Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 23 страниц)

Электронные сгустки

В тот момент, когда на сетке, более близкой к электронной пушке, появляется плюс, на второй сетке будет минус. Электроны, оказавшиеся в междусеточном пространстве, испытывают одновременно воздействие обеих сеток.

Сетка, которую они уже пролетели, то есть оставшаяся у электронов позади, притягивает их к себе, – замедляет движение электронов. Вторая сетка, которую еще предстоит проскочить, отталкивает электроны назад, то есть тоже замедляет их полет.

В целом же получается так, как будто «ветер дует электронам в лоб», – электрическое поле сеток тормозит их движение, и электроны покидают междусеточное пространство с пониженной скоростью.

Разумеется, что электроны, потеряв часть своей скорости, отстают от тех электронов, которые проскочили сетки раньше их и летят впереди. В электронном потоке образуется разрыв.

В следующий миг сетки обмениваются знаками зарядов. На первой сетке, более близкой к электронной пушке, появляется минус, и она начинает отталкивать электроны, подгонять их. На второй сетке минус сменяется плюсом, и она начинает притягивать к себе электроны, то есть тоже ускоряет их движение. И эти электроны покидают сетки, так сказать, с «попутным ветром» и летят с повышенной скоростью.

Вполне очевидно, что они тоже оторвутся от тех электронов, которые движутся позади и занимают их место в междусеточном пространстве. В потоке электронов, миновавших первую пару сеток, образуются обособленные стайки.

Так как электроны, составляющие головной отряд такой стайки, летят с пониженной скоростью, а электроны, оказавшиеся в хвосте стайки, летят с повышенной скоростью, то, очевидно, задние будут нагонять передних, и по мере продвижения вперед стая электронов будет становиться все плотнее и плотнее. Стайка собьется в довольно плотный электронный сгусток, или, как иногда говорят, – «пакет».

Такие электронные стайки-сгустки получаются после каждой смены зарядов на сетках первого резонатора. Следовательно, число электронных сгустков, образующихся за секунду, равно частоте колебаний на сетках, а плотность электронов в каждом сгустке соответствует силе этих колебаний.

Итак, сетки первого резонатора рубят электронный поток на отдельные стаи и уплотняют их, сбивая электроны в «пакеты».

Подлетая к сеткам второго резонатора, который называется улавливателем, эти электронные сгустки-пакеты обрушиваются на них подобно волнам морского прибоя.

Сгустки один за другим проходят сквозь сетки улавливателя и в силу индукции отдают им свою энергию, возбуждая во втором резонаторе колебания той же частоты, что и в первом, но более мощные. Потеряв в улавливателе значительную часть своей энергии, «отработавшие» электроны налетают на коллектор, который выводит их из лампы.

Но невольно возникает вопрос: откуда же берется высокая частота, которой питают первый «бублик»? На это легко ответить – от улавливателя. Внутрь полостей обоих резонаторов введены концы проводника, соединяющего резонаторы между собой (рис. 89).

Это устанавливается между обоими резонаторами связь, благодаря которой клистрон самовозбуждается, как и обычная генераторная лампа с обратной связью в колебательном контуре.

В последние годы чаще всего применяют клистроны, работающие на волнах от 9 до 11 и от 3 до 3,3 см. Но уже изготовляются клистроны и для волн в 7–8 миллиметров.

В вихре магнитного поля

Еще раньше клистрона появился другой прибор, тоже предназначенный для создания очень коротких радиоволн и названный магнетроном.

Магнетроны отличаются от всех остальных радиоламп тем, что управление электронным потоком производится в них не электрическим полем сетки, а магнитным. Если электрическое поле сравнимо с обычным ветром, то магнитное поле – это вихрь или смерч.

Электрон, пересекая магнитное поле, движется по дуге окружности, и чем сильнее поле, тем круче изогнется траектория полета электрона. Электрон в магнитном поле вьется, как песчинка, подхваченная вихрем (рис. 90).

Рис. 90. Движение электрона, попавшего в магнитное поле.

Эту особенность магнитного поля использовали для создания магнетронов. Первый в мире мощный магнетрон построили в 1939 году советские инженеры Д. Е. Моляров и Η. Ф. Алексеев.

В магнетроне только два электрода – анод и катод; сеток нет. Анод изготовлен в виде полого, металлического цилиндра с толстыми стенками. Катод имеет форму палочки или стержня и помещается внутри полости анода в самом ее центре, то есть он расположен по оси анода. В стенках анода, параллельно его оси, высверлены каналы, соединенные боковой стороной с внутренней полостью магнетрона; это объемные резонаторы (рис. 91).

Рис. 91. Основные части разрезного магнетрона. Электроны крутятся вихрем вокруг катода. Электрические колебания возникают внутри каждого цилиндрического канала, разрез которого служит конденсатором.

Оба электрода находятся в сильном магнитном поле, направленном так, что его силовые линии пронизывают пространство между анодом и катодом вдоль их оси.

На катод, как и в обычной лампе, подают отрицательное напряжение, на анод – положительное.

Катод подогревают электрическим током. Он испускает электроны. Увлекаемые электрическим полем, электроны мчатся от катода к аноду. Если б не было магнитного поля, они полетели бы по прямым линиям, то есть по радиусам, и без помех «приземлились» бы на аноде.

Но магнитное поле диктует им свои законы. Пересекая магнитные силовые линии, электроны сворачивают с прямого пути и несутся по кругу, как щепки, попавшие в водоворот.

Напряжение на электродах и сила магнитного поля подобраны с таким расчетом, чтобы электроны поворачивали обратно к катоду как раз возле самой поверхности анода. Они скользят вдоль анода и летят назад. Ток через магнетрон почти не идет.

Электроны же, вылетая из раскаленного катода, накапливаются в «вихре» магнитного поля: в пространстве между катодом и анодом сосредоточивается мощный электрический заряд.

Этот заряд не остается неизменным, на нем сказывается влияние полых резонаторов, высверленных в стенках анода. Под их воздействием электронный вихрь начинает пульсировать, он то сжимается, то расширяется. Но, расширяясь, электронный вихрь каждый раз касается анода.

На анод обрушиваются миллиарды миллиардов электронов сразу. Возникает резкий отрывистый толчок, создающий в цепи анода колебания электрического тока. Такие толчки следуют один за другим – магнетрон генерирует колебания.

Эти колебания происходят с частотой, которая определяется размерами резонаторов и устройством магнетрона.

Анодное напряжение на магнетрон подается не все время, а только на очень короткие промежутки времени мощными импульсами, например, на одну стотысячную долю секунды через каждую сотую долю секунды. После каждого такого импульса магнетрон, создав в течение его колебания огромной мощности, может «отдохнуть», а общий расход затраченной в секунду энергии оказывается не очень большим – магнетрон каждую 0,00001 секунды работает, а 0,01 секунды отдыхает.

В результате разных усовершенствований, соединив в себе колебательный контур с мощной лампой, магнетрон стал очень портативным прибором.

Современный мощный магнетрон свободно умещается на ладони. Несмотря на столь скромные размеры, он служит генератором исключительно мощных электромагнитных колебаний (рис. 92).

Рис. 92. Внешний вид магнетрона.

Магнетрон, создающий радиоволны длиной около 3 сантиметров, способен на короткие промежутки времени развивать мощность свыше тысячи киловатт, а магнетрон, предназначенный для генерации радиоволн около 10 сантиметров, развивает мощность в 2500 киловатт. Это делает магнетрон незаменимым прибором для радиолокационных станций, которые должны посылать сигналы мощными короткими импульсами.

Глава десятая. Современный «Золотой петушок»

Полет летучих мышей

Летучая мышь издавна интересовала натуралистов. Это очень странный зверек. Глаза у него крошечные, слабые; с такими глазками даже днем трудно что-либо разглядеть, а летучие мыши летают ночью, охотятся впотьмах, да еще как ловко охотятся! Черными стрелами носятся они меж ветвей деревьев или под стропилами крыш, на лету ловят комаров и ночных бабочек, и при этом ни разу не заденут крылом за ветку или за балку.

Если впустить летучую мышь в большой темный сарай, в котором по всем направлениям натянуты веревки, проволоки, понаставлены шесты и палки, то летучая мышь все равно будет носиться по сараю, удивительно легко и ловко огибая все препятствия.

Птицы так летать не могут. Воробей, выпущенный в комнате из клетки, прежде всего ринется к окну и, ударившись о стекло, расшибется. Летучая мышь в закрытое окно не полетит. Но если форточка будет открыта, мышь быстро найдет лазейку и шмыгнет в нее.

Натуралисты хотели узнать, каким органом чувств руководствуется летучая мышь в полете? Что помогает ей ориентироваться ночью и в весьма трудных условиях? Чтобы выяснить это, делали различные опыты. Нескольких летучих мышей ослепили и выпустили. Слепые мыши летели не хуже зрячих. Значит, в полете мышь «смотрит» не глазами.

Быть может она пользуется осязанием? Кончик носа и лапки летучей мыши покрыли лаком и отпустили ее. Мышь летала, как ни в чем не бывало.

Может быть, у летучих мышей важную роль играет обоняние? Липким пластырем заклеили мышам носы и отпустили, – полетели прекрасно!

Остается еще слух! Уши у летучих мышей отменно большие. Уже сама величина ушей показывает, что этот орган особо важен. Нескольким мышам залепили воском уши.

С заткнутыми ушами мыши стали летать плохо: одна ударилась о столб и разбила крыло, другая налетела на веревку.

Но как можно смотреть… ушами? Понятно, что на ночной охоте слух незаменим. Комар летит – звенит. Мышь слышит комариный писк и ловит комара. Но ведь веревки, палки, ветки, стекла не издают звуков! Мышь не может слышать веревку, натянутую в сарае, а все-таки огибает ее. При чем же тут слух? Это было неясно.

Единственное, чего не догадывались сделать ученые, – это заклеить мышам липким пластырем рты и посмотреть, как будут мыши летать с закрытыми ртами. Людям и в голову не могло прийти, что мышь может «освещать» дорогу голосом и «смотреть» ушами.

Опыты, которые ученые делали с летучими мышами в конце XVIII века, ни к чему не привели. Тайна полета мышей осталась тогда неразгаданной.

Только в недавнее время ученые нашли способ видеть и ориентироваться ночью в тумане не хуже летучих мышей и только недавно способ ориентировки этих ночных летунов стал нам понятен.

Открытие русского ученого

Летом 1897 года учебно-минный отряд Балтийского флота ушел на Транзундский рейд в Выборгском заливе, где обычно производили учебные стрельбы.

По уставу минный офицер, проводивший практические занятия, должен был докладывать в штаб отряда результаты каждой стрельбы. Он сообщал: какая мина благополучно всплыла после выстрела, какая утонула, за какой следует выслать шлюпку. Передать семафором все эти известия было затруднительно, поэтому связь решили организовать с помощью беспроволочного телеграфа.

На транспортном судне «Европа», с которого производились стрельбы, помощник А. С. Попова – Π. Н. Рыбкин установил передатчик, а на крейсере «Африка», где помещался штаб отряда, – приемник.

Крейсер 2 ранга «Африка» был очень удобным кораблем для опытов. Его огромные грот и фок-мачты не несли парусного такелажа. Это позволяло поднять антенну на большую высоту и увеличить дальность передачи до пяти километров.

Во время этих опытов А. С. Попов заметил новое и своеобразное явление. Каждый раз, когда между транспортом «Европа» и крейсером «Африка» проходил крейсер «Лейтенант Ильин», передача прерывалась. Приемная станция не слышала работы передатчика. Перерыв продолжался до тех пор, пока суда не сходили с одной линии. Крейсер «Лейтенант Ильин» заслонял собой передатчик. Он как бы «бросал тень» на приемную радиостанцию, и она переставала принимать донесения.

В своем отчете об опытах А. С. Попов правильно оценил огромное значение сделанного им открытия. Он предвидел, что оно со временем может стать необычайно полезным: «применение источников электромагнитных волн на маяках в добавление к световому или звуковому сигналам может сделать видимыми маяки в тумане и в бурную погоду… Направление маяка может быть приблизительно определено, пользуясь свойством мачт, снастей задерживать электромагнитную волну, так сказать, затенять ее».

А. С. Попов начал изучать замеченное явление. Два года спустя, на лекции для минных офицеров в Кронштадте, Попов показывал опыты, поясняющие, как отражаются электромагнитные колебания от металлических зеркал.

Преждевременная смерть прервала важные исследования ученого. Открытие радиотени и отражения электромагнитных волн от металлических предметов – радиоэхо – было на время забыто.

Явления «радиотени» и «радиоэха» были исследованы только в советское время академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Они выяснили, как распространяются радиоволны различной длины, нашли законы, по которым эти волны огибают препятствия и кривизну земной поверхности, в каких случаях они отражаются, а в каких поглощаются (рис. 93).

Рис. 93. Распространение длинных, коротких и ультракоротких сантиметровых волн. Ультракороткие волны распространяются по прямой линии, как свет.

Свет огибает те препятствия, размеры которых значительно меньше длины световой волны. Так же ведут себя и радиоволны. Но если свет «не замечает» препятствий в доли микрона, радиоволны легко огибают предметы в десятки метров, – ведь длина волны широковещательной станции измеряется сотнями метров. Поэтому трудно говорить о сходстве распространения длинных волн и света.

Но чем короче радиоволны, чем больше они похожи на световые. Метровые волны дают отчетливую тень от предмета в несколько метров величины, а параболическое зеркало диаметром в 10–12 метров сможет направить их узким, малорасходящимся пучком, похожим на луч прожектора. Чем короче радиоволны, тем легче их направлять в нужную сторону, и тем более мелкие предметы можно ими нащупывать, улавливая волны, отраженные или рассеянные этими предметами.

Основываясь на трудах Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, а также на своих исследованиях, член-корреспондент Академии наук СССР Д. А. Рожанский и профессор Ю. Б. Кобзарев в 1932 году создали проект первого советского радиодальномера. Впоследствии радиодальномер усовершенствовали – появилась радиолокационная станция, определявшая местонахождение цели, то есть направление на цель и расстояние до нее.

Сигнал возвращается назад

Недавно ученые повторили старинный опыт с летучими мышами. В большом и темном сарае натянули множество веревок и проволок. Затем поймали несколько летучих мышей, но им не стали делать каких-либо операций, не выкалывали глаза, не отрезали уши, а просто залепили мастикой рты и отпустили.

Мыши летать на смогли. Они ударялись о натянутые в сарае веревки, потому что перестали их «видеть».

Оказалось, что мышь в полете издает неслышимые человеческим ухом звуки, так называемые ультразвуки. Человеческое ухо в состоянии слышать звуки, имеющие от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Самые низкие звуки, какие только доступны нам, это гудение толстой струны контрабаса. Самый высокий слышимый звук – скрип стеклом по стеклу.

Летучая мышь издает в полете писк, недоступный для нашего уха, имеющий частоту 45 тысяч колебаний в секунду. Она посылает звуки короткими отрывистыми сигналами.

При взлете мышь попискивает 16 раз в секунду. В полете частота ее сигналов увеличивается до 30, а в трудных условиях полета среди натянутых веревок она попискивает 60 раз в секунду.

Рот у летучей мыши устроен рупором. Он направляет звук только вперед. Большие уши служат мышам приемником, которым они улавливают эхо своего писка, отраженного от стен и других препятствий. Звук распространяется в воздухе со скоростью 340 метров в секунду. Мышь летает со скоростью до 20 метров в секунду. Значит, она успевает послать сигнал и получить его отражение – эхо. В этом – секрет уверенного полета мыши. Мышь летит только туда, откуда нет эха, где нет никаких препятствий. Поэтому летучую мышь не обманывает прозрачное стекло, – она слышит эхо от стекла и не летит на него. Летучие мыши – живые локаторы. Мыши пользуются короткими звуковыми волнами, а в радиолокаторах используются очень короткие радиоволны.

Рис. 94. Летучая мышь.

Антенна коротковолновой радиолокационной станции имеет форму вогнутого прожекторного зеркала. Для уменьшения веса ее делают не из сплошных металлических листов, а решетчатой или сетчатой. Такая антенна посылает радиоволны не во все стороны, как широковещательная радиостанция, а узким лучом, подобно прожектеру.

Направление радиолуча можно изменять по желанию: поворачивать антенну, подымать ее или наклонять в любую сторону, как прожектор.

Если поток радиоволн не встретит на своем пути препятствий, то он уходит в межпланетное пространство. Если же встретится какой-либо предмет– корабль, самолет, скала, айсберг, здание, – радиолуч отразится от него и пойдет обратно. Этот отраженный радиосигнал улавливает приемник. Время, которое потратил сигнал на путешествие до цели и обратно, можно точно измерить.

Следовательно, направление на цель с помощью радиолокатора определяется довольно легко. Цель, например самолет или корабль, находится там, откуда вернулось эхо. Указателем направления служит антенна – она «смотрит» на цель. Если цель движущаяся, то. наблюдатель, поворачивая антенну или изменяя ее наклон, может неотступно следить за целью, как следят за самолетом прожектористы, когда его удается «поймать» лучом прожектора.

Современные радиолокационные станции указывают направление цели с точностью в несколько сотых долей градуса. Когда цель расположена примерно в 15 километрах от прибора, то ошибка по вине локаторов составит всего лишь около 10 метров.

Радиолокатор, как и летучая мышь в полете, посылает свои сигналы отдельными, отрывистыми импульсами. Длительность каждого импульса составляет несколько миллионных долей секунды. Передатчик обязан прерывать работу, чтобы приемник в паузах мог улавливать эхо, вернувшееся от цели. «Рот» должен молчать, когда «уши» слушают.

В первых радиолокаторах «рот» и «уши» помещались вдали друг от друга. Но так как передатчик и приемник все равно не могут работать одновременно, то такое разделение оказалось бесполезным, и приборы объединили. Антенна радиолокатора поочередно обслуживает то передатчик, то приемник.

Иногда антенну радиолокатора связывают с мощным световым прожектором; он зажигается по сигналу радиолокатора и направляет свой мощный световой поток прямо на неприятельский самолет, делая его видимым на фоне темного ночного неба.

Измерив время, потраченное сигналом на путешествие до цели и обратно, наблюдатель определяет расстояние до нее. Вычисления несложны: одна десятимиллионная доля секунды соответствует 15 метрам (за это время сигнал проходит 30 метров – 15 метров туда и 15 метров обратно).

Главная трудность заключается не в вычислениях, а именно в измерении необычно малых промежутков времени – миллионных и десятимиллионных долей секунды.

Измерение расстояний

Никакие часы, – ни астрономические с маятником, ни кварцевые эталоны частоты, не в состоянии здесь помочь. Задача осталась бы нерешенной, если бы не существовало электроннолучевой трубки.

Этот замечательный прибор стал в радиолокаторах счетчиком мельчайших долей секунды и одновременно вычислителем расстояний.

Известно, что вертикальные пластины в электроннолучевой трубке заставляют электронный пучок перемещаться в горизонтальном направлении. К этим пластинам в радиолокаторе присоединено пульсирующее напряжение. Оно постепенно и равномерно нарастает, а затем резко, мгновенно обрывается, – падает до нуля.

Под воздействием вертикальных пластин электронный луч очень быстро пробегает от левого края экрана до его правого края. Там он гаснет и в тот же миг снова начинает свой путь слева направо. Глаз видит на экране ровную горизонтальную линию.

Вторая пара пластин в электроннолучевой трубке управляет движением луча в вертикальном направлении. К этим пластинам присоединена антенна радиолокатора. Как только передатчик пошлет в антенну очередной импульс, на пластинах появляются мгновенные электрические заряды, и электронный луч отклоняется – подскакивает вверх. Глаз видит на горизонтальной светящейся линии, у ее левого конца, словно всплеск, – остроконечный зубец.

Спустя некоторое время антенна уловит радиоэхо, отраженное препятствием. В антенне снова возникнут электромагнитные колебания, и на управляющих пластинах опять появятся мгновенные электрические заряды.

Электронный луч вторично отклонится, а на горизонтальной линии образуется еще один всплеск – второй остроконечный зубец.

Так как сигналы быстро следуют друг за другом, а свечение экрана исчезает не сразу, то оба зубца – и от отправленного сигнала и от пойманного радиоэха – бывают видны на экране одновременно. Один – у левого конца горизонтальной линии, другой – правее его. Расстояние между зубцами соответствует времени, которое затратил сигнал на полет до цели и обратно. Если расстояние до цели увеличивается, зубцы расходятся. При приближении предмета – они сближаются.

Под горизонтальной линией на экране локатора нанесена шкала расстояний.

Глядя на шкалу и на всплески электронного луча, наблюдатель сразу отсчитывает расстояние до цели.

На рисунке изображен светящийся экран радиолокатора, имеющего дальность действия до 300 километров. Всплеск, получившийся от радиоэха, показывает, что до цели 140 километров (рис. 95).

Рис. 95. Экран радиолокатора.

Группа ученых, работавших под руководством профессора Ю. Б. Кобзарева, за создание радиолокационной аппаратуры была удостоена Сталинской премии первой степени.