генерацию СЃ длиной волны около 60 СЃРј, используя магнетрон. РћРЅ исследовал множество электродов разной геометрии, Рё обнаружил, что если разрезать цилиндрический анод РЅР° РґРІР° полуцилиндра (конфигурация известная как разрезной анод), то можно получить большую мощность. Р’ 1928 Рі. РЇРіРё посетил РЎРЁРђ, чтобы обсудить эксперименты Окабе, который Рє тому времени уже генерировал волны РІ 12 СЃРј. РЇРіРё также описал разработанную РёРј направленную антенну сверхвысоких частот, которая состояла РёР· активного элемента Рё нескольких отражающих Рё пассивных элементов. Рта антенна нашла широчайшее применение РІ телевизионной технике.

После того как в 1931 г. англо-французская группа установила связь через Ла-Манш, используя волны 18 см, во всем мире возник огромный интерес к коммуникациям на микроволнах (релейные радиолинии). Один журнал опубликовал редакционную статью, в которой утверждалось, что эта система открыла нетронутую землю, что обеспечивает диапазон частот для тысяч радиоканалов. Редактор писал, что эксперимент через Ла-Манш означает новую эпоху в области электрических коммуникаций, он настолько революционен, что требует нового имени. Он отмечал также, что аппаратура настолько компактна, что подобные системы можно устанавливать на кораблях и самолетах.

Также хорошо известный специалистам американский периодический журнал Electronics объявил, что потрясающая линия между Дувром и Кале показала, что ультракороткие волны, рассматриваемые как мало полезные, вдруг приобрели огромную важность.

Магнетрон начал свое триумфальное шествие: число научных публикаций об этом устройстве стремительно росло до 1933 г. и оставалось на высоком уровне вплоть до 1940 г., когда в связи с разразившейся войной публикации прекратились по соображениям секретности. Важные исследования, приведшие к существенным улучшениям, были сделаны в 1930-х гг. во Франции, Англии и Германии.