Марио Бертолотти - История лазера
Микроволны
Как уже говорилось, потребовалось время, чтобы использовать короткие волны, хотя именно они и получались в первых экспериментах. Для того, чтобы получать микроволны, необходимо было уменьшать размеры ламп, которые тогда использовались в схемах генерации, а также размеры самих схем. Вскоре обозначилась проблема, вызванная временем, требуемым электронам для пролета от сетки к аноду лампы.
Напоминаем, что в вакуумной лампе, такой, какая использовалась в то время, электроны испускаются нитью, нагреваемой током, помещенной в эвакуированную стеклянную колбу, и окруженную металлической сеткой. Эти электроны собираются электродом, называемым анодом, производя тем самым ток. Величину этого тока можно контролировать путем электрического потенциала на сетке. Очевидно, что, двигаясь от нити к аноду и проходя через сетку (все эти элементы обозначаются как электроды лампы), электронам требуется время, и если в течение этого времени электрический потенциал на сетке заметно изменится, то это исказит сигнал, снимаемый с анода.
Чтобы уменьшить это время пролета, старались делать лампы меньшего размера, более компактными, уменьшая расстояния между нитью, сеткой и анодом до минимума. Эта проблема очень хорошо была описана в работе Ирвинга Ленгмюра и Карла Комптона (1931 г., США). В ней они указали, как можно продвинуться в область высоких частот, просто уменьшая размеры и расстояния между электродами.
Уже в 1933 г. в США фирма RCA выпустила лампу акрон, a Western Electric — знаменитую «кнопку звонка». Эти миниатюрные лампы позволяли генерировать частоты до 1500 МГц (длина волны около 20 см). Однако мощность была очень мала.
Магнетрон
На сцене появилось новое устройство, магнетрон, которое стало в середине 1920-х гг. преимущественным генератором. Было показано, что с помощью магнетрона можно получать очень высокие частоты.
В магнетроне используется комбинация электрического и магнитного полей. В первой реализации прямая нить накала (катод) окружалась цилиндрическим анодом. Внешнее магнитное поле было направлено так, чтобы заставить электроны, летящие к аноду, двигаться по спирали между двумя электродами.
Это устройство было изобретено Альбертом В. Халлом (1880—1966), который родился на ферме в штате Коннектикут и после получения степени в Йельском университете в 1913 г. стал работать в исследовательской лаборатории Дженерал Электрик (GE). В 1914 г. он изобрел «динатрон», первый в длинном ряду радиоламп впервые созданных им. Он также проводил исследования по проблемам кристаллографии и использовал рентгеновские лучи.
В течение 1916 г. Халл начал эксперименты по контролю потока электронов в лампах с помощью магнитного поля как альтернативный способ вместо сетки, который использовался в то время. Контроль с помощью сетки в то время был объектом спора между Дженерал Электрик и Американской Телефонной и Телеграфной Компании, касающимся оплаты автору изобретения Ли де Форесту.
В 1920-х гг. Халл и его сотрудники в Дженерал Электрик продемонстрировали, что устройство, первоначально имевшее несколько названий, но, в конце концов, стало называться магнетроном, может быть использовано на низких частотах в качестве усилителя или генератора в радиосистемах, а также в качестве электронного ключа в преобразователях мощности. Летом 1921 г. права на изготовление ламп, по-видимому, сделали магнетрон не очень важным для радиотехники. В Дженерал Электрик продолжались работы с магнетроном, но для высоких мощностей. В 1925 г. Халл изготовил магнетрон высокой мощности для получения волн с длиной 15 км и мощностью 15 кВт.
Важное открытие, что магнетрон может генерировать колебания с очень высокой частотой, было независимо сделано в Германии и в Японии в середине 1920-х гг., но оно оставалось неизвестным в Америке вплоть до 1928 г. Чешский физик Август Цачек опубликовал в 1924 г. на чешском языке результаты экспериментов, в которых он сумел генерировать волны длиной 29 см. Однако эти результаты получили распространение только, когда его работа была описана в немецком специализированном журнале в 1928 г. В 1924 г. аналогичные результаты были получены Эриком Хабаном в университете г. Йена.
В Японии электрофизик Хидетсугу Яги (1886— 1976) и его студент Кинийро Окабе (1896—1984) 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 в Японию для преподавания в Тохоку Имперском университете, где он в 1919 г. получил докторскую степень. В начале 1920-х гг. он узнал о магнетроне Халла от японского морского офицера, который возвратился после посещения США.
Окабе, который стал первоклассным специалистом по магнетронам, окончил университет Тохоку в 1922 г., а в 1928 г. защитил под руководством Яги диссертацию. В 1927 г. Окабе сообщил, что ему удалось получить генерацию с длиной волны около 60 см, используя магнетрон. Он исследовал множество электродов разной геометрии, и обнаружил, что если разрезать цилиндрический анод на два полуцилиндра (конфигурация известная как «разрезной анод»), то можно получить большую мощность. В 1928 г. Яги посетил США, чтобы обсудить эксперименты Окабе, который к тому времени уже генерировал волны в 12 см. Яги также описал разработанную им направленную антенну сверхвысоких частот, которая состояла из активного элемента и нескольких отражающих и пассивных элементов. Эта антенна нашла широчайшее применение в 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
В 1930-х гг. магнетрон был единственным хорошим генератором, пригодным для работы на очень высоких частотах. Ч.Э. Клитон (г. р. 1907) и Н.Г. Вильяме (1870—1956) из Мичиганского университета, выполнили первые спектроскопические измерения на микроволновых частотах. Они использовали магнетрон для исследования спектра поглощения аммиака. В исследованиях с целью определить практический предел длин волн, которые можно генерировать с помощью магнетрона, было показано в 1936 г., что можно получить колебания с длиной волны 6,4 мм. Однако эффективность магнетрона была не очень высокой. Поэтому новое устройство, названное «клистрон», было разработано в Стэнфорде, в Калифорнии Расселом Варианом (1898-1959), Сигердом Варианом (1901 —1961) и др.
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 из полости проводящего материала, в которой образуются стоячие электромагнитные волны. Чтобы эта полость стала резонатором, нужно, чтобы ее размеры соответствовали длине волны. Для полостей простой формы, например куб, это соотношение гласит (как мы уже видели), что сторона полости должна быть кратной целому числу полуволн. Уменьшение длины волны сказывалось на микроволновой технике. Было установлено, что для передачи микроволн с одного места в цепи до другого нужно направлять их в подходящие металлические структуры. Волноводы, как их стали называть, представляют металлические трубы круглого или прямоугольного сечения, и волна распространяется в них за счет отражений от стенок. Эти волноводы могут быть и антеннами, если они имеют открытый конец.
