История лазера. Научное издание
Шрифт:
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
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.
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
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 Рнститута Карнеги для измерения высоты ионосферы. Ртак, 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.