Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 24 (всего у книги 52 страниц)

Клистрон

Р’ 1930-С… РіРі. магнетрон был единственным хорошим генератором, пригодным для работы РЅР° очень высоких частотах. Р§.Р. Клитон (Рі. СЂ. 1907) Рё Рќ.Р“. Вильяме (18701956) РёР· Мичиганского университета, выполнили первые спектроскопические измерения РЅР° микроволновых частотах. РћРЅРё использовали магнетрон для исследования спектра поглощения аммиака. Р’ исследованиях СЃ целью определить практический предел длин волн, которые можно генерировать СЃ помощью магнетрона, было показано РІ 1936 Рі., что можно получить колебания СЃ длиной волны 6,4 РјРј. Однако эффективность магнетрона была РЅРµ очень высокой. Поэтому РЅРѕРІРѕРµ устройство, названное клистрон, было разработано РІ Стэнфорде, РІ Калифорнии Расселом Варианом (1898-1959), Сигердом Варианом (1901 1961) Рё РґСЂ.

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 РёР· полости проводящего материала, РІ которой образуются стоячие электромагнитные волны. Чтобы эта полость стала резонатором, нужно, чтобы ее размеры соответствовали длине волны. Для полостей простой формы, например РєСѓР±, это соотношение гласит (как РјС‹ уже видели), что сторона полости должна быть кратной целому числу полуволн. Уменьшение длины волны сказывалось РЅР° микроволновой технике. Было установлено, что для передачи микроволн СЃ РѕРґРЅРѕРіРѕ места РІ цепи РґРѕ РґСЂСѓРіРѕРіРѕ нужно направлять РёС… РІ подходящие металлические структуры. Волноводы, как РёС… стали называть, представляют металлические трубы круглого или прямоугольного сечения, Рё волна распространяется РІ РЅРёС… Р·Р° счет отражений РѕС‚ стенок. Рти волноводы РјРѕРіСѓС‚ быть Рё антеннами, если РѕРЅРё 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 РїРѕ ионосферному радиозондированию атмосферы, которые провел Рплтон (1925 Рі.) СЃ целью доказать существование ионизованных слоев РІ атмосфере, способных отражать микроволны, оживил идею использовать методы, основанные РЅР° отражении радиоволн, для локализации объектов, расположенных РЅР° больших расстояниях. Принцип использования импульсов излучения, что является характерной особенностью современного радара, впервые был реализован РІ 1925 Рі. Р”. Брейтом (18991981) Рё Рњ.Рђ. РўСЊСЋРІРѕРј (1901-1982) РёР· Вашингтонского Р�нститута Карнеги для измерения высоты ионосферы. Р�так, СЂСЏРґ экспериментов РїРѕ применению принципа локализации земных объектов Рё определения расстояний РґРѕ РЅРёС… начался РІ Европе Рё РЎРЁРђ. РџСЂРё проведении исследований, связанных СЃ использованием микроволн для СЃРІСЏР·Рё, было найдено, что можно обнаружить присутствие СЃСѓРґРѕРІ Рё самолетов путем регистрации энергии, которую РѕРЅРё отражают.

В США, в �сследовательской 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

Р’ Великобритании, РІ 1934 Рі., желание защитить страну РѕС‚ воздушного нападения привело Р“. Р. Вимперса, директора исследований РїСЂРё Министерстве авиации Рє обращению Р·Р° советом Рє Рђ. Р’. Хиллу (18861977), РІРёРґРЅРѕРјСѓ физиологу РёР· Кембриджа, который получил РІ 1922 Рі. Нобелевскую премию РїРѕ физиологии, Рё который был офицером артиллерии РІ Первой РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅРµ. Конкретно, задавался РІРѕРїСЂРѕСЃ Рѕ возможности уничтожения вражеских самолетов. Результатом обсуждений было обращение Вимперса 12 РЅРѕСЏР±СЂСЏ 1934 Рі. Рє Государственному секретарю РїРѕ военно-воздушным силам СЃ РїСЂРѕСЃСЊР±РѕР№ организовать комитет для рассмотрения того, насколько последние успехи РІ науке Рё технике РјРѕРіСѓС‚ быть использованы для усиления противовоздушной РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹ Вимперс предложил, чтобы председателем этого комитета был профессор Р“. Рў. Тизард (18851959), декан химического факультета Р�мпериал Колледжа. Рђ членами предлагалось назначить Хилла Рё профессора Рџ. Рњ. РЎ, Блэккета (18971974), который характеризовался как РјРѕСЂСЃРєРѕР№ офицер РІ РІРѕР№РЅРµ (1914-18), который СЃ тех РїРѕСЂ РїСЂРѕСЏРІРёР» себя своей работой РІ Кембридже, как РѕРґРёРЅ РёР· лучших молодых научных лидеров. Рта характеристика была вполне оправдана, так как РІ 1948 Рі. Блэккет получил Нобелевскую премию РїРѕ физике Р·Р° развитие метода камеры Вильсона Рё открытие СЃ ее помощью РІ области ядерной физики Рё космических лучей. Комитет был немедленно создан Рё 28 января 1935 Рі. состоялось первое заседание. Вимперс обратился СЃ запросом Рє Суперинтенданту радиоисследовательского отдела Национальной Физической лаборатории Роберту Ватсон-Ватту (18921973), нельзя ли выводить РёР· строя вражеские самолеты или РёС… экипажи СЃ помощью интенсивных пучков радиоволн. Ватсон-Ватт немедленно ответил, что произвести такие лучи смерти нереально, РЅРѕ вместо этого возможно обнаруживать вражеские самолеты. РћРЅ представил расчеты, показывающие, что энергию, отражаемую самолетом, облучаемого мощным пучком радиоволн, можно использовать для этой цели. Немедленно была проведена работа РїРѕ демонстрации, которая дала прекрасные результаты 26 февраля 1935 Рі. РћРЅР° была настолько успешной, что было начато сооружение системы радиолокационных станций. Было продемонстрировано обнаружение корабля РЅР° расстояние около 30 РєРј Рё возможность обнаружения самолета РЅР° расстояние 160 РєРј. Роберт Ватсон-Ватт написал фундаментальное уравнение радара, которое показывает, что максимальное расстояние, РЅР° котором можно обнаружить самолет, пропорционально линейным размерам антенны Рё только лишь РєРѕСЂРЅСЋ четвертой степени РёР· мощности. Рто означает, что для увеличения дальнодействия радара РІ 2 раза нужно увеличивать мощность РІ 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 РІ течение всей РІРѕР№РЅС‹, РёРЅРѕРіРґР° сопровождаясь некоторыми странностями. РћРґРёРЅ СЌРїРёР·РѕРґ может показать нам, как РІ то время плохо понималось использование радиоволн, Р° некоторые эффекты казались таинственными. Р’ 1943 Рі. немцы стали атаковать английские военные корабли летающими бомбами, управляемыми РїРѕ радио. Рто вызывало страх среди команды. Однажды флотские специалисты, случайно, РІРѕ время РѕРґРЅРѕР№ РёР· таких атак РІ Бискайском заливе включили электрические бритвы Рё Рє своему, Р° также Рё всей команды, изумлению, увидели, что Р±РѕРјР±Р° стала поворачиваться РІ небе, Р° затем направилась РІ сторону самолета, который запустил ее. Немедленно Адмиралтейство разослало приказ включать РІСЃРµ имеющиеся РЅР° корабле электрические бритвы Рё размахивать РёРјРё против летающих снарядов. Рффективность этой меры РЅРµ зарегистрирована РІ официальных бумагах, РЅРѕ РѕРЅР°, определенно, повышала моральный РґСѓС… 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

Р’ первые месяцы РІРѕР№РЅС‹ был сформирован Британский комитет РїРѕ координации разработок радиоламп. РћРЅ заключил СЂСЏРґ научно-исследовательских Рё промышленных контрактов РЅР° разработку радиоламп для передатчиков Рё приемников СЃ длиной волны 10 СЃРј. РћРґРёРЅ РёР· контрактов был заключен СЃ РіСЂСѓРїРїРѕР№ профессора Рњ. Олифанта (19012000) РёР· Бирмингемского университета, который РІ 1937 Рі. перешел РёР· Кавендишской лаборатории для организации РІ Бирмингеме лаборатории ядерной физики. Рта РіСЂСѓРїРїР° первоначально интересовалась разработкой генератора РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ клистрона, СЃ которым Олифант ознакомился РІРѕ время своей поездке РІ РЎРЁРђ РІ 1938 Рі. Р’ результате, Рє концу 1939 Рі., его РіСЂСѓРїРїР° создала клистрон, который генерировал около 400 Р’С‚ непрерывной мощности РЅР° длине волны 10 СЃРј, Р° несколькими месяцами позже был создан Рё импульсный вариант, пригодный для радара.

Однако это устройство оказалось слишком РіСЂРѕРјРѕР·РґРєРёРј для установки РЅР° самолет, Рё хотя клистроны меньшего размера использовались РІ самолетных радарах, продолжались РїРѕРёСЃРєРё альтернативного варианта. Р’ РіСЂСѓРїРїРµ также работали Рё РґСЂСѓРіРёРµ специалисты, включая Дж. Рэндала (19051984). РћРЅ получил докторскую степень РІ Манчестерском университете, выполняя исследования РїРѕ рассеянию рентгеновских лучей, Рё провел РіРѕРґ РІ лаборатории Британской Компании Дженерал Рлектрик, РіРґРµ приобрел опыт РІ области устройств высокого вакуума. Р“. Бут (19171983) получил высшее образование РІ области физики РІ 1938 Рі. Рё РІ 1941 Рі. стал доктором РІ Бирмингеме. Олифант РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» РёС… исследовать схемы, которые требовались для мощного генератора. Поэтому РІ 1940 Рі. РѕРЅРё начали исследование СЃ целью улучшить магнетрон, РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ идеи использовать цилиндрический резонатор, выполняющий РґРІРѕР№РЅСѓСЋ функцию: определять частоту Рё служить анодом магнетрона. РћРЅРё испробовали РЅРѕРІРѕРµ устройство, которое было названо резонаторным магнетроном, 21 февраля 1940 Рі. Рё получили около 400 Р’С‚ РЅР° 9,8 СЃРј.

Немедленно это устройство было внедрено Компанией Дженерал Рлектрик РІ улучшенной модификации СЃ увеличенной РґРѕ 10 РєР’С‚ мощностью. Р� РІ мае уже работал радар, использующий этот новый магнетрон. РћРЅ способен был обнаружить перископ РїРѕРґРІРѕРґРЅРѕР№ лодки РЅР° расстоянии 10 РєРј.

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

После триумфа РїРѕ РѕР±РѕСЂРѕРЅРµ Темзы ожидалось, что Тизард будет назначен Главным Научным Военным Консультантом. Так Рё было некоторое время, РЅРѕ РєРѕРіРґР° Уинстон Черчилль стал премьер-министром, РѕРЅ выбрал РЅР° эту должность РґСЂСѓРіРѕРіРѕ специалиста. Тизард стал менее влиятельным, РЅРѕ был назначен главой деликатной РјРёСЃСЃРёРё РІ РЎРЁРђ. Рта РјРёСЃСЃРёСЏ должна была убедить РЎРЁРђ, РІ то время нейтральных, разрабатывать Рё производить технику, нужную для РІРѕР№РЅС‹. Англичане сначала РЅРµ решались разглашать перед американцами устройство магнетрона, опасаясь, что это попадет РІ СЂСѓРєРё немецкой разведки, РЅРѕ последующее полностью оправдало усилия РјРёСЃСЃРёРё Тизарда. Впервые резонаторный магнетрон был 6 октября 1940 Рі. продемонстрирован американцам РІ Bell Telephone Laboratories, Раскрытие этого устройства привело Рє созданию Лаборатории излучений РІ Массачусетском технологическом институте, знаменитом MIT РІ Бостоне. Была сколочена элитная РіСЂСѓРїРїР° ученых Рё инженеров, набранных РёР· университетов Рё промышленности. Р’ результате, РІ РіРѕРґС‹ РІРѕР№РЅС‹ было создано множество магнетронов Рё более 100 радарных систем, которые обеспечили союзникам техническое преимущество. Более РґРІСѓС… миллиардов долларов было вложено РІ эти разработки РІ течение РІРѕР№РЅС‹, Рё это дало импульс развития микроволновой технологии Рё РІ послевоенный период.

РџРѕ предложению Тизарда РјРЅРѕРіРёРµ РёР· приглашенных специалистов были ядерными физиками, потому что, как сказали британские визитеры РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ своего опыта, РѕРЅРё более легко адаптируются РІ новые исследования, чем радиоинженеры. Ли Ду Бридж (19041996) РёР· Рочестерского университета был назначен главой РЅРѕРІРѕР№ лаборатории. Среди РґСЂСѓРіРёС… РІ ней были Р�. Раби, Кен Бэйнбридж (19041996), Норман Рамси, РРґ Парсел, РСЂРЅРё Полард Рё Луис Альварец, РјРЅРѕРіРёРµ РёР· которых еще сыграют роль РІ нашей истории.