О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний

На основе первоисточников установлен приоритет в идеи магнетрона и разработке источника магнетронных высокочастотных электрических колебаний (магнетронного генератора). Рассмотрены приоритетные идеи и разработки А. Халла, Д. А. Рожанского, А. Жачека, А. А. Слуцкина, Д. С. Штейнберга, Х. Яги и К. Ока...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Наука та наукознавство
Date:	2016
Main Author:	Глебова, А.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України 2016
Subjects:	Історія науки і техніки
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/132300
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний / А.Н. Глебова // Наука та наукознавство. — 2016. — № 4. — С. 78-87. — Бібліогр.: 26 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-132300
record_format	dspace
spelling	Глебова, А.Н. 2018-04-16T17:25:01Z 2018-04-16T17:25:01Z 2016 О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний / А.Н. Глебова // Наука та наукознавство. — 2016. — № 4. — С. 78-87. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. 0374-3896 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/132300 621.396 На основе первоисточников установлен приоритет в идеи магнетрона и разработке источника магнетронных высокочастотных электрических колебаний (магнетронного генератора). Рассмотрены приоритетные идеи и разработки А. Халла, Д. А. Рожанского, А. Жачека, А. А. Слуцкина, Д. С. Штейнберга, Х. Яги и К. Окабе. На основі першоджерел установлено пріоритет в ідеї магнетрона та розробленні джерела магнетронних високочастотних електричних коливань (магнетронного генератора). Розглянуто пріоритетні ідеї та розробки А. Халла, Д. А. Рожанського, А. Жачека, А. О. Слуцкіна, Д. С. Штейнберга, Х. Ягі та К. Окабе. Review of source is made to fi nd out the priority in the idea development of the source for magnetron high-frequency electic vibrations (magnetron generator). Priority ideas and developments of A. Hull, D. Rozhanskiy, А. Zacek, A. Slutskin, D.Steinberg, H. Yagi, and K. Okabe are discussed. ru Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України Наука та наукознавство Історія науки і техніки О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний Про пріоритет створення магнетронного генератора високочастотних коливань The Priority of Creating Magnetron Generator of High Frequency Vibrations Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний
spellingShingle	О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний Глебова, А.Н. Історія науки і техніки
title_short	О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний
title_full	О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний
title_fullStr	О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний
title_full_unstemmed	О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний
title_sort	о приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний
author	Глебова, А.Н.
author_facet	Глебова, А.Н.
topic	Історія науки і техніки
topic_facet	Історія науки і техніки
publishDate	2016
language	Russian
container_title	Наука та наукознавство
publisher	Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України
format	Article
title_alt	Про пріоритет створення магнетронного генератора високочастотних коливань The Priority of Creating Magnetron Generator of High Frequency Vibrations
description	На основе первоисточников установлен приоритет в идеи магнетрона и разработке источника магнетронных высокочастотных электрических колебаний (магнетронного генератора). Рассмотрены приоритетные идеи и разработки А. Халла, Д. А. Рожанского, А. Жачека, А. А. Слуцкина, Д. С. Штейнберга, Х. Яги и К. Окабе. На основі першоджерел установлено пріоритет в ідеї магнетрона та розробленні джерела магнетронних високочастотних електричних коливань (магнетронного генератора). Розглянуто пріоритетні ідеї та розробки А. Халла, Д. А. Рожанського, А. Жачека, А. О. Слуцкіна, Д. С. Штейнберга, Х. Ягі та К. Окабе. Review of source is made to fi nd out the priority in the idea development of the source for magnetron high-frequency electic vibrations (magnetron generator). Priority ideas and developments of A. Hull, D. Rozhanskiy, А. Zacek, A. Slutskin, D.Steinberg, H. Yagi, and K. Okabe are discussed.
issn	0374-3896
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/132300
citation_txt	О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний / А.Н. Глебова // Наука та наукознавство. — 2016. — № 4. — С. 78-87. — Бібліогр.: 26 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT glebovaan oprioritetesozdaniâmagnetronnogogeneratoravysokočastotnyhkolebanii AT glebovaan propríoritetstvorennâmagnetronnogogeneratoravisokočastotnihkolivanʹ AT glebovaan thepriorityofcreatingmagnetrongeneratorofhighfrequencyvibrations
first_indexed	2025-11-25T18:41:42Z
last_indexed	2025-11-25T18:41:42Z
_version_	1850521539153231872
fulltext	78 ISSN 0374-3896 Science and Science of Science, 2016, № 4 УДК 621.396 А. Н. Глебова О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний На основе первоисточников установлен приоритет в идеи магнетрона и разработке источника магнетронных высокочастотных электрических колебаний (магнетронного генератора). Рассмотрены приоритетные идеи и разработки А. Халла, Д. А. Рожанско- го, А. Жачека, А. А. Слуцкина, Д. С. Штейнберга, Х. Яги и К. Окабе. Ключевые слова: магнетрон, магнитное поле, магнетронный генератор, высоко- частотные колебания, электрические колебания, электромагнитные колебания, магне- тронные колебания, трехэлектродная лампа. В 20-х годах ХХ ст. радиофизикам были известны два основных метода воз- действия на пучок движущихся электро- нов: электростатическим или магнитным полем. Эти принципы использовались в электронных лампах для управления потоком электронов. К лампам первого типа относятся диод (кенотрон) и триод, второй тип представлен магнетроном. К тому времени возможности ламп первого типа были хорошо изучены, о магнетро- не же было известно сравнительно мало. Поэтому первоначально для генерации незатухающих электромагнитных ко- лебаний в радиотехнике использовался триод (в научном обиходе для него встре- чались также названия «радиотрон» в США, «усилительная лампа» или «катод- ное реле» в России и др.). К середине 20-х годов существова- ло большое разнообразие генераторных схем на основе триода [1; 2], в которых период колебаний определялся вели- чиной индуктивности и емкости внеш- него колебательного контура. Длина волны колебаний в таких схемах изменя- лась от километров до 15 м [1]. В 1922 г. в Нижегородской радиолаборатории М. А. Бонч-Бруевичем [3], а затем Н. Ни- китиным и В. Татариновым [4] были раз- работаны схемы, позволяющие генери- ровать колебания с длиной волны 3–4 м при сохранении мощности, достаточной для измерения ее ваттметром. В последу- ющие годы, по мере усовершенствова- ния методов и схем генерации коротких электромагнитных волн, минимальная длина волны была доведена до 2,8 м [2]. При исключительных условиях удава- лось получить длины волн порядка 1 м и меньше. Например, в 1921 г. А. Данилев- ский своем докладе на VІІІ Электротех- ническом съезде сообщил о полученных им волнах длиной около 20 см. При этом использовались лампа с двумя анодами и двумя сетками. Принципиально новый метод гене- рации коротких электромагнитных волн был открыт в 1920 г. немцами Г. Баркга- узеном [27] и К. Куртцем [5]. Они полу- чили собственные колебания в вакуум- ном триоде с частой и тонкой сеткой при большом (до 500 В) положительном по- тенциале на ней и при меньшем отрица- тельном потенциале на аноде. Причиной колебаний они считали механические колебания облачка электронов от нити к отрицательному аноду и обратно око- ло положительной сетки, однако теоре- тическая сторона явления им была не до конца ясна. Наиболее короткие волны, наблюдавшиеся Баркгаузеном и Курт- цем, имели длину 43 см. На год раньше Виддингтон [6] обнаружил собственные колебания в газонаполненном триоде с © А. Н. Глебова, 2016 ІСТОРІЯ НАУКИ І ТЕХНІКИ ISSN 0374-3896 Наука та наукознавство, 2016, № 4 79 О ПРИОРИТЕТЕ СОЗДАНИЯ МАГНЕТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ частотой, пропорциональной величине me / для ионов данного газа и обратно пропорциональной расстоянию «нить – сетка» (здесь е и т – соответственно заряд и масса ионов). В дальнейшем метод Бар- кгаузена – Куртца в различных модифи- кациях широко использовался в тех слу- чаях, когда необходимо было получить мощные и устойчивые колебания очень высокой частоты, т. е. с длиной волны, меньшей 1 м. Так, К. Коль в результате длительного конструирования электрон- ных ламп создал триод, способный гене- рировать волны длиной 30 см при напря- жении на сетке 600 В [7]. Х. Хольманну, работавшему с французской лампой ТМС, удалось получить волны порядка 16 см и наблюдать волну в 13,2 см при на- пряжении на сетке 400 В [8]. Еще более существенных результатов в уменьшении длины волны и упрощении техники экс- перимента удалось добиться В. И. Ка- линину из Физического института Са- ратовского университета [9]. Проводя опыты с лампой Г-І Треста слабых токов, он получил устойчивые волны длиной 14,4–14,6 см, мощность которых, по его оценкам, превосходила мощность всех полученных ранее волн такого же поряд- ка длины. Более того, с той же лампой он наблюдал волну длиной около 8 см, которая по ряду причин не могла быть практически использована. Эти результаты были опубликованы в 1929 г. В 1927 г. отмечалось, что верхний предел частот генерируемых колебаний в схемах с использованием триода огра- ничивается не только недостаточной ра- циональностью применяемых методов, но и свойствами самих ламп [2]. Альтер- нативой использованию триода в гене- раторных схемах явился магнетронный метод генерирования электромагнитных колебаний, который был открыт в сере- дине 20-х гг. и впоследствии развивался параллельно с дальнейшим усовершен- ствованием схем на основе триода. Первооткрывателем магнетрона счи- тается американский физик А. Халл [2], который в 1916 г. запатентовал выдвину- тый им принцип управления интенсив- ностью колебаний в диоде с помощью переменного магнитного поля [10], а в 1921 г. опубликовал первое сообщение по теории магнетрона [12] и ввел тер- мин «магнетрон» [11]. Первоначально магнетрон представлял собой цилиндри- ческий диод, помещенный в однород- ное магнитное поле, параллельное его оси. Электроны, вылетающие из катода в таком диоде, испытывают воздействие со стороны взаимно перпендикулярных полей – электрического и магнитного, в результате чего при увеличении магнит- ного поля до некоторого критического значения ток через лампу прекращается. Критическая величина магнитного поля Нкр. может быть рассчитана по формуле: ,= e Vm8 . RêðHНкр где R – радиус цилиндра анода, V – анодное напряжение, m и e – соответ- ственно масса и заряд электрона [11; 12]. При несколько меньшем магнитном поле электронный поток уменьшается, оставаясь все же больше нуля, в резуль- тате чего характеристика магнетрона оказывается резко падающей. А. Халл показал, что для получения наибольшей крутизны характеристики необходимо, чтобы катод был расположен строго сим- метрично по отношению к аноду. С 1913 г. А. Халл был сотрудником исследовательской лаборатории ком- пании «Дженерал Электрик». В начале 20-х гг. он успешно занимался разработ- кой теории и исследованием возможно- стей применения магнетрона. С января 1920 г. по ноябрь 1921 г. он запатентовал пять заявок на различные вакуумные лампы, в которых применялся магнит- ный метод воздействия на электронный пучок. В своих работах 1921–1925 гг. А. Халл описал два типа магнетронов: в магнетронах первого типа катушка, соз- дающая управляющее магнитное поле, является внешней по отношению к лам- пе [11]; в приборах второго типа управ- ляющим фактором является магнитное поле нагрева нити [13]. Первые попытки использования магнетрона в качестве генератора были 80 ISSN 0374-3896 Science and Science of Science, 2016, № 4 А. Н. Глебова сделаны вскоре после его открытия. В 1922–1923 гг. британская компания «Томсон – Хаустон» получила ряд па- тентов на различные применения магне- трона, в том числе в качестве генератора высокочастотных колебаний [14]. В схе- ме, разработанной специалистами ком- пании, электромагнитные колебания возникали в результате взаимодействия разряда внешней емкости с электронным потоком и с магнитным полем катуш- ки, намотанной на стеклянный баллон магнетрона. Модуляция высокочастот- ных колебаний колебаниями звуковой частоты осуществлялась путем воздей- ствия цепи микрофона на управляющее магнитное поле магнетрона. В 1924–1925 гг. работа магнетрона в качестве генератора изучалась в лабора- тории «Дженерал Электрик» Г. Мерсером и Ф. Элдером. При этом применялись усилительные схемы, немного модифи- цированные для случая генератора, ча- стота колебаний в которых определялась параметрами внешнего колебательного контура и сопротивлением нагрузки. Во второй части работы [15] детально опи- саны оборудование и условия, необхо- димые для эффективной работы генера- торной схемы, содержащей магнетрон, приведены результаты многочисленных экспериментов, в которых была достиг- нута выходная мощность от 3 до 12 кВт на частотах, соответствующих длинам волн 12–15 км при анодном напряжении от 3 до 10 тыс. В. В статье представлены также результаты исследований восьми магнетронных ламп с различной дли- ной и диаметром анода. При этом отме- чалось, что использование магнетрона в качестве генератора на высоких частотах ограничено трудностями, возникающи- ми при создании необходимой величины управляющего переменного магнитного поля. Для получения высокочастотных колебаний, по мнению Ф. Элдера, про- водимость катушки должна быть неболь- шой, а ток через нее – очень большим, т. е. катушка, создающая магнитное поле, должна состоять из нескольких витков. А. Халлу и его коллегам из «Джене- рал Электрик» не удалось обнаружить в середине 20-х гг. собственные электро- магнитные колебания в магнетроне. Тем не менее, в 1925 г. он отметил в одной из своих работ [13], что магнетрон способен генерировать высокочастотные колеба- ния типа наблюдавшихся Баркгаузеном и Куртцем, хотя он сам не исследовал такую возможность. В 1924 г. была опу- бликована статья немецкого ученого Э. Хабанна из Йенского университета, в которой утверждалось, что отрицатель- ное сопротивление магнетрона может явиться причиной возникновения коле- баний с частотой, определяемой внеш- ним резонансным контуром. Важнейшее открытие, состоящее в том, что магнетрон в постоянном магнит- ном поле может генерировать собствен- ные высокочастотные колебания, было сделано независимо в Чехословакии и в Украине, но оно оставалось практически неизвестным для ученых других стран вплоть до 1927–1928 гг., когда в Японии были опубликованы первые сообщения о коротковолновых магнетронных коле- баниях, сразу же получившие широкую известность в США. Вследствие этого нередко можно встретить упоминания о японских ученых К. Окабе и Х. Яги как о первых исследователях высокочастот- ных свойств магнетрона. По этому пово- ду физик из Праги А. Жачек [27] в ста- тье, опубликованной в 1928 г., писал: «В июньском номере Proc. Inst. Radio Eng. 16, с. 729, 1928 г-н Х. Яги описал мето- дику, позволяющую получить короткие незатухающие электромагнитные волны при помощи магнетрона [17]. Точно та- кая же методика была разработана мной 4 года назад. Соответствующие пись- менные сообщения чешских авторов… были опубликованы в июньской тетра- ди Casopis pro pest. mat. a fys. 53, с. 378, 1924… Методика защищена чехословац- ким патентом № 20293 (заявка подана 31 мая 1924 г., свидетельство выдано 15 фев- раля 1926 г.») [16; 18]. В своих работах А. Жачек подробно описал процесс генерации незатухающих электрических колебаний в магнетроне. Для проведения опытов он использовал обычную выпрямительную лампу с ци- ISSN 0374-3896 Наука та наукознавство, 2016, № 4 81 О ПРИОРИТЕТЕ СОЗДАНИЯ МАГНЕТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ линдрическим анодом диаметром около 8 мм, вдоль оси которого была натянута вольфрамовая проволока – катод прямо- го накала, эмиссия из которого состав- ляла приблизительно 20 мА. Лампа была смонтирована в магнитной катушке та- ким образом, чтобы ось катушки совпа- дала с катодом лампы, при этом силовые линии магнитного поля были параллель- ны нити накала. При помощи батареи, подключенной между нитью накала и анодом, на анод подавалось положитель- ное напряжение, благодаря чему вылета- ющие из катода электроны приобретали радиальное ускорение по направлению к аноду. С увеличением интенсивности протекающего через катушку постоян- ного тока траектория электронов искри- влялась, так что они двигались уже не перпендикулярно аноду, а под острым углом, тем меньшим, чем больше напря- женность магнитного поля. При опре- деленной критической интенсивности электроны уже не достигали анода, а по кривой возвращались к катоду. В этот момент в системе возникали электриче- ские колебания, которые можно было наблюдать при помощи миллиампер- метра, включенного в цепь анода. При дальнейшем возрастании напряженно- сти магнитного поля анодный ток бы- стро снижался до нуля, одновременно исчезали колебания в системе. Таким образом, А. Жачек экспери- ментально установил, что при наличии постоянного магнитного поля радиаль- ное, непериодическое движение элек- тронов в цилиндрическом диоде может быть преобразовано в криволинейное периодическое движение, что и «являет- ся причиной возникновения электриче- ских колебаний по новому методу. При этом между катодом и анодом существу- ет колебательная система, генерирующая незатухающие электрические колеба- ния» [16; 18]. Исходя из результатов проведенных опытов А. Жачек пришел к заключению, что интенсивность колебаний достигает максимального значения при критиче- ской напряженности магнитного поля Нк, которая, в свою очередь, зависит от величины анодного напряжения Еа. Длина волны колебаний λ зависит от диаметра анода, а также от величин Нк и Еа, причем эта зависимость может быть приближенно описана следующими формулами: /a Hkλ = , /A Ea Bλ = − , где а, А, В – постоянные. Наиболее короткие волны, которые смог получить А.Жачек, имели длину 29 см при анодном напряжении 300 В. Разработчики магнетронов из США, Японии и других стран ознакомились с методом, разработанным А. Жачеком, лишь после опубликования его статьи 1928 г. [1]. Там не менее, в более поздних публикациях зарубежных исследовате- лей [19; 20] открытие магнетронного ме- тода генерирования электромагнитных колебаний все же связывается иногда с именем А. Жачека, тогда как некото- рые отечественные авторы называют в этой связи имена украинских ученых А. А. Слуцкина и Д. С. Штейнберга. К сожалению, ни в одной из извест- ных публикаций в числе создателей магнетронного генератора не упомина- ется руководитель Харьковской науч- но-исследовательской кафедры физики Д. А. Рожанский [27], предложивший экспериментальный метод получения высокочастотных колебаний в магнит- ном поле почти одновременно с А. Жа- чеком и независимо от него. На IV съезде Российской ассоциации физиков, про- ходившем 15–20 сентября 1924 г. в Ле- нинграде, Д. А. Рожанский сделал сооб- щение об экспериментах, проведенных им в Ленинградском политехническом институте [22]. С помощью трехэлек- тродной лампы, включенной по схеме Баркгаузена и помещенной между полю- сами электромагнита, он наблюдал воз- никновение колебаний с длиной волны, значительно меньшей (по предположе- нию Рожанского), чем у колебаний, по- лученных методом Баркгаузена. Сотрудник Харьковской кафедры физики А. А. Слуцкин впервые заин- тересовался проблемой генерирования 82 ISSN 0374-3896 Science and Science of Science, 2016, № 4 А. Н. Глебова высокочастотных колебаний, будучи еще студентом Харьковского универси- тета [27]. В 1913–1915 гг. под руковод- ством Д. А. Рожанского он изучал усло- вия работы колебательного контура с искрой, а в 1919 г. начал эксперименты по генерированию колебаний по схеме Баркгаузена – Куртца, которые приве- ли его к мысли о возможности замены положительной сетки триода внешним магнитным полем. В первых экспери- ментах 1924–1926 гг., предпринятых им совместно с Д. С. Штейнбергом по пред- ложению Д. А. Рожанского, были полу- чены магнетронные колебания длиной волны от 40 см до 3 м [23]. В 1928–1929 гг. харьковским ученым удалось уменьшить длину волны колебаний в сплошном магнетроне до 7,3 см. О полученных ре- зультатах они сообщили на заседании Харьковского кружка физиков в 1926 г., а также на V и VІ съездах русских физиков в 1926 и 1928 гг. В своих исследованиях А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг опира- лись на известные им работы А. Халла. Уже после опубликования своих резуль- татов они получили возможность озна- комиться со статьей Х. Грейнахера [24], также изучавшего действие аксиального магнитного поля на движение электро- нов в цилиндрическом диоде. Оба авто- ра ни разу не наблюдали возникновение согласованных колебаний электронов в диоде. Таким образом, исследования украинских ученых по обнаружению магнетронных колебаний носят полно- стью оригинальный характер. В своих экспериментах А. А. Слуц- кин и Д. С. Штейнберг использовали тре- хэлектродную лампу с цилиндрическим анодом и спиральной сеткой, включен- ную по схеме Баркгаузена. Анод лампы соединялся накоротко или с сеткой, или с катодом, почти не влияя на возникно- вение колебаний. Для обнаружения ко- лебаний применялся метод симметрич- ного детекторного мостика, состоявшего из двух конденсаторов, соединенных по- следовательно через кристаллический детектор и гальванометр. Интенсивность колебаний считалась пропорциональ- ной отклонению стрелки гальваноме- тра, длина волны определялась путем перемещения мостика вдоль лехеровой системы, включенной между сеткой и катодом. Необходимое магнитное поле напряженностью до 3000 Гс создавалось полукольцевым электромагнитом Дюбуа и вначале было ориентировано парал- лельно нити катода. Наблюдая зависимость анодно- го тока от величины магнитного поля, А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг обна- ружили, что при определенных значе- ниях напряженности магнитного поля можно наблюдать резкое возрастание тока между катодом и сеткой, что соот- ветствует возникновению в лампе «бы- стрых электромагнитных колебаний». Их интенсивность довольно значительна и при благоприятных условиях может в десятки раз превышать интенсивность колебаний, полученных методом Барк- гаузена – Куртца. В работе [22] показано, что интенсивность колебаний в описан- ной системе может изменяться в очень широких пределах и зависит от трех фак- торов: от величины магнитного и элек- трического полей, температуры нити, а также от положения лампы относитель- но магнитного поля и асимметрии в рас- положении ее частей. В работе [23] отмечается, что изме- ренная интенсивность колебаний была наибольшей не при полном совпадении направлений магнитного поля и катода, а при некотором угле между ними, раз- личном для разных ламп, однако не пре- вышающем 50. В статье [22] приведены результаты многочисленных экспери- ментов по определению потенциалов на аноде, останавливающих анодный ток, частоты и интенсивности колебаний, зависимости анодного тока от азимута лампы относительно магнитного поля и др. Последний раздел работы [23] по- священ рассмотрению колебаний в ак- сиальном магнитном поле. «Интересной особенностью этих колебаний является то, – писали харьковские ученые, – что они наблюдаются между нитью и сеткой; анод никакого влияния на них не ока- зывает, так что для получения колеба- ний достаточно двухэлектродной лампы. ISSN 0374-3896 Наука та наукознавство, 2016, № 4 83 О ПРИОРИТЕТЕ СОЗДАНИЯ МАГНЕТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ Длина волны этих колебаний порядка нескольких десятков сантиметров и за- висит от силы как электрического, так и магнитного поля, а также от величины тока накала». Рассматривая совместное действие на электрон, вылетевший из катода, од- нородного магнитного и цилиндрическо- го электрического полей, А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг качественно описали орбиту электрона и получили формулу для периода колебаний [23]. Однако пе- риоды колебаний, рассчитанные по этой формуле, были всегда в несколько раз меньше наблюдавшихся в ходе экспери- мента. Авторы объяснили это тем, что в трехэлектродной лампе, применявшейся в данной серии опытов, анодом служила сетка, в связи с чем характер электри- ческого поля значительно отличался от цилиндрического. Для окончательного выяснения этого вопроса А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг перешли к экспери- ментам со специальными лампами с ци- линдрическим анодом. По просьбе Д. А. Рожанского Трест малых токов изготовил диоды с анодом из немагнитного материала (тантала) ди- аметром 3,6 и 12 мм. Устойчивые и интен- сивные колебания наблюдались в лампах с анодами 6 и 12 мм, с которыми и прово- дились дальнейшие исследования. Было обнаружено, что использование диодов в данной схеме имеет существенные отли- чия по сравнению с трехэлектродными лампами: во-первых, диоды отличаются значительно большей крутизной харак- теристики анодного тока; во-вторых, меньшей напряженностью магнитного поля, необходимого для почти полного прекращения тока через диод; в-третьих, той точкой характеристики, в которой наблюдаются электронные колебания. В то время как в триодах колебания воз- никали на падающем участке характери- стики при самых различных значениях магнитного поля порядка нескольких сотен Гс, в диодах – в самом начале рез- ко падающего участка характеристики в очень ограниченном интервале значений поля, не превышающих 5–7 Гс. Эти ко- лебания авторы назвали «начальными» в отличие от колебаний значительно мень- шей интенсивности, наблюдавшихся при сильных магнитных полях (1000 Гс). А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг провели серию опытов по изучению «на- чальных» колебаний. При изменении напряжения на аноде в пределах от 100 до 300 В подбиралось соответствующее магнитное поле, при котором возбужда- лись колебания, при этом наблюдались длины волн от 50 до 125 см. Абсолютные значения длины волны λ гораздо лучше соответствовали величинам, рассчитан- ным по формуле, чем для случая триода, но все же экспериментальные значения λ превышали теоретические приблизи- тельно в 1,5 раза. Исследователи пришли к выводу, что это расхождение вызва- но наличием пространственного заряда между катодом и анодом, который ме- няет характер электрического поля. Это подтверждалось также тем фактом, что при увеличении разогрева катода наблю- давшаяся длина волны всегда возрастала. При этом формула для периода ко- лебаний приобретает иной вид. Перио- ды, рассчитанные по ней, отличались от наблюдавшихся в ходе экспериментов всего лишь на 10%. По мнению харь- ковских ученых, большего совпадения нельзя было ожидать, т. к. при возник- новении колебательного движения элек- тронов структура поля неизбежно будет отличаться от той, которая описывается формулой Ленгмюра. Не делая оконча- тельных выводов относительно физиче- ской природы колебаний, А. А. Слуцкин и Д. С. Штейнберг отмечали, что все полученные ими результаты позволяют считать причиной наблюдавшихся в дио- дах колебаний согласованные пульсации электронов между катодом и анодом, та- ким образом «магнитное поле является очень удобным средством для получения быстрых колебаний электронов в катод- ных лампах» [23]. Формула для периода колебаний в диодах, выведенная А. А. Слуцкиным и Д. С. Штейнбергом исходя из физиче- ских представлений о движении электро- на в электрическом и магнитном полях, полностью подтверждает качественные зависимости, полученные ранее А. Жа- чеком на основе анализа опытных дан- 84 ISSN 0374-3896 Science and Science of Science, 2016, № 4 А. Н. Глебова ных. Это свидетельствует об общности физических явлений, наблюдавшихся чешским и украинскими учеными, и подтверждает правильность предполо- жений, сделанных А. А. Слуцкиным и Д. С. Штейнбергом при выводе своей формулы. В этот же период аналогичные ис- следования, ставящие целью создание магнетронных генераторов для коротко- волновых систем связи, проводились в Японии под руководством электрофизи- ка Х. Яги, получившего в 1909 г. диплом инженера в Токийском университете. До Первой мировой войны он совершен- ствовался в Англии у Дж. Флеминга – изобретателя диода [27], во время своих посещений Дрездена работал вместе с Г. Баркгаузеном, впервые наблюдавшим высокочастотные колебания в вакуум- ном триоде с положительной сеткой [27]. С началом войны Х. Яги вернулся в Япо- нию, где преподавал в университете го- рода Сендай и получил в 1919 г. степень доктора наук. В начале 20-х гг. он узнал об изобретенном А. Халлом магнетроне от японского морского офицера, возвра- тившегося из поездки в США. Под руко- водством Х. Яги в Японии были начаты работы по использованию магнетрона для генерирования коротких радиоволн. В 1928 г. Х. Яги посетил США, где опубликовал свою статью с изложением основных результатов исследования в области коротковолновой техники [17]. Второй ее раздел был посвящен описа- нию способов получения высокочастот- ных колебаний с помощью магнетронов различной конструкции. Здесь рассма- тривался принцип действия магнетрона и условия возникновения колебаний, приводились зависимости анодного тока от напряженности магнитного поля, построенные при различных значениях анодного напряжения. При небольших их величинах эти зависимости анало- гичны характеристикам, полученным А. Халлом, а затем А. А. Слуцкиным и Д. С. Штейнбергом. В ходе своих исследований возмож- ности применения магнетрона в каче- стве генератора колебаний Х. Яги изучал лампы различных конструкций: цилин- дрический диод, триод, а также диод, в котором катод выполнен в виде прямой нити, а анод – в виде пластины. Было об- наружено, что любая из этих ламп может служить для генерации высокочастотных колебаний при достаточной величине анодного напряжения и соответствую- щей напряженности магнитного поля, однако для получения возможно более коротких волн предпочтительнее сим- метричная конструкции. Так, колебания с минимальной длиной волны в 12 см наблюдались в диоде с цилиндрическим анодом при анодном напряжении 1250 В. Для приближенной оценки длины вол- ны колебаний в лампах различной кон- струкции Х. Яги пользовался полуэмпи- рической формулой. Проведенное японским ученым иссле- дование влияния геометрии лампы на вели- чину высокочастотного выходного сигнала показало, что при конструировании магне- тронов необходимо точное соблюдение пропорций. Так, для получения наиболее коротких волн диаметр анода должен умень- шаться, но при этом колебания становятся менее интенсивными. Отношение длины анода к его диаметру не должно быть слиш- ком малым, в противном случае колебания едва различимы. При постоянном диаметре анода в цилиндрическом диоде наиболь- шей интенсивностью обладают колебания, возникающие при большем диаметре нити катода. Большое значение имеет располо- жение лампы в магнитном поле. Малейшее отклонение от центра катушки, создающей магнитное поле, ведет к значительному уменьшению интенсивности колебаний. Наиболее существенное улучшение конструкции магнетрона, по мнению Х. Яги, может быть произведено, если цилиндрический анод разрезать на 2 или 4 сегмента узкими щелями, параллель- ными оси цилиндра. Каждый из ано- дных сегментов при этом образует ре- зонансный контур, собственная частота которого зависит от емкости сегмента и индуктивности вывода. Путем настрой- ки этих резонансных контуров можно добиться того, что эффект уменьшения длины волны с ростом анодного напря- ISSN 0374-3896 Наука та наукознавство, 2016, № 4 85 О ПРИОРИТЕТЕ СОЗДАНИЯ МАГНЕТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ жения, наблюдавшийся Х. Яги в магне- тронных лампах различных типов, ста- новится практически незаметным. Эти исследования были продолже- ны другим японским ученым К. Окабе, который провел эксперименты с раз- личным расположением электродов в магнетроне и установил, что наибольшая выходная мощность может быть полу- чена в магнетроне с разрезным анодом. В работе [17] Х. Яги отмечает, что такой магнетрон наилучшим образом может быть использован для генерации очень интенсивных колебаний с длиной волны около 40 см. Во время посещения США Х. Яги не только широко пропагандировал до- стижения японских ученых в области высокочастотной радиотехники, но и посетил исследовательскую лабора- торию «Дженерал Электрик», где был изобретен магнетрон. Это посещение и беседы, проведенные им в лаборато- рии, стимулировали начало разработки в США магнетронного генератора с ча- стотой 400 МГц (что соответствует длине волны 75 см), который в начале 30-х гг. использовался специалистами из «Дже- нерал Электрик» при экспериментах с короткими радиоволнами. Ведущим разработчиком японским магнетронов в 20-е гг. был ученик Х. Яги, К. Окабе, окончивший университет в 1922 г. и защитивший в 1928 г. доктор- скую диссертацию под руководством Х. Яги. В 1927 г. он сообщил об обнару- жении магнетронных колебаний с дли- ной волны порядка 30 см [25]. К. Окабе запатентовал свое изобретение в Японии в 1927 г. и в США в 1928 г. В начале 1929 г. в лаборатории профессора Яги, где рабо- тал К. Окабе, были расширены работы по изучению магнетронных колебаний, в результате чего получены мощные ко- лебания с длиной волны 5,6 см. Это в два раза меньше, чем наименьшие значения длины волны колебаний в магнетронных генераторах, о которых сообщал в 1928 г. Х. Яги, в четыре раза меньше, чем наибо- лее короткие волны, полученные к тому времени по методу Баркгаузена – Курт- ца, и приблизительно в пять раз меньше, чем длины волн, наблюдавшиеся А. Жа- чеком в 1924 г. При этом К. Окабе утверж- дал, что практически нет препятствий к созданию магнетрона, генерирующего достаточно мощные колебания с длиной волны в несколько миллиметров. Если же не принимать во внимание интенсив- ность этих колебаний, то длина волны может быть еще меньшей. В статье «О коротковолновом пределе магнетрон- ных колебаний» [26] К. Окабе приводит теоретическую и экспериментальную формулы для расчета минимального значения длины волны, которая может быть получена с помощью магнетронно- го генератора. Обе формулы отличались только постоянным множителем, свиде- тельствующем о том, что длина волны не зависит от приложенного к аноду напря- жения и определяется напряженностью магнитного поля, причем автор утверж- дал, что обе эти характерные черты пол- ностью подтверждаются проведенными экспериментами. В работе [23] К. Окабе отмечал, что магнетронные колебания высокой ча- 86 ISSN 0374-3896 Science and Science of Science, 2016, № 4 А. Н. Глебова стоты принадлежат к двум различным типам – А и В, причем частота колеба- ний А-типа практически не зависит от внешнего резонансного контура, а коле- баний В-типа – существенно зависит от него. Наибольшая интенсивность коле- баний была получена К. Окабе и Х. Яги для случая комбинации колебаний А- и В-типов. Колебания же, наблюдавшиеся А. Жачеком, принадлежат, по мнению К. Окабе, к А-типу. Можно утверждать, что японские ученые внесли существенный вклад в исследование коротковолновых свойств магнетрона, однако приори- тет в экспериментальном обнаружении высокочастотных колебаний в магне- троне принадлежит, безусловно, чеш- скому физику А. Жачеку [18], а в их теоретическом описании – украинском ученым А. А. Слуцкину и Д. С. Штей- нбергу [23]. В дальнейшем магнетрон- ное направление стало ключевым в деятельности украинских ученых, раз- витие которого привело к созданию на- учной школы А. А. Слуцкиным и Ин- ститута радиофизики и электроники АН УССР в Харькове. 1. Введенский Б. Термоэлектронная лампа как физический прибор / Б. Введенский // Успехи физ. наук. – 1923. – Т. 3. – Вып. 2–3. – С. 277–280. 2. Миллер Ф. А. О генерации весьма коротких электрических волн с помощью электронных ламп /Ф. А. Милллет // Журн. рус. физ.-хим. общ., ч. физ. – 1927. – Т. 59. – Вып. 3–4. – С. 281–301. 3. В лаборатории М. А. Бонч-Бруевича / Телегр. и телеф. без пров. – 1922. – № 15. – С. 589. 4. Никитин Н. Применение мощных катодных реле для получения коротких волн / Н. Никитин, В. Татаринов // Телегр. и телеф. без пров. – 1922. – № 16. – С. 685. 5. Barkhausen H. Die kurzesten, mit Vakuumrohren herstellbaren Wellen / H. Barkhausen, K. Kurts // Phys. Zeitschr. – 1920. – 21. – N 1. – S. 1–6. 6. Whiddington R. Ionic Oscillations in Three-Electrode Thermionic Valves / R. Whiddington // Radio Rev. – Nov. 1919. – 1. – P. 53. 7. Kohl K. Uber kurze ungedampfte elektrische Wellen / K. Kohl // Ann. d. Phys. – 1928. – 85. – H. 1. – S. 1–62. 8. Hollmann H. E. Ein Rohremossillator fur sehr kurze ungedampfte Wellen / H. E. Hollmann // Ann. d. Phys. – 1928. – 86. – H. 8. – S. 1062–1070. 9. Калинин В. И. О получении ультракоротких волн по схеме Баркгаузена – Куртца / В. И. Калинин // Журн. рус. физ. хим. общ., ч. физ. – 1929. – Т. 61.– Вып. 2. – С. 131–141. 10. Глебова А. Н. Магнетроны А. Халла / А. Н. Глебова // Матем. естествознание: фрагменты исто- рии. – К., 1992. – С. 215–224. 11. Hull A. The Magnetron / A. Hull // AIEE Journ. – 1921. – 40. – N 9. – P. 715–723. 12. Hull A. The Motion of Electrons between Coaxial Cylinders in a Uniform Nagnetic Field / A. Hull // Phys. Rev. – 1921. – 12. – N 4. – P. 539–540. 13. Hull A. The Motion of Electrons between Coaxial Cylinders under the Infl uence of Current Along the Axis / A. Hull // Phys. Rev. – 1925. – 25. – N 5. – P. 645–669. 14. Макаревский Г. Н. Магнетрон / Г. Н. Макаревский // Телегр. и телеф. без пров. – 1923. – № 19. – С. 205–206. 15. Elder F. The Magnetron Amplifi er and Power Oscillator / F. Elder // Proc. IRE. – 1925. – 13. – N 2. – P. 159–188. 16. Zacek A. Ueber eine Methode zur Erzeugung von sehr kurzen electromagnetischen Wellen / A. Zacek // Zeitschr. f. Hochfreq. – 1928. – 32. – S. 172. 17. Yagi H. Beam Transmission of Ultra Short Waves / H. Yagi // Proc. IRE. – 1928. – 16. – N 6. – P. 715– 741. 18. Zacek A. Nova methoda vytvoreni netlumenych cacilaci / A. Zacek // Casopis pro pest. mat. a fys. – 1924. – 53. – S. 378. 19. Brittain J. The Magnetron and the Beginning a of the Microwave Age / J. Brittain // Physics Today. – July 1985. – P. 60–67. 20. Rice C. Transmission and Reception of Centimeter Radio Waves / C. Rice // Gen. El. Rev. – 1936. – 39. – N 8. – P. 363–369. ISSN 0374-3896 Наука та наукознавство, 2016, № 4 87 О ПРИОРИТЕТЕ СОЗДАНИЯ МАГНЕТРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ 21. Рожанский Д. А. О некоторых случаях действия магнитного поля на электронный разряд / Д. А. Рожанский // ІV съезд русских физиков. – Л., 1924. – С. 41–42. 22. Слуцкин А. А. Получение колебаний в катодних лампах при помощи магнитного поля / А. А. Слуцкин, Д. С. Штейнберг // Журн. рус. физ.-хим. общ., ч. физ. – 1926. – Т. 58. – Вып. 2. – С. 395–407. 23. Greinacher H. // Verh. d. Deutsch. Physik. Gesellsch. – 1912. – 14. – S. 856. 24. Okabe K. Production of Extra Short Electromagnetic Waves by Split. – Anode Magnetron / K. Okabe // Proc. Imp. Acad. of Japan. – 1927. – 3. – N 8. – P. 514–515. 25. Okabe K. On the Short-Wave Limit of Magnetron Oscillations / K. Okabe // Proc. IRE. – 1929. – 17. – N 4. – P. 652–659. 26. Храмов Ю. А. История физики / Ю. А. Храмов. – К. : Феникс, 2006. Получено 16.08.2016 А. М. Глєбова Про пріоритет створення магнетронного генератора високочастотних коливань На основі першоджерел установлено пріоритет в ідеї магнетрона та розробленні джерела магнетронних високочастотних електричних коливань (магнетронного генератора). Розглянуто пріоритетні ідеї та розробки А. Халла, Д. А. Рожанського, А. Жачека, А. О. Слуцкіна, Д. С. Штей- нберга, Х. Ягі та К. Окабе. Ключові слова: магнетрон, магнітне поле, магнетронний генератор, високочастотні коли- вання, електричні коливання, електромагнітні коливання, магнетронні коливання, трьохелектродна лампа.

О приоритете создания магнетронного генератора высокочастотных колебаний

Institution

Similar Items