Никола Тесла. Наследие великого изобретателя
Шрифт:
Название этого электровакуумного прибора происходит от слов «магнит» и «электрон», а служит он для генерации радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ, или микроволн). Магнетрон является очень важным объектом нашего повествования, и в довоенные годы с ним было связано множество шпионских страстей. В те далекие годы все без исключения промышленно развитые страны охотились за новыми конструкциями этого прибора, наподобие того как в современном мире шпионы крадут друг у друга микрочипы.
В начале 1930-х гг. группа американских военных радиоинженеров успешно повторила давние опыты Теслы по определению направления движущегося объекта с помощью дециметровых волн. При этом, в частности, было обнаружено, что, когда над передающей антенной пролетает самолет, радиосигнал сильно искажается. Это натолкнуло американских
Узнав о воплощении своих давних идей, Тесла попытался в очередной раз доказать свой приоритет, но Федеральное патентное ведомство США приняло решение, что идея радиолокации основана на общеизвестных принципах. Исходя из этого заключения высшей патентной инстанции, суть приоритетных заявок в области радиолокации должна основываться не на первичности практического опосредования идеи, а на первичности нахождения наиболее приемлемого инженерного решения. После публикации этого решения в прессе многие американские научно-исследовательские центры и лаборатории начали проводить обширные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию радиолокационного оборудования.
Одной из первых значительных результатов добилась в 1935 г. группа советских инженеров, спроектировавших несколько модификаций импульсных радиолокационных станций, оснащенных осциллографическими индикаторами. В это время в Америке и Европе только начинали приступать к разработке аналогичного оборудования. Фактически советские инженеры впервые разработали принципы импульсной радиолокации, а изготовленная ими аппаратура позволяла фиксировать отраженный сигнал от самолета на расстоянии в десятки километров. По отрывочным архивным сведениям, эта разработка начиналась где-то в середине 1920-х гг. в знаменитой Нижегородской радиолаборатории. Это и могло быть первой порцией «обменной документации», переданной сотрудниками «Армторга» Тесле.
Теперь обратимся к серии оригинальных электронных приборов на основе вакуумированных стеклянных колб с электродами, изобретенными Теслой еще в начале 1880-х гг. Изобретатель много экспериментировал с этими прообразами последующих электронных вакуумных ламп, догадываясь, что они могут стать в будущем важнейшими элементами «беспроволочного телеграфа». Так родилась «радиотрубка Теслы», действующая за счет проводимости тока через замкнутый объем сильно разряженного газа. Тесла продолжал разрабатывать электронные лампы вплоть до 1930-х гг., надеясь создать с их помощью систему сверхдальней связи, может быть, даже в межпланетном масштабе. Он также никогда не забывал задачи радиолокации и детекции сверхслабых радиосигналов. Надо заметить, что многие вакуумированные приборы Теслы имели весьма необычную конструкцию и цели их создания до сих пор неясны: например, среди них встречаются своеобразные «электронные пушки», иногда очень значительной мощности.
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
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.
При 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.