Радиоэлектроника, оптика, магнетизм и физика твердого тела

Долгое время человечество не подозревало, что в окружающем его мире существует единый спектр электромагнитных колебаний, состоящий как бы из отдельных участков - радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Этот спектр можно сравнить с клавиатурой рояля, где басы - радиоволны, а самые высокие ноты - рентгеновское излучение.

То, что радиоволны - это электромагнитные колебания, отличающиеся определенной частотой, опытным путем впервые обнаружил в 1888 г. немецкий физик Г. Герц, опираясь на общую теорию распространения электромагнитного поля, созданную Д. Максвеллом в 1863 г.

В 1889 г. русский ученый А. С. Попов экспериментально доказал возможность беспроволочной связи с помощью электромагнитных волн. А. С. Попов изобрел антенну, без которой в наше время не обходится ни одно радиотехническое устройство связи. Затем им был изобретен когерер - устройство для приема радиоволн, основанное на свойстве металлических порошков повышать электропроводность под влиянием высокочастотных электрических колебаний. Устройство автоматически возвращалось в рабочее положение после каждого радиосигнала. 25 апреля 1895 г. А. С. Попов передал в эфир первую в мире радиограмму. В 1899 г. под руководством А. С. Попова и его помощника П. Н. Рыбкина была организована радиосвязь между островом Гогланд и городом Котка во время операции по снятию севшего на камни броненосца "Генерал-адмирал Апраксин".

С начала 1918 г. в Нижегородской радиолаборатории, руководимой М. А. Бонч-Бруевичем, начались опыты по передаче радиотелефонной речи на большие расстояния. 5 февраля 1920 г. В. И. Ленин писал М. А. Бонч-Бруевичу: "Пользуюсь случаем, чтобы выразить Вам глубокую благодарность и сочувствие по поводу большой работы радиоизобретений, которую Вы делаете. Газета без бумаги и "без расстояний", которую Вы создаете, будет великим делом. Всяческое и всемерное содействие обещаю Вам оказывать этой и подобным работам" (Ленин В. И. Полн. собр. соч., т. 51, с. 130).

Вскоре после создания первой радиолампы в нашей стране развернулось широкое строительство радиовещательных станций.

Как это часто бывает, одно научное открытие влечет за собой лавину новых. Так произошло и в радиоэлектронике. Всего лишь время жизни одного поколения отделяет нас от появления первых в мире радиоустройств - приемника и передатчика, изобретенных А. С. Поповым. Прогресс радиоэлектроники поистине поразителен.

Если в 1895 г. радиосигналы преодолевали всего лишь 250 м, то теперь радиоволны, посланные человеком, проходят, например, от Земли до Юпитера и обратно расстояние почти в 1,5 млрд. км. Это стало возможно благодаря бурному развитию радиолокации. Открытие радиолокации натолкнуло ученых на мысль облучать небесные тела радиоволнами, посылаемыми с Земли. Сегодня мы принимаем радиоизлучения галактик, находящихся от нас на расстояниях, которые свет проходит за миллиарды лет. В такую "глушь" не пробиваются самые мощные телескопы. Вполне вероятно, что именно радиоволны принесут нам, землянам, весть о существовании иной космической цивилизации.

Открытие радиолокации, без которой были бы немыслимы запуск спутников, выход человека за пределы атмосферы, освоение космоса, - заслуга ученых нашей Родины. Один из авторов этого открытия - П. К. Ощепков, в начале 30-х гг. участвовавший в создании первых радиолокаторов, в своей книге "Жизнь и мечта", выпущенной издательством "Московский рабочий" в 1977 г. (3-е издание), приводит документы, подтверждающие, что именно в Советском Союзе к середине 1934 г. на основе сделанного в СССР открытия были созданы первые радиолокаторы. Он пишет: "...до сих пор распространено мнение, будто радиолокация пришла к нам из-за границы. В действительности же она является детищем советского народа... Если американцы пишут, что у них первый контракт на постройку шести опытных станций б-ыл заключен в 1939 г., то у нас в Советском Союзе первый договор с заводом на постройку пяти опытных станций электромагнитного обнаружения самолетов был заключен еще 26 октября 1934 г. (заказы "Вега" и "Конус") - на пять лет раньше, чем в США. Ко всей этой истории мне пришлось иметь прямое отношение как ведущему эти работы по Управлению противовоздушной обороны и как главному инженеру опытного сектора УПВО РККА".

Важное значение в решении проблемы радиолокации имело изобретение инженером-конструктором В. П. Ильясовым многорезонаторного магнетрона - сердца всех современных радаров (авторское свидетельство № 95819 от 9 мая 1939 г.).

П. К. Ощепков документально раскрывает несостоятельность утверждения Черчилля, который вскоре после окончания второй мировой войны заявил в английском парламенте, что именно они, англосаксы, подарили миру радиолокацию - это величайшее, как он выразился, военное изобретение за последние 50 лет.

"Мы же, советские люди, - справедливо заключает П. К. Ощепков, - можем гордиться тем, что все исследования и само открытие радиолокации в нашей стране были сделаны самостоятельно и без посторонней помощи. Как радио, так и радиолокация своим существованием обязаны нашей Родине".

Эффект Кабанова

Долгое время после того, как было изобретено рядио, считалось, что для целей связи наиболее приемлемы длинные волны, так как они позволяют устанавливать связь на больших расстояниях, чем короткие. Казалось, что короткие волны, в отличие от длинных, не в состоянии распространяться на значительные расстояния за горизонт. Теперь весь мир. пронизывает радиосвязь на коротких волнах, хотя до 1947 г. никто не мог представить себе, чтобы радиосигнал, посланный на коротких волнах, можно было принять в том же месте, откуда он послан.

Профессор, доктор технических наук Н. И. Кабанов (Новосибирский электротехнический институт) открыл ранее неизвестное явление дальнего коротковолнового рассеяния радиоволн отдельными элементами поверхности Земли. Радиоволны, излучаемые радиопередающим устройством под некоторым углом к горизонту, отражаются ионосферой и идут обратно, к Земле. Часть их энергии рассеивается неоднородностями земной поверхности и распространяется в разные стороны. Рассеянные радиоволны вновь отражаются от ионосферы и возвращаются на Землю, причем какая-то их доля попадает и в то место, где находится радиопередающее устройство.

В 1950 г. Государственная комиссия под председательством академика А. И. Берга рассмотрела полученные Н. И. Кабановым данные и дала следующее заключение: "Настоящей работой впервые экспериментально установлено существование регулярных рассеянных отражений от Земли на коротких волнах, что имеет принципиальное значение для исследований условий распространения коротких волн, в частности применительно к эксплуатации магистральных линий и средств дальней радионавигации".

Американский физик Т. Л. Эккерслей, долгое время исследовавший коротковолновое рассеяние, отрицал возможность приема рассеянных отражений от Земли. Однако через два года после открытия Н. И. Кабанова коротковолновое рассеяние было подтверждено американским физиком А. Беннером.

Оригинальные эксперименты, поставленные Н. И. Кабановым, позволили обнаружить, что рассеяние радиоволн гористыми участками Земли происходит более интенсивно, чем морями, подтвердили, что по границам дальности отражений можно судить о состоянии ионосферы.

Использование эффекта Кабанова для исследования ионосферы (метод возвратно-наклонного зондирования) дает возможность определять условия распространения радиоволн в радиусе до 9-12 тыс. км, т. е. почти над четвертью поверхности земного шара. Метод возвратно-наклонного зондирования позволяет значительно повысить надежность радиосвязи. Он особенно ценен тем, что используется в весьма загруженном диапазоне коротких волн, обеспечивающих дальнюю радиосвязь. В нашей стране этот метод был разработан и вошел в практику на два года раньше, чем за границей.

Эффект Кабанова находит применение также в ионосферной радиолокации и в других областях радиосвязи. На основе эффекта Н. И. Кабанов и С. Г. Евскжов разработали способ радиолокационного загоризонтного обзора" поверхности Земли через ионизированные следы метеоров.

За рубежом эффект Кабанова получил всеобщее признание. Например, в Великобритании на ионосферной станции в Слоу ведутся наблюдения за прохождением радиоволн с использованием коротковолнового рассеянного отражения от Земли в радиусе до 6 тыс. км. В США разработаны сверхдальние загоризонтные радиолокаторы, основанные на эффекте Кабанова. Дальнейшее исследование этого эффекта сулит практике новые удачи.

Высоко оценивая открытие, профессор П. К. Ощепков в упомянутой книге пишет: "Теперь радиотехника и радиолокация обогатились еще одним мощным средством "просматривания" местности далеко за пределами горизонта Земли. Эффект Кабанова дает возможность не только обнаруживать те или иные изменения на обследуемых участках земной поверхности, но и быстро определять наивыгоднейшую волну, необходимую для установления связи с любым пунктом Земли. Направляя в заранее рассчитанное место радиосигнал на той или иной волне и регистрируя интенсивность пришедшего радиоэха, нетрудно установить, какая из посылаемых волн дает наилучший результат".

Открытие Н. И. Кабанова внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 1 с приоритетом от 15 марта 1947 г. Автору выдан диплом со следующей формулой открытия:

"Радиоволны, отраженные от ионосферы, при падении на Землю частично рассеиваются ее поверхностью, причем некоторая доля рассеянной энергии возвращается к источнику излучения, где и может быть зарегистрирована".

Освоение новых диапазонов радиоволн

Союз радио с разными отраслями знаний породил множество дочерних дисциплин: радионавигацию, радиометеорологию, радиоспектроскопию, радиогеологию, радиоастрономию и т. д. Сегодня нет такой отрасли знаний, которая могла бы обойтись без помощи радиоэлектроники. Радио и электроника вытеснили многие традиционные методы исследований.

Академик В. А. Котельников считает, что первой важнейшей задачей радиоэлектроники является освоение новых диапазонов радиоволн.

"Этот процесс, - подчеркивает он, - всегда открывал новые области применения радио. При освоении волн длиной в сотни метров и километры в 20-х гг. зародилась радиотелефония и широко развилось радиовещание. При освоении в 30-е гг. так называемых коротких волн - в десятки метров - стала возможной связь по радио при сравнительно небольших мощностях в пределах всего земного шара. При освоении метровых волн появились телевидение и радиолокация. Дальнейшее освоение метровых и более коротких волн дало возможность преодолеть ионосферу, окружающую Землю, принимать радиоизлучения из космоса, что привело ко многим принципиальным открытиям во Вселенной. Освоение дециметрового и сантиметрового диапазонов волн позволило создать радиорелейные линии связи, удовлетворяющие современным требованиям передачи информации, а также развить радиолокацию, космическую связь, радионавигацию и другие области применения радиоэлектроники".

Скорость продвижения ко все более коротким волнам до 50-х гг. характеризовалась следующим темпом: за пятилетие волна "укорачивалась" примерно в 10 раз. За последние 20-25 лет от сантиметров дошли уже до долей микрона, т. е. до светового диапазона. Сейчас диапазоны волн от десятков микрон до их долей быстро осваиваются с помощью когерентной техники, базирующейся на фундаментальных положениях квантовой механики и квантовой электроники.

"Относить лазерную технику к радиоэлектронике или нет, - говорит В.1 А. Котельников, - вопрос терминологический. Однако развитие лазерной техники - это продолжение того же процесса освоения все более и более коротких упорядоченных когерентных электромагнитных волн, создаваемых и управляемых по нашему желанию".

За столетие своего существования оптический микроскоп добился увеличения в 2 тыс. раз, тогда как электронный микроскоп увеличивает в сотни тысяч раз. С его помощью металловеды изучают структуру металлов и сплавов, биологи наблюдают вирусы. Уже создан протонный микроскоп, который увеличивает в миллионы раз. Он поможет раскрыть многие тайны вещества.

Известно, что человеческий организм приспособлен для определенных условий существования. Оптическое устройство, например, нашего глаза таково, что он воспринимает электромагнитные колебания только в диапазоне длин волн 0,4-0,8 мк. Поэтому люди делят предметы на видимые и невидимые, прозрачные и непрозрачные. Усилить зрение человеку помогает недавно родившаяся наука о внутривидении - электронная интроскопия. Одним из основателей этого важного научного направления и автором ряда изобретений в этой области является П. К. Ощепков.

Электромагнитные волны могут излучать любые окружающие нас тела, в том числе и живые существа, т. е. все предметы, температура которых отличается от абсолютного нуля. Такие волны иногда называют тепловыми. Это явление послужило основой развития термоинтроскопии и радиоинтроскопии. Принцип действия интроскопа состоит в том, чтобы различные невидимые излучения преобразовывать сначала в скрытое, а затем в зримое электрическое изображение. С помощью радиоинтроскопов ныне можно просмотреть любое изделие из неметаллических материалов, выявить в нем те или иные скрытые дефекты, остаточные напряжения, измерить его диэлектрические свойства, влажность и т. д.

Радиовидение - новое направление в технике. Оно основано на способности микрорадиоволн переносить информацию о расположении, форме и характере объектов, с которыми они вступают во взаимодействие, и возможности получать их изображение.

Электроника помогает обострить не только наше зрение, но и наш слух. Человек воспринимает звуковые волны с частотой не более 16 тыс. колебаний в секунду. Выше и ниже лежат прежде неведомые нам миры ультра- и инфразвуков. Теперь с помощью электронных приборов мы можем слышать разговор дельфинов, крики спасающихся от нападения рыб, писк летучих мышей.

В наш век бурного развития техники, возрастания потока научно-технической информации человеческая память запросила помощи. И она получила ее от электроники. Кибернетические электронные системы позволили моделировать процесс мышления. В настоящее время стоит проблема создания вычислительных машин четвертого поколения с быстродействием в сто и более миллионов операций в минуту и практически неограниченной памятью. Уже сегодня с помощью электроники люди могут управлять предприятиями, планировать развитие народного хозяйства.

"Современная радиоэлектроника, - рассказывает член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров, - с помощью которой создаются средства генерирования, преобразования, усиления электрических колебаний высокой и сверхвысокой частоты, Стала основой кибернетики - науки об оптимальном целенаправленном управлении процессами и объектами. В технике будущего найдут широкое распространение самонастраивающиеся кибернетические машины. Наряду с электронным мозгом, управляющим производственными процессами, широкое распространение приобретут информационно-диспетчерские машины, в задачу которых будет входить контроль за ходом производственных процессов, исправностью оборудования, движением материалов и полуфабрикатов".

Принципиально осуществимо электронное кибернетическое устройство, которое может самосовершенствоваться. Специальные электронные приборы могут воспроизводить человеческую речь. Властно вторгается радиоэлектроника в медицину. Снятие электрокардиограмм и энцефалограмм стало для медиков обычным делом. В последние годы в их распоряжении появились радиопилюли. В них размещается крошечный передатчик и датчики, сообщающие сведения прямо из желудка и кишечника больного.

Одной из областей, где радиоэлектроника получила широкое применение, является радиовещание и телевидение. Передающая телевизионная сеть Советского Союза- одна из самых мощных и разветвленных в мире. В последние годы возникла новая отрасль связи - космическая. Большое значение для этого имело создание системы "Орбита" - комплекса наземных станций, обеспечивающих прием телевизионного вещания с искусственного спутника Земли "Молния-1". Эта система; широко использующая последние достижения электроники и космической техники, позволяет принимать программы Центрального телевидения в самых отдаленных районах Дальнего Востока и Крайнего Севера.

Трудно представить себе современную науку без электронной аппаратуры. Когда процесс идет слишком быстро или медленно, когда исследование нужно проводить в холод или в жару, когда есть опасность взрыва или радиационного облучения, электронная аппаратура незаменима. Телевизионная камера позволит увидеть, что происходит в недоступной зоне, а электронная аппаратура зарегистрирует показания приборов. Благодаря телевидению многие люди побывали в кабине космического корабля и полюбовались лунным пейзажем.

Средства и методы электроники делают память человека глубже, способность анализировать и рассчитывать - сильнее, руку - гибче, глаза - зорче, слух - тоньше. Если раньше основной характеристикой уровня производительных сил той или иной страны была энерговооруженность, то теперь к ней присоединяется еще и оснащенность средствами электронной техники и радиоэлектроники. Электроника стала основой автоматики, кибернетики, вычислительной техники, прогрессивной технологии.

Из зерна, посеянного нашим великим соотечественником А. С. Поповым, выросло грандиозное дерево. У него такие крупные ответвления, как плазменная, полупроводниковая, молекулярная, квантовая электроника. За последние десятилетия особенно бурное развитие, вызвавшее настоящий переворот в науке и технике, получила квантовая электропика - одно из главных направлений современной научно-технической революции.