История лазера
Шрифт:
Попов
В России использование радиоволн для связи было связано, независимо от Маркони, с профессором А. С. Поповым (1859—1906), который разработал один из первых приемников электромагнитных волн. Аугусто Риги писал: «Новые характеристики аппаратуры Попова для регистрации волн заключаются в использовании молоточка и звонка, управляемого электрическим током, для восстановления первоначального сопротивления когерера, а также использование вертикального проводника, позднее названого антенной».
Александр Попов родился (1859) в рабочем поселке на Урале в семье священника, и предполагалось, что он пойдет по стопам отца согласно семейной традиции. Вместо этого он поступил на физико-математический факультет
После его успехов он в 1901 г. был назначен профессором Электротехнического института в Санкт-Петербурге, а в 1905 г. был выбран его ректором. В начале XX в. ухудшились отношения России с Японией, и в 1904 г. разразилась Русско-японская война. 1905 г. был годом бурных политических событий. Забастовки, стачки и собрания проходили по всей стране. В декабре Правительство постановило среди других распоряжений запретить публичные собрания в помещениях института. Попов отказался исполнять этот приказ, направленный властями против студентов. В результате сильных волнений он тяжело заболел и скоропостижно скончался от инсульта в январе 1906 г.
После публикаций Герца в 1888—1889 гг. Попов заинтересовался волнами Герца и, зная о когерере, в начале 1895 г выполнил серию исследований, надежность результатов которых обеспечивалась использованием маленького молоточка, который срабатывал, когда ток протекал через устройство, и маленьким ударом восстанавливал первоначальные условия (рис. 26).
Рис. 26. Система Попова для детектирования электрических колебаний. Рисунок показывает расположение частей и электрические соединения между ними. (Из работы А.С. Попова «Аппаратура для обнаружения и регистрации электрических колебаний», Журнал Русского физико-химического общества, 1, 1-14(1896).)
Первая демонстрация этого приемника состоялась перед Физическим обществом Санкт-Петербурга 7 мая 1895 г. В то время Попов был преподавателем Минных классов, и его результаты не могли быть опубликованы по соображениям секретности.
Проводя свои эксперименты на открытом воздухе, Попов обнаружил, так же как Лодж и другие, что когерер реагирует на атмосферные электрические явления, и его чувствительность можно увеличить, если один из его концов соединить с вертикальной проволокой, связанной с воздушным шаром, или с громоотводом, а другой соединить с землей. Попов использовал это, чтобы построить специальный прибор («грозоотметчик») и установил его в Лесном институте Санкт-Петербурга, Он также публично продемонстрировал в 1896 г., эксперименты по связи, и установил свой грозоотметчик на знаменитой Нижегородской ярмарке. Там был в 1885 г. построен павильон достижений в области электричества и демонстрировалась электростанция с производимостью до 400 кВт. Грозоотметчик предупреждал о приближении грозы и позволял принять меры для защиты. Во время этой ярмарки Попов прочел об экспериментах Маркони и при поддержке Российского Флота возобновил свои эксперименты по связи. Однако его обязали опираться на зарубежных производителей, так как Россия не имела нужной промышленности. Парижский инженер и бизнесмен Евгений Дюкре (1844—1915), который первым во Франции построил устройства беспроволочного телеграфа, очень заинтересовался Поповым и в 1898 г. стал строить радиотелеграфные станции на основе его систем. Сотрудничество Дюкре—Попов поддерживалось политическим сближением России с Францией, начавшимся в конце XIX в. В период 1899—1904 гг. Компания Дюкре получила несколько заказов от Российского Флота. Однако эта компания была слишком мала и слаба, и Русский Флот во время русско-японской войны использовал системы связи, сделанные в Германии фирмой «Телефункен».
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.