Олег Фейгин - Никола Тесла. Наследие великого изобретателя
Многие ученые того времени очень интересовались этими исследованиями Теслы. Так, знаменитый английский физик Дж. Томпсон опубликовал обширную работу, описывая наблюдаемые в трубках Теслы явления с помощью разработанной им модели эмиссии «негативного электричества» (так в то время называли потоки электронов) с раскаленного катодного элемента на холодный электрод анода. Сам Тесла, как это ни странно, никак не комментировал подобные публикации. Судя по всему, у него было свое объяснение электрофизики эффектов, происходивших в электронных лампах, и он лишь с сарказмом замечал, что «электрические эффекты при сильно пониженном давлении, похоже, произвели определенное впечатление на интеллектуальную элиту ученого мира».
Итак, конструкции подобных вакуумированных электронных приборов вполне могли стать встречным пакетом информации со стороны Теслы в обмене с «Армторгом», что и привело к последующему прорыву в создании радиолокационного оборудования советскими учеными.
Одна из самых главных частей магнетрона представляет собой анодный блок в виде металлического толстостенного цилиндра с прорезанными полостями — объемными резонаторами. Данные резонаторы формируют кольцевую колебательную систему с анодным блоком и соосно закрепленным цилиндрическим катодом с внутренним подогревателем. Магнитное поле генерируется параллельно продольной оси прибора системой мощных электромагнитов. Резонаторы магнетрона, через отверстие в которых СВЧ-излучение вырывается наружу, по своей сути являются замедляющей системой, в которой и происходит торможение потоков электронов с генерацией электромагнитных волн.
Вакуумированные лампы Теслы
По своей сути это электровакуумный генератор электромагнитных колебаний сверхвысокочастотного диапазона. Принцип работы прибора основан на взаимодействии электронов, движущихся в магнитном поле, с возбуждаемыми ими же электромагнитными полями. Основу конструкции магнетрона составляет коаксиальный цилиндрический диод с внутренними электродами, находящимися в однородном магнитостатическом поле, направленном вдоль его оси. Испущенные с катода электроны дрейфуют поперек скрещенных электростатических и магнитостатических полей, образуя замкнутый поток вокруг катода.
Анод многорезонаторного магнетрона представляет собой массивный полый цилиндр, во внутренней части которого находятся объемные резонаторы с щелевидными отверстиями, выходящими на поверхность.
Моя аппаратура отражает частицы, которые могут быть достаточно большими или микроскопическими, позволяя перенести на малую площадь, находящуюся на огромном расстоянии, в триллионы раз больше энергии, чем это можно сделать при помощи лучей любого вида. Многие тысячи лошадиных сил можно таким образом передавать посредством потока, более тонкого, чем волос, при этом ничего не сможет противодействовать этому потоку.
Н. Тесла. Статьи и лекцииПри включении магнетрона начинается эмиссия электронов из катода в область действия постоянного электрического поля между катодом и анодом, магнитного поля и электромагнитных волн. Вначале электроны движутся в скрещенном электрическом и магнитном поле по особым кривым — эпициклам, напоминающим движение точки на ободе катящегося колеса. При этом они генерируют электромагнитные колебания, усиливаемые резонаторами. Электрическая составляющая возникшей электромагнитной волны в зависимости от направленности может ускорять или замедлять движение электронов. При торможении электронов их энергия передается электромагнитной волне, причем если средняя скорость вращения электронов вокруг анода будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, электроны могут непрерывно находиться в области торможения, эффективно подпитывая энергию микроволнового излучения. Такие электроны формируют продолговатые сгустки — «спицы», вращающиеся вместе с электромагнитным полем и многократно взаимодействуя с излучаемым высокочастотным полем. Собственно говоря, от этого взаимодействия и зависит коэффициент полезного действия магнетрона, а также возможность получения большой мощности микроволнового излучения.
Дневниковые записи изобретателя показывают, что некий прообраз магнетрона оригинальной многоконтурной конструкции он пытался создать, еще только готовясь к своим опытам на башне Ворденклиф. И здесь он был пионером, но не принципа действия магнетрона (такие устройства уже разрабатывались в Германии, Англии, России, Франции и Италии) — Тесла был первооткрывателем именно военного применения этого замечательного радиотехнического прибора.
И Тесла начал одну из самых загадочных серий экспериментов с «вакуумными трубками, колбами и лампами, помещенными в эфирные вихри электрического и магнитного поля». Проще говоря, основываясь на довольно туманных теоретических рассуждениях (разумеется, туманных для немедленной постройки излучателей, а не по своей физической сути), изобретатель начал создавать вакуумированные газовые излучатели, помещая их в вихревые электромагнитные поля.
Вскоре Тесла изобрел замечательное устройство для создания неоднородного в пространстве электрического поля — квадрупольный конденсатор. Этот замечательный прибор представлял собой четыре стержня, попеременно заряженные положительным и отрицательным зарядом до высокого напряжения. Если поместить в такое устройство трубку с разряженным газом, то произойдет разделение молекул газа по энергиям. Наиболее энергичные молекулы сконцентрируются у оси конденсатора, а менее энергичные сосредоточатся у стенок в полном соответствии с распределением электрических зарядов. Именно так Тесла получил модель молекулярного пучка, пролетающего в электрическом поле конденсатора.
Феноменальная научная интуиция изобретателя позволила ему как всегда обойти многие подводные камни столь необычного инновационного конструирования. Ведь для того, чтобы молекулы газа (к глубокому сожалению, мы так и не знаем, какое конкретное газовое «рабочее тело» использовал Тесла) пролетели через поле конденсатора и разделились по энергиям, необходим довольно высокий вакуум, да и еще и глубокое охлаждение стенок прибора. После пролета-сепарации пластин конденсатора молекулы попадали в резонатор, где и происходило излучение «сверхтонкого невидимого луча, вызывающего многие еще неведомые нашей науке эффекты».
Однако в дневниковых записях изобретателя можно найти только приблизительную схему прибора, нет там даже простенького эскиза резонатора, а ведь Тесле пришлось одному из первых решать очень непростые технические задачи. К примеру, резонатор нужно было настроить на излучаемую длину волны, подобно тому как органист настраивает трубы органа на определенные звуковые колебания. Поэтому сам по себе резонатор должен был иметь не только строго определенные размеры, но и быть способным отражать во внутренней полости все попавшие туда электромагнитные волны. Сегодня радиофизики говорят, что подобные конструкции должны быть «высокодобротными», то есть их КПД должен быть достаточно высок.
По свидетельству еще одного американского исследователя наследия изобретателя Морриса Джессупа, Тесла при разработке своих схем магнетронов совершенно случайно наткнулся на одну из работ Эйнштейна по квантовой оптике (скорее всего, это была перепечатка уже упомянутой статьи «Квантовая теория излучения»). По Джессупу, в этот период великий изобретатель как раз решал вопрос о том, как развивать дальнейший поиск: разрабатывать все более мощные и сложные магнетроны? Попытаться нащупать пути управления резонансом стоячих электромагнитных волн в земной атмосфере? Или же пойти по совершенно новому пути проектирования сверхмощного генератора когерентного излучения? После долгих раздумий Тесла решил все же пойти по первому пути и приступить к созданию своей знаменитой «лучевой пушки», или «орудия Теслы». Однако Джессуп считал, что и теория вынужденного квантового излучения каким-то образом существенно повлияла на последующие проекты Теслы.
Схема устройства магнетрона
Коллега Джессупа Винсент Гэддис считает, что именно после знакомства с работами Эйнштейна Тесла почему-то пошел по пути создания сложнейших многокамерных поликонтурных магнетронов. В скудных на технические детали комментариях самого изобретателя можно только встретить пространные рассуждения о важности применения при генерации «направленных самофокусирующихся потоков излучения» схем с использованием «многократной ступенчатой электромагнитной обратной связи». Далее Тесла говорит об открытом им некоем универсальном принципе конструирования излучателей, когда резонатор превращает усилитель в генератор «очень мощного потока лучей, способного преодолевать громадные расстояния». При этом первоначальные весьма незначительные по мощности колебания многократно подаются «на вход» схемы, все более и более усиливаясь. Так процесс генерации начинает преобладать над потерями релаксации, и если в данный момент связать резонатор с излучателем, то в «толще мирового электрического эфира как носителя любого электромагнитного действия» сформируется тот самый «сверхтонкий луч электрической природы», о котором впоследствии многократно упоминал изобретатель.
