 |
Контур надо уменьшить. Электрон недостаточно быстр. Лампа – морской прибой
|
|
|
|
Контур надо уменьшить
Ученые, изобретатели, радиолюбители отчетливо поняли преимущества коротких волн перед длинными – радиопередача на коротких волнах звучит чище, отчетливее, «атмосферики», то есть трески и шумы, создаваемые грозовыми разрядами в атмосфере, меньше мешают приему; короткие волны позволяют поддерживать дальнюю связь с минимальной затратой мощности и даже вести направленную передачу. Впоследствии они оказались незаменимыми для локационных станций, радиодальномеров и других навигационных приборов, а также для телевидения.
И всем скоро стало совершенно ясно, что чем короче волны, тем надежнее и устойчивее работают на них многие радиоаппараты.
Надо осваивать более короткие волны, говорили конструкторы и, чтобы добиться этого, стали уменьшать размеры катушек самоиндукций и конденсаторов колебательных контуров. Ведь чем меньше самоиндукция и чем меньше емкость, тем короче получаются волны.
Изобретатели дошли в конце концов до того, что в катушке самоиндукции остался всего лишь один единственный виток, а в конденсаторе – две совсем маленькие пластины. Казалось, что дальше сокращать контур уже некуда.
Развитие радиотехники в этой области несколько затормозилось: надо было как‑ то преодолеть возникшие затруднения. Изобретатели попытались соединить в одно целое катушку самоиндукции и конденсатор и изготовили колебательный контур из двух прямых и параллельных друг другу медных проволок, соединенных перемычкой, наподобие буквы П. Параллельные проволоки служили одновременно и емкостью и самоиндукцией.
Однако самое существенное препятствие, мешавшее освоению ультракоротких волн, заключалось не в форме и размерах колебательного контура. Дело в том, что любой, пусть даже самый маленький, контур надо подключать к лампе с помощью соединительных проводов, а соединительные провода, да и сама лампа, тоже обладают собственными самоиндукциями и емкостями. И все эти самоиндукции и емкости – контура, соединительных проводов и лампы – складываются, и укоротить длину волны ниже определенного предела не удается.
|
|
|
Следовательно, прежде всего надо изгнать из схемы все соединительные провода – они только мешают, а из контура и лампы составить одно целое, один прибор.
Наиболее удобным для этой цели оказался контур, изготовленный наподобие покрышки автомобильного колеса, то есть в виде пустотелого кольца с разрезом вдоль его внутренней окружности.
Контур подобной формы получил название полого или объемного резонатора. Для присоединения такого резонатора к лампе никаких соединительных проводов не требуется: его, как бублик, надевают прямо на баллон лампы.
Электрон недостаточно быстр
Но и этого усовершенствования оказалось недостаточно. Обнаружилось новое, еще более серьезное препятствие, которое зависит от свойств самого электрона.
При длине волны в 1 метр частота колебаний на сетке лампы составит почти 300 миллионов в секунду. Если же укоротить длину волны до 10 сантиметров, а именно этого и добивались ученые, то частота достигнет 3 миллиардов колебаний в секунду!
Как ни велика скорость электрона в электронной лампе, все же он летит недостаточно быстро. Он не успевает пролететь расстояние от сетки до анода, как напряжение на сетке уже изменяется; анодный ток перестает следовать за командами сетки.
Регулировщик уличного движения на перекрестке должен включать зеленый или красный фонарь светофора, обязательно сообразуясь со скоростью транспорта. Нельзя менять сигнал раньше, чем трамваи и автомашины пересекут перекресток. Если же регулировщик начнет спешить, то шоферы, не успевая следовать командам светофора, просто перестанут его слушаться, и на перекрестке произойдет беспорядок.
|
|
|
Сетка в лампе служит регулировщиком «уличного» движения электронов. И в лампе тоже возникнет беспорядок, если на сетку подать слишком высокую частоту. Электроны начнут прибывать на анод не вовремя, опаздывать. Вся работа контура нарушится.
Лампа – морской прибой
Электронной суматохи в лампе казалось бы можно избежать. Для этого надо уменьшить расстояние между катодом и анодом, – сблизить их, это сократит время полета электронов в баллоне лампы.
Конструкторы взялись за переделку ламп. Появились лампы размером с пальчик – «пальчиковые» пентоды и размером с желудь – лампы «желуди».
Но, увы, «хвост вытащишь – нос увязнет». В «желудях» электронной «толчеи» не получается, но зато между чересчур сближенными электродами увеличилась емкостная связь. Опять плохо!
При большой внутренней емкости через лампу начинает проходить переменный ток. Лампа перестает выполнять одно из своих назначений – служить выпрямителем тока.
Все это привело к мысли, что надо не только объединить контур с лампой в одном приборе, но создать совершенно новый тип лампы, предназначенный специально для очень коротких волн.
Такие лампы были созданы советскими учеными. В 1932 году Д. А. Рожанский разработал проект лампы, получившей название клистрона.
Постройку клистрона осуществили в 1935 году А. Арсеньева и О. Хейль. Слово клистрон в переводе с греческого означает «морской прибой», и то, что происходит за стеклянными стенками клистрона, действительно напоминает морской прибой, когда волны равномерной чередой накатываются на берег.
Клистрон представляет собой стеклянную трубку, на которой надеты два «бублика», то есть два объемных резонатора, исполняющие обязанности колебательных контуров.
Как видно на рисунке 88 в объемном резонаторе клистрона роль емкости – конденсатора – исполняют сетки, а катушка индуктивности заменена металлической трубкой, согнутой в кольцо и разрезанной внутри. Стрелки показывают, как по ней движутся электроны, когда в резонаторе происходят электрические колебания.
|
|
|
Рис. 88. Объемный резонатор клистрона в форме бублика, сделанного из металлической трубки с разрезом по внутреннему диаметру. Часть трубки вырезана, чтобы было видно, как он устроен. Стрелки указывают направления движения электронов в резонаторе при колебаниях.
В одном конце трубки помещается электронная пушка, по своему устройству похожая на электронную пушку осциллоскопа. Она посылает узкий и прямой пучок электродов вдоль оси трубки по направлению к аноду, который расположен в противоположном конце трубки (рис. 89).
Рис. 89. Схема клистрона: сетки группирователя разбивают электронный поток на отдельные сгустки, которые отдают свою энергию сеткам улавливателя.
По пути от электронной пушки к аноду электронам приходится пролетать через две пары сеток, которые являются продолжением стенок объемных резонаторов.
К первому резонатору, то есть к первой паре сеток подведено переменное напряжение высокой частоты. Знаки зарядов на этих сетках непрерывно и очень быстро сменяют друг друга, – когда на одной сетке появляется минус, то на другой – плюс. А через несколько десятимиллиардных долей секунды плюс сменяется минусом, минус опять плюсом и так далее.
Электроны, выброшенные пушкой, летят до первой пары сеток все с одинаковой скоростью и сплошным потоком. Попав в пространство между сетками, электроны оказываются во власти высокочастотного поля этих сеток.
Постоянное электрическое поле действует на электроны подобно ветру – на пылинки. Оно увлекает, гонит и несет электроны, ускоряет их движение или, наоборот, замедляет его.
Переменное же поле можно сравнить с ветром, который дует то спереди, то сзади, то есть поочередно и подгоняет электроны, и тормозит.
|
|
|
