Превращения гиперболоида инженера Гарина

Радунская Ирина Львовна

Блумберхен не ограничился простым предложением метода. Он провел дополнительные расчеты, которые показали, что этот метод в диапазоне сверхвысоких частот в обычных условиях практически неприменим. Дело в том, что энергетические уровни, переходы между которыми соответствуют квантам электромагнитного поля этого диапазона частот, расположены слишком близко между собой. Это значит, что населенности их различаются очень и очень слабо и получаемая здесь инверсия будет крайне малой, совершенно недостаточной для работы усилителя. Этот вывод мог бы обескуражить любого. Но Блумберхен был опытным физиком и сумел найти в своих формулах путь к достижению цели.

Формулы

показывали, что для создания усилителя придется вести работу при сверхнизких температурах в непосредственной близости абсолютного нуля. Блумберхен говорит о температуре в 2 градуса выше абсолютного нуля, указывая, что при этой температуре жидкий гелий становится сверхтекучим и поэтому в нем не образуются пузырьки, которые могли бы помешать работе усилителя (вот до каких деталей продумана эта статья!). Охлаждать рабочее вещество нужно было и для того, чтобы спектральные линии в рекомендуемых Блумберхеном кристаллах не были чрезмерно широкими.

В заключение своей замечательной работы Блумберхен предсказывает, что усилитель, построенный в соответствии с его расчетами, будет чрезвычайно чувствительным. Из возможных применений нового усилителя Блумберхен указывает радиоастрономию, в частности, наблюдение излучения межзвездного водорода на волне 21 сантиметр.

Прошел всего год, и парамагнитный усилитель, предложенный Блумберхеном, был сделан Сковилом и его сотрудниками. Они применили кристалл этил-сульфата лантана, содержащий 0,5 процента гадолиния, принадлежащего к группе редкоземельных элементов. Этот кристалл помещался внутри специального резонатора, резонировавшего одновременно и на рабочую и на вспомогательную частоты. Это был новый триумф квантовой электроники.

Впрочем, это был не только первый, но и последний квантовый парамагнитный усилитель, построенный на этилсульфате лантана с гадолинием.

Блумберхен, по-видимому, избрал этилсульфат потому, что он уже был хорошо изучен. Но этилсульфат лантана с гадолинием оказался гигроскопичным, плохо выдерживал охлаждение. Он потребовал еще дополнительных усовершенствований и так и не нашел практического применения.

Эстафета снова перебросилась через океан. В Москве, отрывая время от усовершенствования молекулярного генератора, Прохоров и его аспирант А. А. Маненков усиленно изучали парамагнитный резонанс в рубине. Маненков прибыл в ФИАН из Казани, где сложилась большая группа физиков, активно, исследовавших теорию и экспериментальные особенности «Казанского эффекта», как некоторые в шутку называют парамагнитный резонанс, открытый в Казани Е. К. Завойским.

Рубин издревле славится как драгоценный камень. Физики уже знали, что он представляет собой разновидность корунда — бесцветной окиси алюминия, — окрашенного в красный цвет вследствие примеси небольшого количества ионов хрома.

Прохоров решил исследовать рубин потому, что он химически устойчив, по твердости уступает только алмазу и обладает большой теплопроводностью. Трудно поверить, но при температуре жидкого гелия он проводит тепло лучше, чем медь. А это очень важно при работе в условиях низких температур.

В 1955 году основные исследования рубина были опубликованы. Он оказался идеальным материалом для парамагнитных усилителей радиодиапазона. Это было то, чего не хватало ученым, заинтересовавшимся статьей Блумберхена.

В последующие годы одно за другим публикуются сообщения из различных лабораторий о создании и исследовании квантовых парамагнитных усилителей. Большинство из них работает на рубине. В некоторых

лабораториях испытывают и другие кристаллы, но по различным причинам дальше опытов дело не идет. Одни кристаллы слишком хрупки, в другие невозможно ввести нужное количество парамагнитных ионов, третьи гигроскопичны.

МЕНЬШЕ ШУМА!

В следующую главу мы не можем войти без рубина. Это замечательный волшебный камень, в сердце которого, как оказалось, дремлет красное солнце. Но даже до того, как физики раскрыли его главный секрет, рубин высоко ценился в технике. Его значение и до создания квантовых парамагнитных усилителей выходило далеко за пределы интересов модниц и ювелиров.

Еще в середине прошлого века ученые разработали метод получения искусственных рубинов. Это позволило широко применить рубин в приборостроении. Каждый знает, что качество часов во многом зависит от того, сколько в них «камней». «Камнями» часовщики называют изготовленные из рубина миниатюрные подшипники, в которых вращаются оси часового механизма, и маленькие зубчики на качающейся вилке часового хода. В хороших современных часах иногда более двух десятков таких камней. Подшипники из рубина применяются и в различных электроизмерительных приборах, в компасах, сейсмографах и других точных приборах.

Сейчас приборостроительная промышленность ежегодно расходует тонны искусственных рубинов. Они изготавливаются весьма прозаично: на заводах в специальных печах Вернейля. В этих печах внутри керамического теплозащитного цилиндра бушует пламя кислородо-водородных горелок. Сверху в пламя непрерывно сыплется размолотая до состояния тончайшей пудры окись алюминия, в которую добавлено небольшое количество окиси хрома. Пылинки пудры плавятся на лету и в виде мельчайших капелек падают на затравку — маленький кристаллик рубина, расположенный в нижней части пламени на специальном держателе. В то время как на затравке оседает слой жидкой окиси алюминия, держатель, медленно вращаясь вокруг оси, постепенно опускается вниз.

Спускаясь в более холодную часть печи, окись алюминия затвердевает, сливаясь с кристаллом-затравкой в единое целое. Постепенно вырастает большой прозрачный камень, похожий на застывшую каплю замерзших красных чернил.

Цвет искусственного рубина можно регулировать так же плавно, как, скажем, накал электрической лампочки или тон краски на картине художника. Нужно лишь менять содержание хрома в рубине! Для ювелирных целей и для технических применений обычно в кристалл вводится несколько процентов хрома. Но исследования Прохорова и других физиков показали, что для квантовых усилителей это не подходит. Для них необходим бледнорозовый рубин, содержащий лишь сотые доли процента хрома.

Правда, в некоторых случаях берется немного более высокая концентрация. Американский ученый Т. Мейман обнаружил, что, доведя концентрацию хрома до десятых долей процента, при которой обычные квантовые усилители уже не работают, можно создать усилитель, действующий при температуре жидкого азота, то есть при 77 градусах выше абсолютного нуля. Эффект усиления был им получен даже при температуре сухого льда (твердой углекислоты), а это 195 градусов выше абсолютного нуля. К сожалению, эти весьма интересные опыты не нашли еще практического применения. Хотя работать с жидким азотом, а тем более с сухим льдом много удобнее и дешевле, чем с жидким гелием, усилители, способные действовать при этих температурах, недостаточно хороши и пока не могут конкурировать с другими типами малошумящих усилителей.