Чтение онлайн

Клистрон

Р’ 1930-С… РіРі. магнетрон был единственным хорошим генератором, пригодным для работы РЅР° очень высоких частотах. Р§.Р. Клитон (Рі. СЂ. 1907) Рё Рќ.Р“. Вильяме (18701956) РёР· Мичиганского университета, выполнили первые спектроскопические измерения РЅР° микроволновых частотах. РћРЅРё использовали магнетрон для исследования спектра поглощения аммиака. Р’ исследованиях СЃ целью определить практический предел длин волн, которые можно генерировать СЃ помощью магнетрона, было показано РІ 1936 Рі., что можно получить колебания СЃ длиной волны 6,4 РјРј. Однако эффективность магнетрона была РЅРµ очень высокой. Поэтому РЅРѕРІРѕРµ устройство, названное клистрон, было разработано РІ Стэнфорде, РІ Калифорнии Расселом Варианом (1898-1959), Сигердом Варианом (1901 1961) Рё РґСЂ.

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 РёР· полости проводящего материала, РІ которой образуются стоячие электромагнитные волны. Чтобы эта полость стала резонатором, нужно, чтобы ее размеры соответствовали длине волны. Для полостей простой формы, например РєСѓР±, это соотношение гласит (как РјС‹ уже видели), что сторона полости должна быть кратной целому числу полуволн. Уменьшение длины волны сказывалось РЅР° микроволновой технике. Было установлено, что для передачи микроволн СЃ РѕРґРЅРѕРіРѕ места РІ цепи РґРѕ РґСЂСѓРіРѕРіРѕ нужно направлять РёС… РІ подходящие металлические структуры. Волноводы, как РёС… стали называть, представляют металлические трубы круглого или прямоугольного сечения, Рё волна распространяется РІ РЅРёС… Р·Р° счет отражений РѕС‚ стенок. Рти волноводы РјРѕРіСѓС‚ быть Рё антеннами, если РѕРЅРё имеют открытый конец.

Радар

Микроволновые устройства и технологии получили мощный импульс развития между 1930 и 1945 гг. из-за необходимости получения ультракоротких волн, нужных для разработок и создания радаров (аббревиатура, введенная американцами: radio detection and ranging).

Принцип работы радара очень прост: импульс радиоволн посылается на цель, частично отражается обратно к приемнику, где и регистрируется. Посылаемый и отраженный импульсы визуализируются на осциллоскопе, и, измеряя временной интервал между моментами, когда импульс был послан и когда пришел обратно, можно определить расстояние до цели.

Еще Герц и другие наблюдали, что радиоволны могут отражаться металлическими предметами. В 1904 г. немецкий инженер Хулсмейер получил патент на использование этого свойства для обнаружения препятствий при плавании кораблей. Он построил устройство, с которым получил хорошие результаты в Роттердамском порту. Но никто не заинтересовался разработкой этой системы, которая была слишком передовой для того времени.

Результаты первых экспериментов РїРѕ ионосферному радиозондированию атмосферы, которые провел Рплтон (1925 Рі.) СЃ целью доказать существование ионизованных слоев РІ атмосфере, способных отражать микроволны, оживил идею использовать методы, основанные РЅР° отражении радиоволн, для локализации объектов, расположенных РЅР° больших расстояниях. Принцип использования импульсов излучения, что является характерной особенностью современного радара, впервые был реализован РІ 1925 Рі. Р”. Брейтом (18991981) Рё Рњ.Рђ. РўСЊСЋРІРѕРј (1901-1982) РёР· Вашингтонского Рнститута Карнеги для измерения высоты ионосферы. Ртак, СЂСЏРґ экспериментов РїРѕ применению принципа локализации земных объектов Рё определения расстояний РґРѕ РЅРёС… начался РІ Европе Рё РЎРЁРђ. РџСЂРё проведении исследований, связанных СЃ использованием микроволн для СЃРІСЏР·Рё, было найдено, что можно обнаружить присутствие СЃСѓРґРѕРІ Рё самолетов путем регистрации энергии, которую РѕРЅРё отражают.

Р’ РЎРЁРђ, РІ Рсследовательской лаборатории Военно-РјРѕСЂСЃРєРѕРіРѕ флота (NRL), уже СЃ 1920-С… РіРі. была известна возможность обнаружения движущихся объектов путем отражения электромагнитных волн. Р’. Делмар Гершбергер Рё его сотрудники использовали для этой цели магнетроны, изготовленные фирмами Вестингауз Рё RCA, для проведения экспериментов РЅР° сантиметровых волнах. Были получены успешные результаты. Однако РІ то время было мало квалифицированных специалистов, чтобы довести устройства РґРѕ практического использования.

Разработки радаров в Великобритании

Р’ Великобритании, РІ 1934 Рі., желание защитить страну РѕС‚ воздушного нападения привело Р“. Р. Вимперса, директора исследований РїСЂРё Министерстве авиации Рє обращению Р·Р° советом Рє Рђ. Р’. Хиллу (18861977), РІРёРґРЅРѕРјСѓ физиологу РёР· Кембриджа, который получил РІ 1922 Рі. Нобелевскую премию РїРѕ физиологии, Рё который был офицером артиллерии РІ Первой РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅРµ. Конкретно, задавался РІРѕРїСЂРѕСЃ Рѕ возможности уничтожения вражеских самолетов. Результатом обсуждений было обращение Вимперса 12 РЅРѕСЏР±СЂСЏ 1934 Рі. Рє Государственному секретарю РїРѕ военно-воздушным силам СЃ РїСЂРѕСЃСЊР±РѕР№ организовать комитет для рассмотрения того, насколько последние успехи РІ науке Рё технике РјРѕРіСѓС‚ быть использованы для усиления противовоздушной РѕР±РѕСЂРѕРЅС‹ Вимперс предложил, чтобы председателем этого комитета был профессор Р“. Рў. Тизард (18851959), декан химического факультета Рмпериал Колледжа. Рђ членами предлагалось назначить Хилла Рё профессора Рџ. Рњ. РЎ, Блэккета (18971974), который характеризовался как РјРѕСЂСЃРєРѕР№ офицер РІ РІРѕР№РЅРµ (1914-18), который СЃ тех РїРѕСЂ РїСЂРѕСЏРІРёР» себя своей работой РІ Кембридже, как РѕРґРёРЅ РёР· лучших молодых научных лидеров. Рта характеристика была вполне оправдана, так как РІ 1948 Рі. Блэккет получил Нобелевскую премию РїРѕ физике Р·Р° развитие метода камеры Вильсона Рё открытие СЃ ее помощью РІ области ядерной физики Рё космических лучей. Комитет был немедленно создан Рё 28 января 1935 Рі. состоялось первое заседание. Вимперс обратился СЃ запросом Рє Суперинтенданту радиоисследовательского отдела Национальной Физической лаборатории Роберту Ватсон-Ватту (18921973), нельзя ли выводить РёР· строя вражеские самолеты или РёС… экипажи СЃ помощью интенсивных пучков радиоволн. Ватсон-Ватт немедленно ответил, что произвести такие лучи смерти нереально, РЅРѕ вместо этого возможно обнаруживать вражеские самолеты. РћРЅ представил расчеты, показывающие, что энергию, отражаемую самолетом, облучаемого мощным пучком радиоволн, можно использовать для этой цели. Немедленно была проведена работа РїРѕ демонстрации, которая дала прекрасные результаты 26 февраля 1935 Рі. РћРЅР° была настолько успешной, что было начато сооружение системы радиолокационных станций. Было продемонстрировано обнаружение корабля РЅР° расстояние около 30 РєРј Рё возможность обнаружения самолета РЅР° расстояние 160 РєРј. Роберт Ватсон-Ватт написал фундаментальное уравнение радара, которое показывает, что максимальное расстояние, РЅР° котором можно обнаружить самолет, пропорционально линейным размерам антенны Рё только лишь РєРѕСЂРЅСЋ четвертой степени РёР· мощности. Рто означает, что для увеличения дальнодействия радара РІ 2 раза нужно увеличивать мощность РІ 16 раз.

Расстояние также увеличивается при уменьшении длины волны, но это не представляло интереса для Ватсона-Ватта. В то время не было генераторов высокой мощности, работающих на длине волны меньшей чем 10 м. Поэтому была выбрана длина волны 50 м, руководствуясь тем соображением, что радиоволны будут хорошо отражаться от бомбардировщика, когда размах его крыльев будет приблизительно равен половине длины волны. Но вскоре было установлено, что радиолокационные станции создают взаимные интерференционные помехи, и длина волны была уменьшена до 26 м, а затем и до 13 м.

К сентябрю 1938 г. побережье в районе устья Темзы было покрыто сетью радаров, и радары были также установлены на главных британских линкорах. Благодаря этому Великобритания смогла противостоять врагу и получить преимущества в битве с немецкими военно-воздушными силами во Второй мировой войне (август 1940 г.), а установка радаров на кораблях позволила британскому флоту добиться впечатляющих успехов (сражение у мыса Матапан, март 1941 г.).

В марте 1935 г. корабли британского флота могли обнаруживать самолеты лишь с помощью биноклей с увеличением 7х. А вскоре после Мюнхенского кризиса (1938 г.) они могли обнаружить самолет на расстоянии до 100 км благодаря радару.

Разработки радаров для флота продолжались РІ течение всей РІРѕР№РЅС‹, РёРЅРѕРіРґР° сопровождаясь некоторыми странностями. РћРґРёРЅ СЌРїРёР·РѕРґ может показать нам, как РІ то время плохо понималось использование радиоволн, Р° некоторые эффекты казались таинственными. Р’ 1943 Рі. немцы стали атаковать английские военные корабли летающими бомбами, управляемыми РїРѕ радио. Рто вызывало страх среди команды. Однажды флотские специалисты, случайно, РІРѕ время РѕРґРЅРѕР№ РёР· таких атак РІ Бискайском заливе включили электрические бритвы Рё Рє своему, Р° также Рё всей команды, изумлению, увидели, что Р±РѕРјР±Р° стала поворачиваться РІ небе, Р° затем направилась РІ сторону самолета, который запустил ее. Немедленно Адмиралтейство разослало приказ включать РІСЃРµ имеющиеся РЅР° корабле электрические бритвы Рё размахивать РёРјРё против летающих снарядов. Рффективность этой меры РЅРµ зарегистрирована РІ официальных бумагах, РЅРѕ РѕРЅР°, определенно, повышала моральный РґСѓС… команды.