Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 23 страниц)

Лампа с «дверцей»

Разрядная трубка, наполненная разреженным газом или парами ртути, послужила прообразом не только для газосветных ламп, но и для многих других важных приборов. Среди них большое значение имеют различного рода выпрямители переменного тока.

Двухэлектродная лампа с раскаленным катодом, наполненная разреженным газом или парами ртути, как и вакуумная электронная лампа, обладает способностью пропускать ток только в одном направлении – от катода к аноду.

Однако сила тока, который пропускает вакуумная электронная лампа, ограничивается величиной термоэлектронной эмиссии – числом электронов, выходящих из раскаленного катода в единицу времени (секунду). Силу тока в лампе можно увеличить во много раз, если наполнить лампу разреженным газом или парами ртути. Тогда ток будет передаваться не только электронами, вылетающими из катода, но и значительно большим числом электронов и ионов, возникающих благодаря ионизации газа. Такая лампа с двумя электродами и газовым наполнением названа газотроном.

Особенно сильный ток дают ртутные лампы с дуговым разрядом, называемые ртутными выпрямителями. У них катодом служит поверхность жидкой ртути, легко отдающая электроны при дуговом разряде.

Академик В. Ф. Миткевич еще в 1903–1905 годах исследовал явление дугового разряда и указал, что его можно использовать для выпрямления переменного тока.

Первые высоковольтные ртутные выпрямители промышленного типа построил в 1918 году в Нижегородской лаборатории В. П. Вологдин.

Разработанные советскими учеными, ртутные выпрямители пропускают токи силой до 6000 ампер. Такие выпрямители применяются на промышленных предприятиях, на радиостанциях, и всюду, где необходим постоянный ток большой силы. Так, например, не все знают, что трамваи получают ток не непосредственно с электрической станции, а от ртутных выпрямителей с дуговым разрядом, которые помещаются на трамвайных подстанциях и преобразуют переменный ток в постоянный. Моторами постоянного тока легче управлять, так как они меняют направление вращения при изменении направления тока, легко давая и передний и задний ход.

Введение третьего электрода – сетки – обращает газотрон в новый прибор – тиратрон, действие которого до известной степени похоже на действие вакуумного триода. Но вместе с тем между обеими лампами есть и существенное различие.

На сетку в тиратроне подается отрицательное напряжение. Пока оно достаточно велико, электроны, едва вылетев из катода, сразу же вынуждены возвращаться обратно. Они не успевают столкнуться с атомами газа, а если сталкиваются, то все равно оказываются не в состоянии их ионизировать: скорость движения электронов для этого еще слишком мала и ток через лампу не идет.

Если постепенно уменьшать отрицательное напряжение, то наступит момент, когда часть электронов прорвется сквозь сетку. Эти «счастливцы» попадут в сильное электрическое поле анода и получат необходимый разбег. На длинном пути от сетки до анода почти каждый из прорвавшихся электронов встретит какой-нибудь атом газа и ионизирует его. Число свободных электронов резко увеличится, начнется лавинная ионизация. Ток резко возрастет, мгновенно дойдя до максимального. Если теперь вновь увеличить на сетке отрицательное напряжение до первоначальной величины, ток отнюдь не прекратится. Наоборот, он будет идти с прежней силой.

Тиратрон – это лампа с «дверцей». Но «дверца» эта весьма своеобразна: ее легко открыть, а закрыть не удается.

Чем же объясняется такое резкое отличие тиратрона от вакуумного триода, который, как известно, способен очень тонко регулировать силу анодного тока? Отличие объясняется именно наличием газа в тиратроне. Когда через лампу проходит сильный ток, в газе появляется много положительных ионов. Они, еще не дойдя до катода, окружают проволоки отрицательно заряженной сетки, притягиваются к ней, образуют вокруг проволочек сетки нечто вроде чехла и своими положительными зарядами нейтрализуют ее действие.

Между такими заэкранированными проволоками продолжают свободно проходить электроны, летящие к аноду. Ток продолжает идти, хотя на сетку и подано, как будто достаточно большое отрицательное напряжение. Его сила будет зависеть только от мощности источника тока и от сопротивления в цепи. Напряжение на электродах лампы при этом сильно снизится, а мощность, затрачиваемая на газовый разряд – неизбежные потери – станет наименьшей.

Чтобы прекратить ток, нужно либо разомкнуть цепь, либо дать отрицательное напряжение на анод. Тогда он притянет к себе положительные ионы от сетки и оттолкнет электроны к катоду. Ионизация прекратится, сетка лишится экранирующих ее ионов, и тиратрон будет вновь заперт – «дверца» закроется.

Тиратрон часто служит для выпрямления тока. При этом на его катод и анод подается переменное напряжение. При переменном токе не требуется разрывать цепь анода, так как при каждом периоде на аноде появляется отрицательное напряжение. Переменный ток сам приводит тиратрон к готовности для работы. «Дверца» закрывается – ток прекращается в тот момент, когда переменное напряжение на аноде, пройдя через нуль, станет отрицательным.

При обычном переменном токе в 50 периодов, ток всегда запирается 50 раз в секунду, а отпирается только при соответствующем уменьшении отрицательного напряжения на сетке. В этом случае он пропускает своеобразный пульсирующий выпрямленный ток.

При помощи сетки можно регулировать среднюю силу этого выпрямленного тока. Он проходит толчками, импульсами, за те полупериоды, при которых на анод подается положительное напряжение. Так как это напряжение возрастает не сразу, а постепенно, в течение каждого рабочего полупериода, то чем большее отрицательное напряжение подадим мы на сетку, тем позже будет прорываться поток электронов сквозь сетку в эти полупериоды, тем короче будут промежутки времени, когда ток идет, и сила проходящего через лампу тока в среднем будет меньше. Таким образом тиратрон может и выпрямлять переменный ток и регулировать его силу.

Весьма важное значение имеет тиратрон как пусковое реле для всевозможных автоматических устройств. Весьма малое уменьшение отрицательного напряжения на сетке тиратрона приводит к образованию анодного тока большой мощности. Иначе говоря, ничтожное изменение напряжения на сетке приводит к включению сильного тока, ранее запертого тиратроном.

Применение коронного разряда

В истории мореплавания записан случай, когда капитан корабля, увидев на мачтах огни святого Эльма, приказал матросу принести ему один из этих огней. Матрос полез на мачту, к которой был прикреплен флаг. На его древке виднелась светящаяся кисть. Матрос хотел снять огонь вместе с флагом, но как только он взял древко в руки, огонь перескочил на верхушку мачты, и оттуда его снять не удалось. Опустившись на палубу, матрос рассказал, что огонь святого Эльма холодный, совсем не греет, но шипит, как сырое дерево в костре.

Ученые исследовали это интересное явление и научились воспроизводить огни святого Эльма в лабораторных условиях.

Рис. 86. Огни святого Эльма.

Эти огни – один из видов электрического разряда, возникающего только на остроконечных, игольчатых или проволочных электродах и при давлении воздуха, близком к атмосферному. Такой разряд получил название «коронного». Коронному разряду кашли неожиданное и весьма остроумное применение, он стал исполнять обязанности трубочиста-дымоулавливателя и сортировщика пылевых частиц.

Внутри металлической трубы, диаметром около полуметра и длиной до 10 метров, натягивают тонкую проволоку. Получается прибор, подобный газотрону, только очень больших размеров – с трехэтажный дом. Тонкая проволока по середине трубы служит катодом, а стенки трубы – анодом. Между ними поддерживается постоянное высокое напряжение в десятки тысяч вольт.

Благодаря тому, что поверхность отрицательного электрода – проволоки – очень мала по сравнению с площадью внутренней стенки трубы – положительного электрода, – электрическое поле в трубе весьма неоднородно. Оно очень сильно у проволоки и слабо у стенок трубы. Поэтому ионизация газа и образование короны происходят только вокруг проволоки. Только здесь заметно свечение, только здесь образуются ионы. Ток через всю толщу воздуха в трубе поддерживается образовавшимися около проволоки отрицательными ионами.

Сквозь трубу прогоняют подлежащие очистке топочные газы. Содержащиеся в них частицы несгоревшего топлива и золы притягивают к себе отрицательные ионы и сами заряжаются отрицательно. Зарядившись, все эти пылинки под влиянием электрического поля начинают двигаться к аноду – к стенкам трубы и оседают на них. Разрядившись у стенок трубы, пыль легко отделяется от нее и ссыпается в специальные бункера.

Таким образом удается улавливать до 99 % дымовых частиц.

Количество дыма, выбрасываемого фабрично– заводскими трубами большого промышленного города, достигает чудовищных размеров. Одним из самых неблагоустроенных в этом отношении городов является Лондон.

За год на территорию Лондона выпадает свыше 125 тысяч тонн дымовых и зольных частиц. Если бы оседающие на лондонских улицах дымовые частицы не смывало дождем, если бы их ежедневно не убирали, британская столица давным-давно была бы засыпана золой и сажей до самых крыш. Загрязнение воздуха лишает лондонцев половины солнечного света.

Советское правительство, проявляя повседневную заботу об охране здоровья трудящихся, издало особое постановление об охране атмосферного воздуха. Этим постановлением запрещено вводить в эксплуатацию предприятия и котельные установки, не оборудованные приборами – фильтрами для очистки газов.

Очистку производят разными способами, и очень часто наиболее пригодными оказываются электрофильтры с коронным разрядом.

Частицы различного химического состава по разному ведут себя в электрическом фильтре. Одни движутся скорей, другие – медленней. Это позволяет не только осаждать частицы дыма и пыли, но и сортировать их. Фильтры с коронным разрядом могут отделять вредные частицы от безвредных, годные для использования – от негодных.

Фильтры, сконструированные советскими инженерами и физиками, служат в цехах, размалывающих цемент и фосфориты, не допуская напрасных потерь этих веществ. На химических заводах фильтры улавливают капельки серной кислоты и других ценных продуктов, которые раньше беспрепятственно улетали с топочными газами и через вентиляционные трубы. Одновременно с очисткой воздуха электрофильтры сберегают эти ценные материалы.

Глава девятая. Борьба за короткие волны

Неожиданное открытие

В двадцатых годах нашего столетия чуть ли не в каждом городе строилась радиостанция. Многие любители обзаводились собственными передатчиками. Каждый работал на той волне, какая ему больше нравилась: в эфире образовалась вредная неразбериха.

Тогда было предпринято распределение радиоволн между государствами и типами станций. Волну в 600 метров выделили исключительно для подачи сигналов бедствия – SOS. Длинные волны предоставили широковещательным станциям. Короткие волны, считавшиеся негодными для устойчивой и дальней связи, уступили радиолюбителям.

По тогдашнему мнению специалистов короткие волны позволяли вести передачу всего лишь на 20–30 километров. Дальнейшие события скоро опровергли это заблуждение.

В 1923 году радиолюбители на волне около 20 метров установили двустороннюю связь через Атлантический океан. Специалисты были удивлены: маленькая коротковолновая радиостанция, мощностью всего лишь в 40 ватт, сделала то, чего не могли добиться длинноволновые станции в десятки киловатт. Короткие волны, которые, как казалось, не могли преодолеть даже 50 километров, перенесли человеческое слово на расстояние в 10 000 километров.

В Советском Союзе подобные опыты по организации связи на коротких волнах были выполнены профессором М. А. Бонч-Бруевичем и В. В. Татариновым. Они установили круглосуточную связь Москвы с Ташкентом и Владивостоком передатчиками мощностью в несколько десятков ватт (на волнах 15–30 метров).

Ученые, инженеры, радиолюбители занялись исследованием свойств радиоволн короче 50 метров.

Эти волны распространяются очень своеобразно. Известен такой курьезный случай. Однажды в окрестностях Рима возник большой пожар. Телефон бездействовал. Вызвать пожарную команду было невозможно. Один из местных радиолюбителей-коротковолновиков стал посылать в эфир сигналы бедствия. В это время какой-то датчанин вел двусторонний разговор с римским радиолюбителем. Приняв сигналы бедствия, датчанин немедленно сообщил своему римскому собеседнику, чтобы тот вызвал пожарную команду. Через 8 минут после подачи сигнала римские пожарные выехали на место. Так связь с Римом была установлена… через Копенгаген.

Чтобы выяснить дальность действия радиопередатчиков, сделали опыт. Возле длинноволновой радиостанции поместили коротковолновую. Оба передатчика работали несколько суток подряд.

На автомобиль погрузили два радиоприемника. Один из них принимал передачу длинноволновой станции, другой – коротковолновой. Силу сигналов, принимаемых каждым из приемников, отмечал на телеграфной ленте записывающий автомат.

Автомобиль-лабораторию отправили в путь. По мере удаления автомобиля слышимость коротковолнового передатчика быстро падала. На расстоянии около 50 километров она исчезла совершенно. Передача длинноволновой станции была слышна хорошо, хотя сила принимаемых сигналов и ослабела, но совсем не в такой мере, как у коротковолнового передатчика.

На пятисотом километре слышимость длинноволновой станции пропала, но зато появились сигналы коротковолнового передатчика. Вскоре они достигли полной силы и были слышны так, как будто автомобиль находился возле самой станции. И сколько бы лаборатория ни удалялась от радиостанции, сила сигналов уменьшалась очень медленно.

Существование «мертвого» пространства вокруг коротковолнового передатчика и малая зависимость силы приема от расстояния на большом удалении от передатчика навели на мысль, что короткие волны распространяются не вдоль земной поверхности, как предполагали раньше, а иным путем, и что на расстоянии в несколько тысяч километров радиоприемник улавливает не прямые сигналы радиостанции, а отражение этих сигналов. Нужно было найти то зеркало, от которого отражаются радиосигналы.

Еще в 1920 году М. В. Шулейкин указывал, что следует изучить верхние слои атмосферы. Воздух на высоте в 90 километров над землей сильно ионизирован ультрафиолетовым излучением солнца. Ионизированные газы, как и все проводники, отражают короткие радиоволны.

Следовательно, те сигналы коротковолновой станции, которые распространяются вдоль земной поверхности, быстро слабеют и гаснут. Сигналы же, посланные вверх, достигают ионизированных слоев воздуха – ионосферы – и отражаются от нее, как от зеркала, обратно к земле. Попав на влажную землю или на морскую поверхность, они вновь отражаются к ионосфере, чтобы потом опять вернуться к земной поверхности (рис. 87).

Рис. 87. Длинные волны по мере удаления от радиостанции слабеют, а короткие волны, многократно отражаясь от поверхности земли и ионосферы, облетают вокруг земного шара.

Радиосигналы гигантскими прыжками летят между ионосферой и землей на десятки тысяч километров. Они могут таким образом совершить даже кругосветное путешествие.

Эти соображения скоро подтвердились на опыте. Приемник, расположенный возле передатчика, иногда принимает вслед за сигналами передающей станции эхо этих же сигналов, облетевшее вокруг земного шара. Такое кругосветное эхо, – а их иной раз бывает несколько подряд, – сильно искажает прием, так как, вследствие большой скорости распространения радиоволн, эхо отстает от сигналов всего лишь на несколько десятых долей секунды и смешивается с ними.

Контур надо уменьшить

Ученые, изобретатели, радиолюбители отчетливо поняли преимущества коротких волн перед длинными – радиопередача на коротких волнах звучит чище, отчетливее, «атмосферики», то есть трески и шумы, создаваемые грозовыми разрядами в атмосфере, меньше мешают приему; короткие волны позволяют поддерживать дальнюю связь с минимальной затратой мощности и даже вести направленную передачу. Впоследствии они оказались незаменимыми для локационных станций, радиодальномеров и других навигационных приборов, а также для телевидения.

И всем скоро стало совершенно ясно, что чем короче волны, тем надежнее и устойчивее работают на них многие радиоаппараты.

Надо осваивать более короткие волны, говорили конструкторы и, чтобы добиться этого, стали уменьшать размеры катушек самоиндукций и конденсаторов колебательных контуров. Ведь чем меньше самоиндукция и чем меньше емкость, тем короче получаются волны.

Изобретатели дошли в конце концов до того, что в катушке самоиндукции остался всего лишь один единственный виток, а в конденсаторе – две совсем маленькие пластины. Казалось, что дальше сокращать контур уже некуда.

Развитие радиотехники в этой области несколько затормозилось: надо было как-то преодолеть возникшие затруднения. Изобретатели попытались соединить в одно целое катушку самоиндукции и конденсатор и изготовили колебательный контур из двух прямых и параллельных друг другу медных проволок, соединенных перемычкой, наподобие буквы П. Параллельные проволоки служили одновременно и емкостью и самоиндукцией.

Однако самое существенное препятствие, мешавшее освоению ультракоротких волн, заключалось не в форме и размерах колебательного контура. Дело в том, что любой, пусть даже самый маленький, контур надо подключать к лампе с помощью соединительных проводов, а соединительные провода, да и сама лампа, тоже обладают собственными самоиндукциями и емкостями. И все эти самоиндукции и емкости – контура, соединительных проводов и лампы – складываются, и укоротить длину волны ниже определенного предела не удается.

Следовательно, прежде всего надо изгнать из схемы все соединительные провода – они только мешают, а из контура и лампы составить одно целое, один прибор.

Наиболее удобным для этой цели оказался контур, изготовленный наподобие покрышки автомобильного колеса, то есть в виде пустотелого кольца с разрезом вдоль его внутренней окружности.

Контур подобной формы получил название полого или объемного резонатора. Для присоединения такого резонатора к лампе никаких соединительных проводов не требуется: его, как бублик, надевают прямо на баллон лампы.

Электрон недостаточно быстр

Но и этого усовершенствования оказалось недостаточно. Обнаружилось новое, еще более серьезное препятствие, которое зависит от свойств самого электрона.

При длине волны в 1 метр частота колебаний на сетке лампы составит почти 300 миллионов в секунду. Если же укоротить длину волны до 10 сантиметров, а именно этого и добивались ученые, то частота достигнет 3 миллиардов колебаний в секунду!

Как ни велика скорость электрона в электронной лампе, все же он летит недостаточно быстро. Он не успевает пролететь расстояние от сетки до анода, как напряжение на сетке уже изменяется; анодный ток перестает следовать за командами сетки.

Регулировщик уличного движения на перекрестке должен включать зеленый или красный фонарь светофора, обязательно сообразуясь со скоростью транспорта. Нельзя менять сигнал раньше, чем трамваи и автомашины пересекут перекресток. Если же регулировщик начнет спешить, то шоферы, не успевая следовать командам светофора, просто перестанут его слушаться, и на перекрестке произойдет беспорядок.

Сетка в лампе служит регулировщиком «уличного» движения электронов. И в лампе тоже возникнет беспорядок, если на сетку подать слишком высокую частоту. Электроны начнут прибывать на анод не вовремя, опаздывать. Вся работа контура нарушится.

Лампа – морской прибой

Электронной суматохи в лампе казалось бы можно избежать. Для этого надо уменьшить расстояние между катодом и анодом, – сблизить их, это сократит время полета электронов в баллоне лампы.

Конструкторы взялись за переделку ламп. Появились лампы размером с пальчик – «пальчиковые» пентоды и размером с желудь – лампы «желуди».

Но, увы, «хвост вытащишь – нос увязнет». В «желудях» электронной «толчеи» не получается, но зато между чересчур сближенными электродами увеличилась емкостная связь. Опять плохо!

При большой внутренней емкости через лампу начинает проходить переменный ток. Лампа перестает выполнять одно из своих назначений – служить выпрямителем тока.

Все это привело к мысли, что надо не только объединить контур с лампой в одном приборе, но создать совершенно новый тип лампы, предназначенный специально для очень коротких волн.

Такие лампы были созданы советскими учеными. В 1932 году Д. А. Рожанский разработал проект лампы, получившей название клистрона.

Постройку клистрона осуществили в 1935 году А. Арсеньева и О. Хейль. Слово клистрон в переводе с греческого означает «морской прибой», и то, что происходит за стеклянными стенками клистрона, действительно напоминает морской прибой, когда волны равномерной чередой накатываются на берег.

Клистрон представляет собой стеклянную трубку, на которой надеты два «бублика», то есть два объемных резонатора, исполняющие обязанности колебательных контуров.

Как видно на рисунке 88 в объемном резонаторе клистрона роль емкости – конденсатора – исполняют сетки, а катушка индуктивности заменена металлической трубкой, согнутой в кольцо и разрезанной внутри. Стрелки показывают, как по ней движутся электроны, когда в резонаторе происходят электрические колебания.

Рис. 88. Объемный резонатор клистрона в форме бублика, сделанного из металлической трубки с разрезом по внутреннему диаметру. Часть трубки вырезана, чтобы было видно, как он устроен. Стрелки указывают направления движения электронов в резонаторе при колебаниях.

В одном конце трубки помещается электронная пушка, по своему устройству похожая на электронную пушку осциллоскопа. Она посылает узкий и прямой пучок электродов вдоль оси трубки по направлению к аноду, который расположен в противоположном конце трубки (рис. 89).

Рис. 89. Схема клистрона: сетки группирователя разбивают электронный поток на отдельные сгустки, которые отдают свою энергию сеткам улавливателя.

По пути от электронной пушки к аноду электронам приходится пролетать через две пары сеток, которые являются продолжением стенок объемных резонаторов.

К первому резонатору, то есть к первой паре сеток подведено переменное напряжение высокой частоты. Знаки зарядов на этих сетках непрерывно и очень быстро сменяют друг друга, – когда на одной сетке появляется минус, то на другой – плюс. А через несколько десятимиллиардных долей секунды плюс сменяется минусом, минус опять плюсом и так далее.

Электроны, выброшенные пушкой, летят до первой пары сеток все с одинаковой скоростью и сплошным потоком. Попав в пространство между сетками, электроны оказываются во власти высокочастотного поля этих сеток.

Постоянное электрическое поле действует на электроны подобно ветру – на пылинки. Оно увлекает, гонит и несет электроны, ускоряет их движение или, наоборот, замедляет его.

Переменное же поле можно сравнить с ветром, который дует то спереди, то сзади, то есть поочередно и подгоняет электроны, и тормозит.