Текст книги "Страницы истории науки и техники"

Автор книги: Владимир Кириллин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 32 (всего у книги 34 страниц)

Будем считать, что в 2000 г. человечество израсходует только органического топлива 20 млрд, т у.т. Мы, вероятно, скорее завысили, нем занизили, эту цифру. Считая эту цифру стабильной на последующий за 2000 г. период, получим, что человечеству хватит органического топлива на

5·10¹²/20·10⁹ = 250 лет.

Конечно, по многим причинам, и прежде всего потому, что очень трудно (и, скорее всего, невозможно) представить себе, как будет выглядеть техника после 2000 г. (вспомним, что в 1940 г. никто не представлял себе возможности освобождения и использования ядерной энергии, создания ЭВМ с огромным быстродействием или создания и использования лазерного луча), приведенные расчеты являются сугубо ориентировочными.

Коротко о ресурсах ядерного топлива. Поскольку торий не нашел пока практического применения в ядерной энергетике, мы будем говорить только о ресурсах урана, хотя многие специалисты считают, что тория на Земле гораздо больше.

Уран широко распространен на Земле. Но концентрация, в которой он встречается в граните и других породах, а также в морской воде, очень невелика. Чем меньше содержание добываемою вещества в руде, тем, конечно, дороже получать это вещество. Поэтому, рассматривая вопрос о ресурсах урана, обычно выбирают допустимую цену за 1 кг природного металлического урана, имеющего обычный состав ²³⁵U 0,7 % и ²³⁸U 99,3 %. Расчеты (также, конечно, весьма ориентировочные) показывают: если используются АЭС с реакторами на тепловых нейтронах, то по энергетическому эквиваленту запасы приемлемого по затратам на добычу урана приблизительно равны запасам всех видов органического топлива, вместе взятых. Если же используются реакторы на быстрых нейтронах, то запасы урана можно считать практически неограниченными.

Так обстоит дело с перспективными извлекаемыми органическими и ядерными энергетическими ресурсами.

Однако экономия энергоресурсов и электрической энергии является вопросом первостепенной важности. Следует помнить, что двигатели морских и речных судов, автомобилей, тепловозов и самолетов пока что не могут обойтись без жидкого моторного топлива (бензина, керосина, дизельного и газотурбинного топлива), которое является продуктом переработки нефти. Меры по экономии топлива в первую очередь относятся к природному газу и особенно нефти. За последнее время все более близким к экономически приемлемому решению как будто бы становится вопрос получения жидких моторных топлив из угля.

Об энергетике, ее сегодняшнем дне и дне завтрашнем, можно было бы сказать еще очень много, в частности о линиях электропередачи на переменном и постоянном токе, о вопросах экологии, связанных с энергетикой, об использовании восполняемых источников энергии, к которым, кроме энергии рек, относятся солнечная и геотермальная энергия, энергия ветра, морских волн и морских приливов. Можно было бы также рассказать о новых методах преобразования энергии, в частности о магнитогидродинамическом методе (МГД-методе), который, можно предполагать, уже до 2000 г. получит относительно широкое распространение. Но обо всем в этой книге рассказать нет возможности. В заключение раздела мы только кратко остановимся на управляемой термоядерной реакции и создании термоядерного реактора.

Принцип действия термоядерного реактора, над созданием которого работают физики многих стран мира, имеет кое-что общее с принципом действия обычного атомного реактора. В обоих случаях основой являются ядерные реакции, обладающие огромным энерговыделением. 1 кг исходного для термоядерной реакции вещества энергетически эквивалентен 10 тыс. т у. т. Или: 1 г этого вещества энергетически эквивалентен 10 т у. т. Таким образом, энерговыделение в термоядерной реакции, отнесенное к единице массы исходного вещества, примерно в 3,5 раза больше по сравнению с ядерной реакцией деления ²³⁵U.

Отличие заключается в том; что термоядерная реакция есть реакция соединения (синтеза) ядер, а не их деления. Реакции деления ядер, сопровождаемые огромным энерговыделением, свойственны тяжелым элементам, обладающим большой атомной массой. Ядерные же реакции с большим выделением энергии, участниками которых являются легкие элементы с малой атомной массой, – это реакции синтеза ядер.

В реакции деления ядер делящееся вещество (уран, плутоний) является, как часто говорят физики, мишенью. Активная же роль принадлежит нейтронам – инициаторам ядерной реакции. В реакции синтеза ядер дело обстоит иначе. Ядерная реакция этого типа может осуществляться только в том случае, когда ядра атомов окажутся достаточно близко друг от друга, на расстоянии около одной миллиардной доли микрометра.

Сближению ядер атомов противостоят электростатические силы отталкивания (ядра атомов имеют одинаковый положительный заряд), и, чтобы оно произошло, необходимо, чтобы взаимодействующие частицы обладали большой кинетической энергией. Другими словами, вещество должно иметь в отличие от реакции деления ядер очень высокую температуру, измеряемую многими десятками миллионов градусов. Именно по этой причине реакция синтеза ядер названа термоядерной. При такой высокой температуре вещество пребывает в так называемом плазменном состоянии. Плазма отличается от обычного газа тем, что ее составляют не молекулы и атомы, а ядра и оторванные от них свободные электроны.

Заметим, что в настоящее время большое внимание уделяется исследованиям низкотемпературной плазмы – смеси нейтральных атомов, свободных электронов и ионов, образовавшейся из атомов, потерявших один, редко два электрона. Температура такой плазмы составляет несколько тысяч или десятков тысяч градусов.

Низкотемпературная плазма может возникнуть в электрических дугах, газоразрядных источниках света или просто при нагревании газа до достаточно высокой температуры. Она находит все более широкое применение для различных технологических целей (плазменная резка металлов, сварка и др.), а также в качестве рабочего тела в установках прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Для термоядерного реактора требуется, конечно, высокотемпературная плазма.

Напомним, что водород имеет три изотопа: протий (Н) – обычный водород, ядром атома которого является протон; дейтерий – (D) – более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из протона и нейтрона; тритий (T) – еще более тяжелый водород, его атомное ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Атомные массы трех названных изотопов водорода соответственно: 1, 2, 3.

По современным представлениям, как уже говорилось выше, источником энергии звезд, в том числе нашего Солнца, служит термоядерная реакция, в результате которой водород превращается в гелий и выделяется огромное количество энергии. Такая реакция протекает в недрах звезд, но осуществить ее в земных условиях, по-видимому, невозможно. Значительно проще, оказывается, осуществить реакцию между ядрами дейтерия и трития. При этом образуются ядра гелия, нейтроны, а также происходит огромное энерговыделение.

Возможность осуществления в земных условиях термоядерной реакции, исходными веществами для которой служат тяжелые изотопы водорода – дейтерий и тритий, доказана. Именно такая реакция протекает в термоядерной (водородной) бомбе, где она носит характер неуправляемого кратковременного мощного взрыва, результатом которого является разрушение. Для того чтобы использовать термоядерную реакцию в мирных целях, нужно научиться ее регулировать.

Следует заметить, что тяжелый изотоп водорода – тритий – вещество радиоактивное, период его полураспада небольшой, около 12 лет. Поэтому тритий на Земле практически не встречается. Но это не создает безвыходного положения. Вспомним, что плутония (²³⁹Pu) тоже не было на Земле. Однако теперь ²³⁹Pu является одним из самых распространенных ядерных топлив для атомных реакторов. Оказывается, тритий можно получить из щелочного металла лития (Li) путем бомбардировки его атомных ядер быстрыми нейтронами, образующимися, в частности, в термоядерной реакции слияния ядер D и Т. Можно даже вместо трития помещать в термоядерный реактор «тритиевое сырье» – литий. В процессе работы реактора тритий в нужном количестве будет производиться из лития.

Что касается ресурса ядерного топлива для термоядерной дейтерий-тритиевой реакции (или, как иногда ее именуют, D + Т-реакции), то в конце концов дело сводится к запасам лития. Действительно, ресурс дейтерия на Земле очень велик. Запасы дейтерия, содержащегося в воде морей и океанов (а получение дейтерия из воды рассматривается как дело несложное и экономически вполне оправданное), по энергетическому эквиваленту во много миллионов раз превышают ресурсы всех видов органического топлива, вместе взятых.

В отношении лития – даже с учетом того, что для получения трития «в дело идет» только изотоп лития (⁶Li), содержащийся в природном литии в количестве 7,4 %,– можно сказать, что его запасы достаточно велики. Они принимаются специалистами равными по энергетическому эквиваленту запасам урана на Земле.

Если удастся использовать термоядерную D + D-реакцию (а не D + Т-реакцию), то энергетический ресурс можно рассматривать как практически неограниченный.

Есть несколько различных предложений о способе практического осуществления управляемой термоядерной D + Т-реакции. Мы остановимся лишь на одном из них.

В Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова под руководством Л. А. Арцимовича были разработаны установки типа токамак. Название «токамак» произошло от сокращения слов «тороидальная камера с магнитным полем». Создателям этих установок пришлось решать очень трудные задачи. Прежде всего нужно разогреть дейтерий-тритиевую плазму до температуры порядка 100 млн. градусов и достаточно длительно удерживать ее в этом состоянии.

В установке токамак нагревание плазмы до столь высокой температуры достигается за счет протекания через плазму электрического тока очень большой силы – порядка сотен тысяч ампер. Этот огромный ток возбуждается внешним индуктором. Вследствие электрического сопротивления плазмы образуется «джоулево» тепло, за счет которого происходит нагрев плазмы.

Еще более сложной задачей является сохранение (удержание) плазмы. Не может быть и речи, конечно, о соприкосновении плазмы со стенкой – на свете нет такого материала, который остался бы цел (не испарился бы) после такого соприкосновения. В токамаках удержание плазмы производится с помощью магнитного поля. Решающим является то, что плазму составляют частицы, имеющие электрический заряд, – ядра атомов и электроны, на которые можно воздействовать магнитным полем.

Высокотемпературная плазма в токамаке помещается в сосуде, который имеет форму кольца, схож с баранкой или спасательным кругом. Такое геометрическое тело называется тором. С помощью магнитной системы, размещенной вне тора, создается сильное магнитное поле, интенсивность которого возрастает по мере удаления от оси кольцевого канала тора. Плазма отжимается магнитным полем к оси канала тора. Именно в этом и заключается простая, но всегда восхищающая тех, кто с ней знакомится, идея токамака.

Для того чтобы термоядерная реакция могла протекать с большим выделением энергии, требуется еще иметь необходимую концентрацию ядер дейтерия и трития в единице объема (иначе говоря, плотность плазмы), а также достаточное время удержания плазмы. Эти две величины взаимосвязаны: чем выше концентрация ядер атомов, тем меньше необходимое время удержания и наоборот. Численно эта зависимость выражается критерием Лоусона: для каждой термоядерной реакции и температуры плазмы имеется минимально необходимое значение произведения концентрации ядер и времени удержания плазмы. Для D + Т-реакции и температуры 100 млн. градусов критерий Лоусона равен 3·10¹⁴. Это значит, что при концентрации ядер атомов, равной 10¹⁴ 1/см³, время удержания плазмы должно быть во всяком случае не меньше секунды.

Как же обстоит дело в настоящее время с достижением необходимых значений температуры плазмы, концентрации ядер атомов и времени удержания?

Необходимая для D + Т-реакции температура пока еще не достигнута. Удалось, правда, подойти к ней довольно близко. Возможно, для достижения требуемой температуры окажется целесообразным впрыскивать в плазму разогнанные в ускорителе элементарные частицы высокой энергии.

В соответствии с критерием Лоусона для D+Т-реакции при уже достигнутой плотности плазмы 10¹⁴ 1/см³ и еще не достигнутой температуре 100 млн. градусов нужно время удержания более секунды. Пока еще оно менее десятой доли секунды.

Получение необходимой температуры и времени удержания плазмы в большой мере зависит от размеров реактора. Снова приходится сталкиваться с геометрическим фактором: отношением поверхности объекта к его объему. Оказывается, из камеры токамака, в которой заключена плазма, несмотря на магнитное поле, все-таки происходит утечка частиц (относительная, выраженная, например, в процентах) так же, как утечка нейтронов из активной зоны атомного реактора; она становится тем меньше, чем больше объем камеры токамака, т. е. чем меньше отношение величины поверхности камеры к ее объему. Этот вывод проверен практикой.

Следовательно, способ увеличения времени удержания и температуры плазмы токамака найден – это увеличение размеров установки. Можно предполагать, что трудные задачи – повышение температуры и плотности плазмы – будут решены.

По-видимому, первыми войдут в практику гибридные ядерно-термоядерные реакторы. Примерно 80 % энергии, образующейся в результате термоядерной реакции, приходится на долю рождающихся в реакции нейтронов, а 20 % – на долю ядер атомов гелия (а-частиц), также рождающихся в результате слияния ядер дейтерия и трития. Нейтроны, не имеющие электрического заряда, а потому не подвергающиеся действию электромагнитного поля, свободно выходят из плазмы и попадают в окружающую камеру оболочку, именуемую бланкетом (от англ, blanket – одеяло).

В гибридном ядерно-термоядерном реакторе бланкет должен содержать исходное ядерное топливо («атомное сырье»)– ²³⁸U или ²³²Th. Под действием очень быстрых нейтронов, образующихся при термоядерной реакции, оно преобразуется в ²³⁹Pu или в ²³³U, атомные ядра которых обладают свойством самопроизвольного деления. В бланкете также должны быть каналы с циркулирующим по ним теплоносителем, которому передается тепло, образующееся за счет поглощения быстрых нейтронов и в результате деления ядер ²³⁹Pu или ²³³U. Тепло, воспринимаемое теплоносителем, используется, например в паросиловой установке, для производства электрической энергии.

Таким образом, в гибридном ядерно-термоядерном реакторе термоядерная D+T-реакция используется как источник нейтронов, а сам реактор «исполняет обязанности» атомного реактора па быстрых нейтронах (реактора-размножителя). Другими словами, с помощью гибридного реактора будет производиться электроэнергия и осуществляться выработка ядерного топлива – ²³⁹Pu или ²³³U. По мнению специалистов, к параметрам термоядерной реакции, используемой в гибридном реакторе, предъявляются «льготные» требования.

Использование управляемой термоядерной реакции в энергетике – дело очень важное, нужное для экономики. Но задача до сих пор остается до конца не решенной. Работа в этом направлении продолжается.

В Советском Союзе, учитывая особую значимость развития топливно-энергетического комплекса для всего народного хозяйства, разработана Энергетическая программа СССР на длительную перспективу. В этой программе нашли отражение все важнейшие, стратегические направления топливно-энергетического комплекса: улучшение структуры энергетического баланса страны, снижение в нем доли нефти, используемой в качестве печного топлива, и замена ее газом и углем, ускоренное развитие атомной энергетики, в том числе реакторов на быстрых нейтронах, продолжение поиска принципиально новых источников энергии, включая создание основ термоядерной энергетики.

Энергетическая программа СССР на длительную перспективу является как бы ленинским планом ГОЭЛРО, разработанным в новых условиях, при несравненно более высоком развитии народного хозяйства страны.

Радиоэлектроника. Лазеры. Эвм

Слово радиоэлектроника, которое столь часто можно видеть на страницах книг, журналов и газет, слышать в лекциях, докладах и выступлениях, носит собирательный характер. Оно включает все то, что связано с теми областями науки и техники, которые имеют отношение к передаче и преобразованию информации, основанной на использовании радиоволн, т. е. электромагнитных волн, имеющих длину больше 5·10^-3 см. Обычно радиоволны в зависимости от длины волны разделяют на пять диапазонов: сверхдлинные (длина волны γ>10 км); длинные (γ= 10 – 1 км); средние (γ = 1000 —100 м); короткие (γ = 100 – 10 м); ультракороткие волны, УКВ (γ <10 м).

УКВ, в свою очередь, подразделяются на диапазоны: метровый, дециметровый, сантиметровый, миллиметровый и субмиллиметровый.

Напомним, что световые волны имеют длину γ = 5·10^-2– 10^-7 см, в том числе волны видимого света γ = 8·10^-5 – 4·10^-5 см. Какой узкой щелкой является видимый свет по сравнению с диапазоном радиоволн!

Само слово радио появилось от латинского radio, что означает «испускаю лучи». Обычно под словом радио теперь понимается способ передачи информации посредством радиоволн (беспроволочный), а также область науки и техники, лежащая в основе этого способа и объясняющая его.

Современный мир трудно представить себе без радио. Радиотелеграфная связь и широко развившееся радиовещание, осуществляемое на ультракоротких, коротких, средних и длинных радиоволнах; также широко развившееся, особенно во второй половине XX в., телевидение с его поистине неисчерпаемыми возможностями; использование телевизионной аппаратуры в местах, трудно доступных или вовсе не доступных человеку (в космосе, на больших земных глубинах, в зонах повышенной радиации и во многих других случаях); появление и развитие радиолокации, позволяющей находить и распознавать искомые объекты путем фиксации отраженных радиосигналов; радионавигация, в которой используются как пассивные (прием на борту, например, корабля или самолета, сигналов наземных радиостанций), так и активные методы (когда на борту имеются радиолокационные установки); широкое применение радиотехники в космических исследованиях, в автоматическом управлении оборудованием и электронных вычислительных машинах (ЭВМ) – вот далеко не полный перечень использования радиометодов.

Выдающийся русский физик и инженер-электротехник Александр Степанович Попов (1859–1906) – изобретатель электрической, беспроволочной связи (радиосвязи) – в 1895 г., 25 апреля (7 мая), впервые в мире на заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал сделанный им радиоприемник.

Приблизительно годом позже итальянский электротехник и предприниматель Гулъельмо Маркони, пользуясь аппаратурой, близкой к аппаратуре Попова, проделал опыт по использованию радиоволн для беспроволочной связи.

Слово электроника, появившееся на свет в XX в., означает также определенную (ныне чрезвычайно важную) область науки и техники. Если говорить о науке, то это вопросы взаимодействия электронов с электромагнитным полем. Что касается техники, то это создание электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных и полупроводниковых), используемых главным образом для передачи, обработки и хранения информации.

Первый период развития электроники, закончившийся в основном в пятидесятых годах XX в., характерен широким применением электровакуумных приборов – электронных ламп, в которых создается движущийся в вакууме поток электронов, отбираемых от катода, и производится с помощью создаваемого электродами электрического поля управление этим потоком. Электронные лампы представляют собой вакуумированные колбы, в центре которых находится источник электронов – катод (обычно вольфрамовая нить накала). Лампы могут иметь различное число электродов: два (диод), три (триод), четыре (тетрод), пять (пентод) и т. д. Электронные лампы нашли очень широкое применение, главным образом в радиоаппаратуре и в ЭВМ первого поколения. В их функции входило: выпрямление переменного тока, преобразование энергии источника тока в энергию электромагнитных колебаний.

Второй период развития электроники, начало которому было положено в пятидесятых годах XX в., определяется переходом (прежде всего в радиоаппаратуре и в ЭВМ теперь уже второго поколения) от электровакуумных приборов (электронных ламп) к полупроводниковым приборам.

Полупроводниками называются такие вещества, электрическая проводимость[359]359
  Электрическая проводимость вещества (способность проводить электрический ток) – величина, обратная электрическому сопротивлению.


[Закрыть] которых имеет среднюю величину между электропроводностью металлов и диэлектриков. Важным свойством полупроводников является их способность очень сильно изменять свою проводимость при изменении температуры (при повышении температуры их проводимость резко возрастает), а также в результате изменения освещенности, воздействия электрического поля, потоков быстрых частиц и некоторых других внешних воздействий.

В качестве полупроводников используются главным образом монокристаллы германия и кремния, а также химические соединения некоторых других элементов. Важно отметить, что полупроводники очень чувствительны к загрязнению, т. е. к присутствию в полупроводниковом веществе других, посторонних веществ, даже в самом ничтожном количестве, а также к дефектам кристаллической решетки. Поэтому изготовление полупроводников – дело тонкое и трудное.

Носителями тока в полупроводнике являются электроны проводимости т. е. электроны, способные перемещаться по кристаллу, и так называемые дырки – положительно заряженные носители тока в полупроводнике, или, как их называют в физике, электронные вакансии в кристалле полупроводника, обладающие подвижностью. Не так просто популярно объяснить, что представляют собой положительно заряженные носители тока, названные дырками. Мы воспользуемся для этого словами известного советского ученого А. И. Китайгородского из его научно-популярной книги «Электроны»[360]360
  Китайгородский Л. И. Электроны. М., 1982, с. 76.


[Закрыть]. «Представьте себе строй физкультурников. Один человек вышел по каким-то причинам из строя. Осталось свободное место. Хотя это звучит не очень эстетично, скажем так: образовалась дырка. Для того чтобы выровнять строй, дана команда соседу „дырки“ передвинуться на свободное место. Но тогда, как совершенно ясно, образуется новое пустое место. И его можно заполнить, приказав следующему человеку занять место „дырки“. Если физкультурники будут перемещаться справа налево, то „дырка“ будет перемещаться слева направо. Вот эта схема и объясняет позитивную проводимость полупроводников».

В идеальных кристаллах электроны проводимости и дырки появляются всегда парами, в результате чего концентрации обоих типов носителей проводимости равны. В реальных кристаллах с присущими им примесями других веществ и дефектами структуры равенство обоих типов носителей тока нарушается, и в этом случае проводимость осуществляется только одним носителем тока – отрицательным (электроны проводимости) или положительным (дырки).

Третий период развития электроники, начало которому было положено в первой четверти 60-х годов, именуется периодом микроэлектроники или интегральной микроэлектроники.

Новым в этом случае является создание таких крошечных электронных элементов, что на первый взгляд это кажется фантастикой: посудите сами – до 10 тыс. в 1 см³ полупроводникового кристалла.

Создание интегральных микроэлектронных приборов является еще более тонким и трудным делом, чем производство обычных электронных приборов. Для их производства пришлось отказаться от существовавшей ранее технологии изготовления электронных приборов, заключавшейся в сборке отдельных их элементов – транзисторов, сопротивлений и др., соединяемых между собой проводниками, и перейти к конструированию электронного прибора непосредственно внутри (и на поверхности) полупроводникового кристалла. Эта более чем ювелирная работа производится путем внесения в нужные места кристалла (который должен быть превращен в интегральный, полупроводниковый, электронный прибор, могущий состоять из тысяч электронных элементов) примеси с отрицательными или положительными носителями тока. Иными словами, надо реконструировать полупроводниковый кристалл и превратить его в электронный (микроэлектронный) прибор.

Эта сложная работа, на сколько-нибудь подробном описании которой мы не можем останавливаться, была выполнена. Результатом явились различные микроминиатюризованные изделия высокого качества.

Нам предстоит теперь перейти к изложению принципа действия квантовых усилителей и генераторов (в число которых входят оптические квантовые генераторы – лазеры) – предмету, о котором особенно трудно рассказать в популярной форме.

Создание квантовых усилителей и генераторов явилось крупным научно-техническим событием, имевшим большое значение для развития электроники. В основе принципа действия этих приборов лежит особый тип взаимодействия излучения с веществом, открытый Эйнштейном еще в 1917 г., – вынужденное испускание (рис. 54).

Рис. 54. Схематическое изображение трех типов взаимодействия излучения с веществом

Слева – состояние системы до элементарного анта, справа – после. Поглощение ослабляет поток фотонов, вынужденное испускание – усиливает.

Рассмотрим атом, внешний электрон которого может двигаться по разным орбитам, обладая соответственно энергией Е₁, Е₂, Е₃ и т. д. (см. рис. 54). Пусть сквозь такой атом пролетает фотон с энергией ε = hv = Е₂ – Е₁. Если атом находится в состоянии с энергией Е₁ то он может поглотить такой фотон и перейти в состояние Е₂ (возбудится); электрон перейдет при этом на более удаленную от ядра орбиту 2. Произойдет акт поглощения. При этом в потоке фотонов станет на один фотон меньше.

Возбужденный атом может испустить фотон и перейти при этом в состояние с энергией Е₁ Электрон атома перейдет на орбиту 1. Произойдет акт спонтанного (самопроизвольного) испускания. Это второй тип взаимодействия излучения с веществом.

Третий тип взаимодействия излучения с веществом сводится к следующему. Атом возбужден и находится в состоянии с энергией Е₂. Летят фотоны с энергией hv = Е₂  – Е₁ Оказывается, пролетающий фотон может стимулировать переход 2 → 1. Испущенный при этом атомом фотон по всем параметрам (частота, направление движения и др.) идентичен фотону, который стимулировал переход. Это и есть вынужденное испускание. Поток фотонов при этом усиливается.

Число актов поглощения, ослабляющих поток фотонов, пропорционально концентрации атомов в состоянии 1 (n₁,). Число актов вынужденного испускания, усиливающих поток фотонов, пропорционально концентрации атомов в состоянии 2 (n₂). Ясно, что если n₂ > n₁, то усиление потока фотонов будет преобладать над его ослаблением. Интенсивность потока фотонов по мере движения в такой среде будет возрастать. Это и есть принцип действия квантового усилителя.

Среды, у которых атомов в состоянии Е₂ больше, чем в состоянии Е₁ (среды с «инверсной заселенностью»), могут быть созданы различными способами: воздействием внешнего излучения, посредством химических реакций и др. Инверсная заселенность может быть создана в газообразных, жидких и твердых телах, а также в низкотемпературной плазме.

Рис. 55 поясняет принцип действия квантового усилителя. Здесь же показана схема квантового генератора. В последнем случае нет внешнего потока фотонов, который (как в квантовом усилителе) усиливается при прохождении среды с инверсной заселенностью. У квантового генератора в торцах трубки, в которой создается инверсная заселенность, устанавливаются два зеркала: обычное (А) – у одного торца и полупрозрачное (Б) – у другого. Поток фотонов движется вдоль оси трубки. Попадая на полупрозрачное зеркало, фотоны частично проходят сквозь него. Остальные фотоны отражаются и летят в противоположном направлении (на рис. 55 справа налево), затем отражаются от левого зеркала (теперь уже все) и вновь достигают полупрозрачного зеркала. При этом поток фотонов в результате каждого прохождения среды с инверсной заселенностью многократно усиливается. Разумеется, квантовые усилители и генераторы непрерывного действия требуют постоянного восстановления инверсной заселенности (часто называемой накачкой или подпиткой).

Рис 55. Схема квантового усилителя (а) и квантового генератора (б).

Чрезвычайно важным свойством квантовых усилителей и генераторов является почти полное отсутствие угловой расходимости потока фотонов, выходящих из прибора. Поэтому интенсивность потока (количество энергии, проходящей в секунду через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно лучу) почти не изменяется с пройденным расстоянием[361]361
  Напомним, что у прожектора вследствие значительной угловой расходимости луча интенсивность светового пучка обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния.


[Закрыть]. Это связано с отмеченной выше идентичностью фотонов, стимулирующих акт вынужденного излучения, и фотонов, родившихся в результате этого акта.

Квантовые усилители и генераторы (особенно квантовый генератор оптического диапазона волн – лазер[362]362
  Название лазер возникло как сочетание первых букв английского определения «Light Amplification by Simulated Emission of Radiation» (усиление света в результате вынужденного излучения).


[Закрыть]) получили широкое практическое использование.

Лазеры получили широкое применение в технике (в обработке металлов, в частности в их сварке, резке, сверлении), в медицине (в хирургии, офтальмологии), в различных научных исследованиях. Перечисленное применение лазеров является, несомненно, только началом. Известные советские ученые Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров являются одними из основоположников теории и создания квантовых генераторов.

Создание квантовых генераторов стало началом развития нового направления электроники – квантовой электроники – науки, которая занимается теорией и техникой различных устройств, действие которых основано на вынужденном излучении и на нелинейном взаимодействии излучения с веществом. К числу таких устройств, кроме квантовых генераторов (в том числе лазеров), относятся усилители и преобразователи частоты электромагнитного излучения, а также квантовые усилители СВЧ (сверхвысокой частоты), квантовые магнитометры и стандарты частоты, лазерные гироскопы (лазерные приборы, свойство которых – неизменное сохранение оси вращения в пространстве – позволяет использовать их для управления самолетами, ракетами, морскими судами и т. д.) и некоторые другие.

Электронные приборы и устройства нашли широкое применение, стали незаменимыми в аппаратуре связи, автоматике, измерительной технике, электронных вычислительных машинах и во многих других очень важных областях.

Радиоэлектроника, широко вошедшая в производство, науку, быт людей, является одним из самых главных направлений технического прогресса, мощным средством повышения производительности труда.