"CQ-SKW", №10, май, 1930 год, стр. 78-79

Б. Остроумов

ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРА-КОРОТКИХ ВОЛН БЕЗ ПОМОЩИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА СЕТКУ

Получение незатухающих колебаний ультра-высокой частоты (ультра-коротких волн, длиной менее метра), при помощи электронных ламп в схемах обычного типа встречает почти непреодолимые трудности, потому что размеры электродов лампы и внутренняя емкость между ними оказываются чересчур большими по сравнению с элементами соответствующих контуров. Только специальные весьма тщательно собранные схемы и специальные коротковолновые лампы дают еще возможность надеяться на дальнейшее укорочение волны.

Для получения волн всего в несколько сантиметров нужно искать совершенно иных способов включения электронной лампы, позволяющих обойти указанное затруднение.

Наиболее старым и в настоящее время наиболее изученным из таких способов возбуждения колебаний следует считать способ Баркгаузена и Курца. Он основан на возбуждении колебания не в колебательных контурах, связанных с лампами, а внутри самой лампы, в объемном заряде электронов вокруг сетки. Настроенные контура вне лампы в этом случае испытывают лишь вынужденные колебания, у которых при настройке их в резонанс с внутриламповыми колебаниями достигает максимума амплитуда, но которые сами не могут оказать значительного влияния на эти колебания и в частности почти не изменяют их частоты. Колебания Баркгаузена возникают в обычной лампе, когда на сетку мы зададим значительный положительный потенциал, а на анод отрицательный. Тогда явления, происходящие в лампе, можно будет грубо представить себе в такой форме. Электроны, образующие объемный заряд, содержащий довольно большое количество электричества, в первый момент целой тучей двигаются сквозь положительно заряженную сетку и экранируют ее от анода. Затем, замедлив свое движение под действием отрицательного заряда анода, они возвращаются назад, но вновь по инерции минуют сетку и приближаются, уплотняясь все более и более к нити. Когда их живая сила будет целиком израсходована, они вновь устремляются к аноду, и процесс повторяется тем же порядком. Объемный заряд как бы дышит сквозь сетку в возбуждает в ней и в цепи анода электрические колебания той же частоты. Очевидно, что частота таких пульсаций объемного заряда обусловливается главным образом той скоростью, с какой движутся отдельные электроны, т. е. величиной разностей потенциалов между сеткой и нитью и между сеткой и анодом. Чем больше эти разности, тем быстрее будут двигаться электроны, чем чаще будут пульсации объемного заряда, тем короче будет волна.

Опыт в общих чертах подтвердил эти выводы, вытекающие из намеченной нами грубой картины явлений при указанном режиме лампы — можно при достаточном повышении разности потенциалов довести длину волны до 40 сантиметров и даже сделать ее еще меньше. Однако более детальное исследование явлений показало, что на самом деле оно далеко не столь просто. Достаточно указать, например, что колебательные контура в цепях анода и сетки, особенно если настроить их в резонанс с полученными колебаниями, должны значительно влиять на потенциалы анода и сетки, следовательно и на все течение процесса. Поэтому некоторые авторы высказывали не раз сомнения в правильности приведенного выше объяснения генерации внутриламповых колебаний, отрицая даже самую возможность самостоятельного возникновения пульсаций объемного заряда.

С этой точки зрения большой интерес представляют новые контрольные опыты Хольмана с возбуждением таких колебаний в лампах без анода, а с одной сеткой. Анодом служат в этом случае стеклянные стенки баллона, которые заряжаются отрицательно электронами, пролетевшими сквозь сетку. По сравнению с обычной лампой, поэтому лампа Хольмана имеет диаметр анода чрезвычайно большой по сравнению с диаметром сетки, и тормозящее его действие на объемный заряд оказывается значительно ослабленным. В результате, расстояние, которое могут электроны пролетать, после проникновения сквозь сетку до начала своего обратного движения, будет тем больше, чем выше потенциал сетки, а следовательно мы в праве ожидать и увеличения промежутка времени, необходимого для совершения полного колебания. Иначе говоря, с увеличением потенциала сетки волна должна удлиняться, а амплитуда ее увеличивается. Опыт вполне подтвердил правильность этих предположений и теперь можно считать установленным, что в лампах с узкими анодами, близкими к сеткам, от повышения потенциала на сетке волна Баркгаузеновских колебаний укорачивается, в лампах же с весьма широкими анодами, не стесняющими пульсации объемного заряда, от той же причины волна должна удлиняться.

Таким образом, предположение о генерации колебаний внутри лампы без колебательных контуров, повидимому, подтверждается. Еще большее подкрепление получает эта гипотеза при рассмотрении колебаний объемного заряда в магнетроне, исследованных японскими учеными Уда, Яги и Окаби. Они получили этим путем рекордные волны длиной всего 5,6 мм. (Самые короткие незатухающие волны, которые до сих пор указаны в литературе!)

Успех этих опытов обусловливается тем, что в магнетроне нет сетки, которая несомненно должна мешать колебаниям объемного заряда, вынужденного проникать сквозь ее отверстия.

Роль сетки в магнетроне играет направленное по оси анода магнитное поле, управляющее потоком электронов, летящих с нити на анод; как известно, при этих условиях электроны не могут уже лететь прямо по радиусам с нити на анод, а искривляют свой путь над действием магнитного поля и движутся по спиралям, тем более крутым, чем сильнее магнитное поле. Усиливая последнее, мы можем даже совсем прекратить доступ электронам на анод и прервать анодный ток. Электроны тогда будут образовывать плотное электронное облако, вращающееся около нити и своим объемным отрицательным зарядом будут экранировать нить от действия положительного заряда анода, как делает это отрицательно заряженная сетка. Понятно, что для получения такого эффекта нужно магнитное поле тем сильнее, чем выше потенциал на аноде. При достаточном повышении напряжения на аноде и увеличении магнитного поля объемный заряд приходит в такое же неустойчивое состояние, как в электронных лампах Баркгаузена, и начинает пульсировать, порождая весьма частые электрические колебания, которые могут раскачать колебательный контур, включенный в цепь анода, настроенный в резонанс.

Действительно вращающееся вокруг нити облако электронов совершенно аналогично электрическому току, движущемуся по витку проволоки, и притом направленному так, что он ослабляет действие магнитного поля, создавая свое магнитное поле обратного направления. Поэтому как только скорость вращения и плотность объемного заряда достаточно возрастут, как только поле внутри его перестанет удерживать электроны в том же объеме, они начнут разлетаться, начнут достигать анода, плотность заряда уменьшится, его магнитное поле ослабнет и внешнее магнитное поле начнет вновь стягивать электронное облако к нити. Иначе говоря здесь образуются все условия, необходимые для пульсации объемного заряда, подобные колебаниям Баркгаузена.

В журнале Proceedings of Institute of Radio Engeners К. Окаби дает математическую теорию этих колебаний и результаты проверки ее на опыте. Его результаты можно изобразить в виде таблицы, соответствующей тем магнетронам, которыми он располагал.

Как показывает эта таблица, для получения исключительно коротких волн необходимо пользоваться магнетронами с особо узкими анодами, очень сильным магнитным полем и высоким напряжением.

Для волн более длинных порядка 41—42 см пригодны магнетроны с анодами диаметрам в 14 мм, с потенциалами от 400 до 700 вольт и соответственно более слабыми магнитными полями. Осуществление же этих условий едва ли может считаться более сложным, чем возбуждение ультра-коротких волн по способу Мейснера, но с специальными коротковолновыми лампами и специально построенными контурами, и теперь повидимому мы имеем достаточно оснований утверждать, что обычные ламповые схемы уже не могут считаться единственными практически пригодными источниками ультра-коротких волн, а они могут возникать и при других условиях.