авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК | ПОД РЕДАКЦИЕЙ I э.в. шпольского том XXV ...»

-- [ Страница 2 ] --

Результаты их исследований, проведенных с очень маленькими рентгеновскими камерами, можно суммировать следующим образом.

Как кварцевое стекло, приготовленное из кристобалита или из кварца, так и силикагель дают четыре или пять отражений, располагающихся примерно в тех местах, где находятся группы сильных отражений смеси кристаллов низкотемпературного кристобалита и тридимита.

Из них четыре максимума очень хорошо совпадают с теми максиму мами, которые для силикагеля получили Левин и Отт 1 0. Резкость картины возрастает по мере перехода от стекла, полученного из кварца, к стеклу, полученному из кристобалита, и далее к силикаге лю. Строению последнего приписывается поэтому наиболее упоря доченный характер. Эти опыты показывают, что структура стекла за висит от метода приготовления, что противоречит захариасеновской теории некристаллической сетки. В табл. 2 сопоставлены результаты, полученные теми и другими авторами.

Авторы делают следующие выводы: плавленый кварц состоит, главным образом, из кристаллов низкотемпературного кристобалита, может быть с примесью высокотемпературного кристобалита и три димита;

силикагель же состоит из кристаллов низкотемпературного кристобалита. Аналогичным образом обнаруживали авторы наличие кристаллов метасиликата натрия и кристобалита в двухкомпонентных стеклах.

УСПЕХИ В ПОЗНАНИИ СТРОЕНИЯ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ В связи с теорией Захариасена — Варрена представляет интерес рассмотреть еще работу Гартлейфа, который производил свои Таблица Рентгенографические данные для кварцевого стекла и силикагеля Валенков и Порай-Кошиц. Левин и Отт Стекло и силикагель Интенсивность 1-е сообще- 2-е сообще- Стекло Силикагель ние ние 4,26 А 4,31 А 4,27 А Сильная 4,22 А 2, Очень слабая... 2, Сл бая 1,96 1, 1,89 1, » 1,48 1, 1,45 1, » 1,21 1, 1,16 1, рентгеновские измерения непосредственным ионизационным методом.

Он, так же как и Варрен, пользовался монохроматическим Аа-излу чением меди. В табл. 3 представлены результаты его наблюдений над дифракцией рентгеновских лучей кварцевым стеклом.

Таблица Рентгенографические данные Гартлейфа *) sin» Периодич Характеристика отражений ность d Очень сильное 0,06 8, Очень сильное 0,124 4, Очень слабое, широкое 0,125 2, Очень слабое 0,258 1, Сильное 0,34 1, Очень сильное 0,4? 1, По утверждениям Гартлейфа структуру исследованных стекол нельзя объяснить при помощи теории Захариасена по следующим причинам: 1) существование нового максимума Й ? = 8, 3 3 указывает на более высокую степень упорядоченности, чем предсказывает тео рия;

2) в калийных стеклах не имеется никакого равномерного рас пределения ионов калия, но существует по крайней мере две струк турно различные части, из которых одна соответствует кварцевому стеклу, а другую можно приписать соединению SiO 2 с КгО, которое, однако, нельзя относить к «кристаллитам», как это считают Лебедев и др. Поэтому Гартлейф считает недостаточно обоснованными и слиш ком узкими как кристаллитную теорию, так и теорию некристалли ческой решетки.

J ) С добавками окиси калия к кремнезему происходит постепенное изменение этой дифракционной картины.

418.. ШИШАКОВ Основным недостатком рентгенографического метода является слишком сильная проникаемость лучей через такое легкое вещество, как стекло. Поэтому от всякого порошка, а тем более сплошного куска стекла, должна возникать дифракция рентгеновских лучей как от поверхностных недеформированных, двухмерных или пластинчатых кристаллов, так и от тех кристаллов, которые находятся в самом объеме стекла и которые, вероятно, в достаточной степени стеснены и поэтому деформированы. В результате должны накладываться друг на друга дифракционные картины как от поверхности, так и от объема, причем первая, конечно, должна быть относительно очень слабой. Именно этим, повидимому, и можно объяснить, почему на рентгенограммах получаются, как правило, очень размытые, часто сливающиеся друг с другом, отражения, и почему затруднительным является анализ. С этой точки зрения можно было бы надеяться, что мало проникающие электронные лучи дадут более резкие картины.

Первая электронографическая работа принадлежит, повидимому, Дикситу 1 3, который нашел, что полированное стекло дает при отра жении электронов диффузное кольцо, соответствующее периодичности rf=l,5A, и что внутри этого кольца наблюдается точка, соответ ствующая периодичности 1,55 А. Объясняет он эту скудную картину тем, что при полировке происходит разрушение структуры и что поэтому единственной периодичностью, которую можно наблюдать, остается постоянное расстояние между атомами кремния и кислорода Si — О =-=1,55 А.

Более полные результаты были получены Максвеллом и Мозли14, которые просвечивали быстрыми электронами тонкие пленки кварце вого стекла, полученные путем быстрого раздувания маленькой пуль ки расплавленной массы и дальнейшего травления полученной пленки плавиковой кислотой. Существенным в результатах своих опытов они считают наличие на электронограммах следующих рефлексов:

Отчетливое кольцо...... d = 4,17 А Диффузное кольцо d = 2,5 »

Сильно диффузное кольцо... rf = 1,25 »

По их мнению, наличие этих колец свидетельствует об аморфности состояния кварцевого стекла в том смысле, как ее понимает Варрен.

Однако, среди этих диффузных колец Максвелл и Мозли наблюдали также и признаки тонких колец и дуг, из которых они упоминают только наиболее отчетливые:

Сильная дуга.. d = 4,2 А » » d = 3,7 »

Слабая дуга d = 2,52 »

К несчастью, никаких численных характеристик других отражений в сообщении Максвелла и Мозли не приводится. Наличие же этих тонких дуг на электронограммах наряду с диффузными кольцами авторы приписывают присутствию каких-то загрязнений, может быть флюосиликатов, которые могли бы образовываться под действием пла виковой кислоты.

УСПЕХИ В ПОЗНАНИИ СТРОЕНИЯ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ Однако, с такой ссылкой на случайные загрязнения вряд ли воз можно согласиться, так как примерно такие же картины наблюдались Хироси Камогавой и при электронографировании окисленных тон ких пленок кремния, получавшихся путем его дестилляции на поли рованную поверхность кристалла хлористого натрия и изолировав шихся путем растворения последнего в воде. Окисленные на воздухе при комнатной температуре эти пленки давали картину, состоящую из трех диффузных колец, соответствующих периодичностям:

Сильное d = 4,17 A Слабое rf=l,73 »

Среднее rf=l,25 »

Камогава приписывает эти диффузные кольца аморфности такой пленки кремнезема.

При нагревании таких пленок до различных температур от до 800° диффузные кольца становятся постепенно все более и более резкими. При температуре 450° картина становится такой, что ее уже нельзя объяснить на основе варреновских представлений, и поэ тому Камогава вынужден признать, что она происходит от настоя щих кристаллов ! ).

Из других отражений, наблюдавшихся Камогавой, можно упомя нуть здесь лишь характерные: 2,50;

1,73;

1,47 и 1,24.

Внимательное рассмотрение всей совокупности перечисленных дан ных, конечно с принятием в расчет невысокой точности рентгено графических определений, приводит к заключению, что наиболее сильные отражения от стекол, 4,4;

2,5;

1,65;

1,47 и др., порази тельно совпадают с наиболее сильными отражениями (hkO) от слои стых решеток слюд и глинистых минералов, а следовательно, и от идеальных двухмерных кристаллов кремнезема.

Как указывалось выше, эти двухмерные кристаллы, может быть совершенно свободные в расплаве, слипаются друг с другом при охлаждении стекла и дают иногда начало трехмерным решеткам, а отсюда происходит и возникновение дополнительных (/г/)-отражений 4,1;

3,6;

2,0 и др. Наблюдавшиеся Кларком 8 и Гартлейфом 1 2 отра жения 7—8 А вполне могут быть приписаны плоскостям (00/), тем более, что примерно такие величины неизменно наблюдаются и у слоистых решеток многих глинистых минералов, где им приписывают индексы (001). Остающиеся сомнительными отражения анализировать затруднительно ввиду их незначительных интенсивностей и случайно го появления у различных исследователей. Однако, можно все же настаивать на утверждении, что, несмотря на наблюдающиеся иногда !) Почти одновременно с Максвеллом и Мозли и на нескопько лет ра нее Камогавы очень хорошие электронограммы с кварцевого стекла удалось получить автору этого обзора 1в. Между этими тремя группами данных оказывается согласие в пределах ошибок опыта 1°/0, что было отмечено и Камогавой. Исключение, падающее на отражение 3,85 А, наблюдавшееся Камогавой, безо всяких натяжек объясняется тем, что оно, в отличие от других, было диффузным, так что его можно считать дублетом отражений 4,1 и 3,6 А.

420.. ШИШАКОВ значительные различия в численных характеристиках отражений, про тиворечия никак не могут быть отнесены на счет недостатков теоре тических предпосылок, а вместо этого просто объясняются крайне низкой в данном случае точностью рентгенографических измерений (ср., например, отражения 2,49 и 2,70 в табл. 2, ср. также интен сивности сомнительных отражений и т. д.).

Таким образом, основой структуры силикатных стекол прихо дится считать двухмерные кристаллы состава Si 2 O 5. Причиной очень слабых успехов рентгенографии является неправильное слипание этих двухмерных кристаллов, особенно сильно сказывающееся в случае сложных стекол, где в образовании структуры начинают играть роль также и металлические ионы, расположение которых, конечно, не может сделаться правильным при тех условиях, при которых ва рится стекло. Однако, и в том и в другом случае можно ожидать, что вырастающие таким образом трехмерные агрегаты все еще сохраняют пластинчатую форму. Подтверждение такой точки зрения можно найти в литературе по оптическому анализу.

В работе Матосси п по отражению инфракрасных спектров от стекол приводятся доводы в пользу существования во всяких сили катных стеклах групп SiO 4. Указывается, однако, что эти группы не могут образовывать апериодическую решетку, а входят в состав кри сталлов. В частности, какие-то кристаллы, по утверждениям Матосси, обнаруживаются и в кварцевом стекле. Эти соображения подтвер ждаются и результатами исследования рамановских спектров, полу ченными Куюмцелисом 1 8 и Ланденбергом 1 9. Последние авторы даже доходят до утверждения о плоском строении этих кристаллов, что и находится в согласии со сделанными выше выводами.

Таким образом, вопрос о кристаллах силикатных стекол и о пу тях их агрегации можно считать в основном удовлетворительно раз решенным. Однако, все это составляет только часть тех теоретиче ских сведений, которые необходимо иметь для того, чтобы можно было переходить к практическому использованию результатов. Практика имеет дело с реальными телами, к каковым следует причислять и стекло.

До сих же пор рассматривались особенности строения стекла как идеального тела. В соответствии с этим надо обратить внимание на одну важнейшую особенность силикатных стекол, которая заставляет не признавать их идеальными телами и требует внимательного рас смотрения. Это — сорбционная способность стекол.

Хорошо известно, что всякие силикатные стекла способны погло щать, выделять и даже при очень жесткой обработке продолжать удерживать в себе огромные количества паров и газов. При ссылках на судьбу этих окклюдированных газов ограничиваются употребле нием термина «растворимость газов в стекле»;

никакого разъяснения о механизме этой растворимости обычно нигде не приводится, хотя без этого многое продолжает оставаться неясным.

В настоящее время представляется вполне уместным утверждение, что не существует настоящей растворимости газов в стеклах, свя занной с проникновением газовых молекул по междуатомным про межуткам в стеклах. Наоборот, имеются основания думать, что это УСПЕХИ В ПОЗНАНИИ СТРОЕНИЯ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ проникновение молекул идет по очень просторным каналам, суще ствование которых поэтому так или иначе должно быть объяснено.

Для этого можно исходить из рассмотрения происхождения стекла. Считается, что содержавшиеся в шихте и возникшие из нее же при варке стекла различные пары и газы не успевают удалиться из расплава вследствие его высокой вязкости и остаются замурован ными в стекле также и после его затвердевания. Дальнейшее пред ставление о судьбе этих окклюдированных газов можно получить, если признать существование двухмерных силикатных радикалов в расплаве. При затвердевании стекла радикалы эти должны скорее слипаться непосредственно друг с другом, чем через посредство случайно находящихся между ними газовых включений.

Как и в слу чаях настоящей кристаллизации, при затвердевании стекла мы должны ожидать, что будет происходить вытеснение посторонних включений возникающими трехмерными образованиями. Однако, поскольку количество газовых включений в стекле огромно и поскольку их распределение, повидимому, равномерно, можно ожидать, что конеч ной стадией образования твердого стеклообразного состояния будет возникновение свободных от газовых включений, примерно одина ковых по величине, трехмерных (не изодименсиональных) агрегатов, так или иначе окруженных вытесненными газовыми молекулами. Это и значит, что стекло есть реальное твердое тело, лишенное однород ности, имеющее зернистое строение и содержащее по границам зерен газовые включения. При нагревании стекол содержание газов в них уменьшается, но залечивание промежутков между зернами, повиди мому, все же не происходит ввиду огромной вязкости затвердевшего стекла, так что после обезгаживания промежутки эти сохраняются, хотя и становятся более или менее опустошенными, т. е. стекло продолжает сохранять свое зернистое строение. На существование в стеклах трещин, и притом имеющих более или менее правильное распределение, указывают многочисленные факты.

Экспериментально наблюдаемая механическая прочность стекол во много раз ниже той теоретической прочности, которую можно вы числять на основании тех или иных физических констант. Если воспользоваться для этого вычисления, например, общей теплотой испарения, то находимое отсюда теоретическое значение внутреннего сцепления показывает, что отношение экспериментальной прочности к теоретической составляет примерно только 1:20. То, что слишком малая величина технической прочности определяется дефектами в строении стекла, было показано опытами Гриффитса (1920), кото рому удалось при помощи быстрого вытягивания при высоких темпе ратурах получить тонкие кварцевые нити, обнаруживающие прочность, значительно приближающуюся к теоретическому ее значению. Впрочем, кварцевые нити высокой прочности получались ранее и Бойсом (1889).

Сравнительно малую фактическую прочность стекла при испы таниях на разрыв Гриффите объясняет тем, что в стекле всегда присутствуют тонкие трещины, распределенные при этом по всему объему стекла.

422 я. л. L'-'M'J-'AKOB В противоположность Гриффитсу, Иоффе (1929) показал, что аномальную механическую прочность как аморфных, так и кристал лических твердых тел, можно было бь: объяснить допущением суще ствования поверхностных трещин. Подтверждается это целым рядом опытов, проводившихся в Ленинградском физико-техническом инсти туте на каменной соли, монокристаллах висмута и других веществах.

Считается, что малая по сравнению с теоретической прочность обу словливается совокупным снижающим действием поверхностных тре щин, всегда имеющихся на образцах, и вторичных дефектов, возни кающих на поверхности же в процессе пластической деформации.

Устранение тех и других дефектов путем растворения поверхности образцов каменной соли в воде во время самой деформации вызы вает значительное возрастание прочности.

Аналогичным образом Журковым 20 в том же институте было показано, что устранение поверхностных дефектов у стеклянных нитей, например, протравливанием их плавиковой кислотой, также ведет к значительному повышению прочности. Однако, опыты Журкова с глубоким травлением заставили его признать, что приводящие к преждевременному разрыву стекол неоднородности распределены по всему объему стекла, хотя наиболее опасными остаются все-таки поверхностные неоднородности.

Для объяснения сверхпрочности тонких кварцевых нитей Гриф фите предполагал, что в стекле существуют молекулярные комплексы, имеющие вид цепочечных или слоистых образований, которые ориен тируются вдоль нити при ее вытягивании, что и влечет за собой увеличение прочности. Как видно, это представление о слоистом строении комплексов находится в согласии с выводами из предста влений о кристаллической структуре.

Помимо явления увеличения прочности у тонких нитей, подтверж дением представления об ориентировке комплексов вдоль направления вытягивания могут служить возникновение двойного лучепреломления у сильно тянутых нитей, наблюдавшееся Рэлеем 2 1, а также разрыв стеклянных трубок под давлением на длинные куски, поверхность которых густо покрыта глубокими продольными трещинами (Алексан дров, Журков, Янушевский 2 2 ).

Дальнейшему развитию воззрения на стекла как на неоднородные тела подверглись в работах Смекаля 2 3, который вместе со своими сотрудниками (Мюллер, Апельт, Тирбах, Манглер, Вирц, Менгелькох, Эйхлер) производил для этого в Институте теоретической физики в Университете в Галле в течение целого ряда лет детальные иссле дования явлений разрыва стекол. Смекаль исходит из сопоставления явления хрупкого разрыва с явлениями разрыва пластического матери ала, происходящими в результате развития усталости некоторых де талей машин, подвергающихся переменным по направлению напря жениям.

Среди многих работ, посвященных исследованию пластического разрыва, следует отметить здесь обзорную работу Тума и Ошатца 2 4.

Установлено, что разрыв от усталости начинается в одном из тех незаметных для глаза пороков, которые в большом количестве нахо УСПЕХИ В ПОЗНАНИИ СТРОЕНИЯ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ дятся на поверхности металла. Разрыв распространяется далее внутрь металла и ведет к образованию плоской поверхности, распола гающей, вообще говоря, перпендикулярно к направлению наиболь шего напряжения. Матовость образующейся поверхности разрыва зависит от величины зерна материала, но сама поверхность, незави симо от ее величины, почти всегда бывает ограничена некоторой дугой (рис. 7, а). За пределами этой поверхности идет разрыв, дающий неровную поверхность с радиально по отношению к точке F расположенными бороздами.

Если бы стекло имело однородное строение, то характер разрыва был бы совершенно иным. Оказывается,^однако, что в этом случае получается такой же разрыв, как и разрыв от усталости металла.

Здесь также разрыв начинается от некоторого порока F на поверх ности штабика, продолжается да- F лее внутрь стекла и в конечном счете дает такую же ограничен ную дугой плоскость и поле с ра диальными бороздами. Поверх ность, соответствующая первой ста- Рис. 7. Схематические изображения поверхности разрыва дии разрыва, в случае стекла яв ляется оптически гладкой, т. е. а _ справа зеркало, которое начинает об разовываться в пороке F, слева — борозд представляет собой зеркало, и всег- чатая поверхность;

b — разорванные куски штабика 1 к 2 сложены по зеркалу вме да лежит перпендикулярно к на- сте;

у конца зеркала поверхность разрыва правлению растяжения. Единствен- раздваивается ный кусок 3 клинообраз и отскакивает ное отличие от разрыва поликри сталлического материала от усталости состоит лишь в том, что за границей зеркала возникают при хрупком разрыве две бороздчатые поверхности, в результате чего при разрыве от стекла отскакивает клинообразный кусок 3 (рис. 7, Ь). Это сходство поверхностей раз рыва от усталости и хрупкого разрыва и привело к предположению, что механизм разрыва в обоих случаях является одинаковым.

Теория хрупкого разрыва разрабатывалась Гриффитсом (1920).

В основе ее лежит энергетическое представление о расширяющейся при разрыве эллиптической трещине в идеальном однородном теле, началом которой служит некоторый макроскопический порок. Обра зование поверхности разрыва идет, по Гриффитсу, со скоростью звука;

сама же поверхность разрыва должна целиком приобретать вид зеркала.

Многочисленные опыты Смекаля с сотрудниками показали, что зеркало в действительности имеет ограниченные размеры и что указанная на рис. 7, 8а и 8Ь поверхность с зеркалом получается у образцов стекла также и без макроскопических пороков.

Далее было показано, что разрыв идет далеко не со скоростью звука, так как и величина зеркала и сама прочность на разрыв, как оказывается, зависят от скорости роста нагрузки даже при медленно производимых опытах. И действительно, недавно Шардин и Струт 2 б, занимавшиеся кинематографированкем разрушения стекла при проби 424.. ШИШАКОВ вании его пулей, нашли, что скорость распространения трещины в стекле составляет примерно -^ скорости звука в стекле (5000 м\сек).

В кварцевом стекле эта скорость образования трещины равна 2200 м\сек.

Смекаль объясняет этот факт тем, что скорость распространения трещины не есть скорость распространения макроскопических упругих возмущений в квазиоднородном материале, а есть скорость распро странения субмикроскопических процессов через действительно не однородную среду.

Так как в отличие от рассмотренного Гриффитсом действия мак роскопического порока разрыв стекла, по Смекалю, начинается •.-*.#·;

•••.

Рис. 8а Рис. 8Ь в пункте, содержащем всего-навсего лишь меньший по величине, а именно, субмикроскопический порок, то отсюда следует, что такого рода невидимые пороки существуют во всяком стекле и что наличием в нем таких неоднородностей и определяется рассмотренный выше характер разрыва. Такой взгляд не противоречит воззрениям Гриф фитса и Иоффе, ибо при наличии макроскопического порока, напри мер, на поверхности тела, он просто будет оказывать добавочное сильное действие, по отношению к которому тело будет вести себя как квази-однородное тело, т. е. так, как это и предсказывается теорией Гриффитса.

Зеркальная поверхность разрыва у стекла, при наличии в нем пороков, могла бы возникать лишь в том случае, если бы эти по роки были достаточно мелкими и притом были бы распределены там в таком огромном количестве, чтобы достаточное их число попадалось в любом направлении. По Смекалю, эти пороки имеют форму очень тонких линз, причем ориентированы они в пространстве совершенно беспорядочным образом.

Ход разрыва стекла можно представлять себе следующим образом.

Если стекло взять в виде круглого штабика и если направление макроскопического напряжения в нем идет вдоль оси, то контур такой УСПЕХИ В ПОЗНАНИИ СТРОЕНИЯ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ линзы будет находиться под несколько более высоким напряжением.

По теории Гриффитса наибольшее напряжение должно приходиться на такие трещины, которые располагаются перпендикулярно к оси штабика или, вообще говоря, к направлению макроскопического напряжения.

Когда штабик в целом находится под аксиальным упругим на пряжением, то на какой-либо из пороков, большей частью из тех, что располагаются на поверхности штабика, приходится, как указано выше, повышенное напряжение. Если такие пороки имеют примерно одинаковые размеры, то наибольшее напряжение должно приходиться на такой из них, который расположен перпендикулярно к направлению растяжения, т. е. к оси штабика. При некоторой определенной на грузке L, когда получается равномерно по всему сечению q распре деленная растягивающая сила = -, начинается расширение трещины, т. е. уменьшение сечения штабика, а вместе с тем и сдвиг макси мальных упругих напряжений к соседним трещинам, которые, в свою очередь, также являются носителями избыточных напряжений.

Дальнейший ход разрыва и характер образующейся при этом разрыве поверхности будут зависеть от того, на какие из возможных внутренних трещин будет распространяться разрыв от исходной трещины. По Смекалю, могут существовать всего-навсего два случая.

В первом случае разрыв идет за счет тех трещин, которые лежат в плоскости исходной трещины, т. е. перпендикулярно к направлению макроскопических напряжений. Так как получающаяся при этом поверхность разрыва остается макроскопически ровной и зеркальной, то отсюда следует, что возникающие на ней неровности по величине своей меньше длины волны света. По мнению Смекаля, длина трещин, образующих в стеклах целую сетчатую систему, должна быть порядка 0,0001 мм или ниже.

Во втором случае разрыв идет за счет тех трещин, которые лежат вне плоскости исходной трещины и которые, в случае осо бенно благоприятной их ориентации, имеют на своих контурах не сколько большие напряжения, чем напряжение на достигшем до них крае зеркала. Таким именно путем и идет переключение разрыва во вторую стадию, которая протекает практически мгновенно и заклю чается в разветвлении единой вначале поверхности на две бороздчатые поверхности и в образовании клина. Неровность образующихся двух поверхностей объясняется одновременным самостоятельным действием очень многих трещин, расположенных в различных местах.

Согласно теории Смекаля, действительная прочность на разрыв определяется отношением нагрузки L не по всей площади попереч ного сечения q, но к той же площади, за вычетом площади зер кала s, L_ q_ L z ~"7 *~.. ШИШАКОВ что и подтверждается многочисленными опытами для 0,10 = f0,40.

Дальнейшее свое подтверждение теория Смекаля находит в сле дующих фактах. В случае шлифованных, полированных и имеющих прямоугольные ребра штабиков начальная точка зеркала всегда рас полагается на поверхности штабика (рис. 9). Наоборот, в случае круглых оплавленных штабиков очень часто встречаются внутренние зеркала (рис. 10). Вероятность образования внутреннего зеркала увеличивается примерно на 20°/0 в случае травления поверхности стекла. Эти факты, повидимому, означают, во-первых, что под дей ствием травления или оплавления поверхностные неоднородности уменьшаются и, во-вторых, что в случае шлифованных штабиков эти поверхностные неоднородности значительно более активны, чем вну тренние.

Чем грубее имеющийся на поверхности стекла порок, тем силь нее его действие перевешивает действие свойственных стеклу вну Рис. Рис. тренних трещин, тем, следовательно, более похожим становится раз рыв стекла на разрыв однородного твердого тела. Подтвердить свою теорию опытным путем Гриффитсу удалось именно потому, что он пользовался искусственными царапинами длиной от 3,8 до 22,6 мм.

Такая обстановка опытов слишком сложна, и поэтому на основании полученных Гриффитсом результатов нельзя делать заключения о при роде разрыва неповрежденного стекла.

Следующий факт, подтверждающий теорию Смекаля, заключается в том, что величина зеркала уменьшается со скоростью увеличения нагрузки. Это показывает, что образование зеркала представляет со бой зависящую от времени фазу разрыва, т. е. что стекло не под чиняется теории Гриффитса, а это и значит, что оно не является однородным веществом.

Относительно природы пороков в стеклах Смекаль делает следу ющие заключения. На основании статистических закономерностей в ве личинах зеркал, сравнительно малой скорости их образования и зави симости явления разрыва от температуры можно считать, что имеющиеся в стекле неоднородности образуют неправильную развет вляющуюся решетку, но не изолированные друг от друга трещины.

По мнению Смекаля, пролить дальнейший свет на природу трещин в стекле, в частности выяснить условия их возникновения, можно УСПЕХИ В ПОЗНАНИИ СТРОЕНИЯ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ было бы путем изучения влияния химического состава стекол на эти трещины.

Резкое изменение физических свойств стекла в точке превра щения связано, по Смекалю, не с молекулярными изменениями, а с появлением трещин в результате возникновения напряжений внутри стекла при охлаждении. Эти трещины при обратном нагре вании сплавляются вновь, и стекло приобретает свойства, присущие вязкому состоянию.

Средняя длина трещины в сетчатой структуре пороков по вычи слениям Гриффитса составляет 0,0015—0,01 мм. Как указывалось, более вероятной является найденная Смекалем величина 0,0001 мм.

Последняя находит подтверждение и в результатах исследований рамановских спектров оптических стекол. Из таких исследований Кришнан 2 6 делает вывод, что стекла состоят из молекулярных ком плексов, которые не являются малыми по сравнению с длиной волны света, т. е., значит, они больше 0,0001 мм 1).

Что трещинами действительно пронизан весь объем стекла и что они действительно переходят друг в друга, образуя целую сетчатую систему, показывают опыты со сквозной проницаемостью стекол для гелия, аргона, азота и других газов даже при комнатной темпера туре. Из размеров молекул этих газов можно получить и первона чальное представление о толщине трещин. Несколько лучшее пред ставление об этом можно получить из того факта, что стекла выделяют при основательном нагревании такое количество газов, т. е. такой общий объем молекул, который соответствует примерно 1°/0 общего объема стекла. Однако, такие соображения позволяют учесть только часть общего объема пустот, а, значит, получить отсюда и слишком малую толщину трещины.

Самое лучшее представление о толщине трещины дают резуль таты наблюдений над проникаемостью в стекла жидкостей при вы соких давлениях 2 8. Оказывается, что молекулы спирта (размер 5 А) и эфира (7 А) легко проникают в стекло, а масло и глицерин не проникают. Так как длина нормальной цепи самого низшего из углеводородов масла С 1 2 Н 2 6 составляет 17 А, То, повидимому, тол щина трещин должна лежать в пределах от 7 до 17 А 2 ).

) Автору этого обзора 2 ' приходилось заниматься наблюдениями пеп тизации различных стекол водой. Определение величин минимальных из возникающих при этом частичек по скоростям оседания суспензий показы вает, что их размеры колеблются в пределах от 700 до 3000 А, что нахо дится, повидимому, в неплохом согласии с упомянутыми выводами, полу ченными другими путями. Самый же факт пептизации стекол говорит за то, что указанные частички имеют дискретное существование и в самом стекле.

2 ) По вычислениям автора этого обзора она составляет для кварце вого стекла 12 А. Для вычисления была использована разность наблю дающейся плотности кварцевого стекла 2,20 и той плотности, которая свойственна кристаллам кристобалитного типа 2,30—2,35 1 6. Так как 5°/ объема стекла приходится, таким образом, на долю трещины, то, принимая форму мозаичных блочков стекла за кубическую и задаваясь линейным их размером 1000 А, для толщины трещины и находим 12 А.

428.. ШИШАКОВ Таким образом, многочисленные данные показывают, что квар цевое стекло и сложные силикатные стекла состоят из двухмерных кристаллов, при охлаждении слипающихся друг с другом и с метал лическими ионами. Получающиеся таким путем крупные агрегаты имеют примерно одинаковую величину, может быть в силу оди наковых условий их происхождения. Исходя из этих, повидимому, достаточно современных данных, и следовало бы теперь подходить к объяснению известных свойств стекол и к предсказыванию новых фактов.

Недостаток места не позволяет останавливаться здесь на этой практической стороне дела. Можно, однако, настаивать на утверж дении, что изложенные здесь простые воззрения позволяют свободно объяснить все известные свойства стекол, в том числе механические, химические, сорбционные, электрические, или, по крайней мере, не приводят к противоречиям ни с одним из известных фактов. Прежние неполные теории стеклообразного состояния имели в этом отношении несравненно меньший успех. Надо поэтому полагать, что дальнейшее развитие воззрений на стекло как на неоднородное твердое тело не только принесет пользу практике, но будет играть существенную роль и при дальнейшем развитии' теоретических воззрений на при роду твердых тел вообще.

ЛИТЕРАТУРА 1. Некоторые подробности относительно Фурье-анализа содержатся в об зоре А. И. К и т а й г о р о д с к о г о, Успехи физич. наук, 19, 201,1938.

См. также, например, В. Е. W a r r e n, J. Appl. Physics, 8, 645, 1937.

2. G. H a g g, J. Chem. Phys., 3, 42, 1935.

3. M. v. L a u e, Z. Krist., 82, 127, 1932.

4. S. B. H e n d r i k s, Z. Krist., 95, 247, 1936.

5. W. N i u w e n k a m p, Z. Krist., 90, 377, 1935.

6. А. А. Л е б е д е в, Труды Гос. оптич. ин-та, 2, № 10, 1922;

3, 24,1924.

7. R. W. Q. W y c k o f f and Q. W. M o r e у, J. Soc. Glass Techn., 9, 265, 1925.

8. С W. P a r m e l e e, G. L. C l a r k and.. a d g e r, J. Soc. Glass Techn., 13, 285, 1929;

G. L. C l a r k, Ceram. Ind., 24, 34, 1935.

9. J. T. R a n d a 11, H. P. R о о k s b у and B. S. C o o p e r, Z. Krist, 75, 196, 1930;

J. T. R a n d a l l, Diffraction of X-Rays and Electrons by Amorphous Solids, Liquids and Gases, London, 1934.

10. J. L e w i and. 11, Z. Krist., 85, 305, 1933.

11. H. H. В а л е н к о в и.. o p а й-Кош и ц, Nature, 137,273,1936;

. Krist., 95, 195, 1936;

см. также А. А. Л е б ед е в, Изв. Акад. наук СССР, сер. физ., № 3, 381, 1937.

12. G. H a r t l e i f, Z. anorg. Chem., 238, 353, 1938.

13. К. R. D i x i t, Physik. Z., 35, 141, 1934.

14. L. R. M a x w e l l and V.. s 1 e y, Phys. Rev., 47, 330, 1935.

15. H. K a m o g a w a, Phys. Rev., 54, 91, 1938.

16. H. А. Ш и ш а к о в, Журнал технич. физики, 5, 1384, 1935;

7,1630, 1937;

ДАН СССР, 23, 787, 1939.

17. F. M a t o s s i, Z. techn. Physik, 18, 585, 1937.

18. Th. G. K u j u m z e l i s, Z. Physik, 97, 561, 1935.

19. R. L a n d e n b e r g, Ann. Physik, 28, 104, 1937.

20. С. Ж у р к о в, ЖЭТФ, 1, 189, 1931;

Журнал технич. физики,4, 1640, 1934;

А. П. А л е к с а н д р о в и С. Н. Ж у р к о в, Явления хрупкого разрыва, ГТТИ, 1935.

УСПЕХИ В ПОЗНАНИИ СТРОЕНИЯ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ 21. L o r d R a y l e i g h, Proc. Opt. Convention, 1, 41, 1926.

22. А. П. А л е к с а н д р о в, С. Н. Ж у р к о в и И. П. Я н у ш е в с к и й, Журнал технич. физики, 7, 1111, 1937.

23. A. S m e k a l, Qlastechn. Ber., 13, 141, 222, 1935;

15, 259, 1937;

. Physik, 103, 495, 1937.

24.. h u m u.. O s c h a t z, Metallwirtsch., 13, 1, 1934.

25.. S c h a r d i n u. W. S t r u t h, Glastech. Ber., 16, 219, 1938.

26. R. S. K r i s h n a n. Proc. Ind. Ac. Sci., A 3, 211, 1936.

27. H. А. Ш и ш а к о в, Журнал технич. физики, 8, 347, 1938.

28. Т. С. о u 11 e r and R. W i l s o n, Phys. Rev., 40, 877, 1932.

Успехи физических Наук, т. XXV, вып. Ш1 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Т. XXV, вып. УЛЬТРАВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ВОЛНЫ ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ1) Л. Бриллюэи 1. НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРНЫЕ ЧЕРТЫ УЛЬТРАВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВОЛН Ультравысокочастотные электромагнитные волны, т. е. волны длиною в несколько дециметров, бь;

ли впервые использованы Герцем для повторения оптических опытов, как, например, отражение, пре ломление, дифракция и др.;

полное подобие коротких радиоволн оптическим волнам подгеерхдалось з дальнейшем большим количест вом опытов. Оказалось, что оптические линзы, зеркала, параболиче ские рефлекторы являются весьма эффективными, если только их размеры больше нескольких длин волн.

Позже была открыта другая аналогия — между ультравысокоча стотными и акустическими волнами. Так как в обоих случаях длина волны одного и тс го же порядка величины, в настоящее время можно указать на целый ряд электрических аппаратов, удивительно похо жих на акустические инструменты: голые трубы, подобные органным трубам, полые резонаторы (называемые также танк-резонаторами, эндо вибраторами), напоминающие акустические резонаторы Гельмгольца, и полые кабели, которые представляют аналогию труб, используемых в акустике.

Идея использования полых резонаторов возникла главным образом потому, что они дают очень малое затухание, т. е. имеют очень высокое Q (добротность). Высокое Q означает, что амплитуда свобод ных колебаний в резонаторе уменьшается до — своей начальной величины лишь по истечении весьма большого числа периодов.

В связи с этим имеется другой вопрос, заслуживающий внимания, это — возможность сначала запасать энергию в полом резонаторе, а затем излучать ее в пространство.

Если мы захотим аккумулировать электромагнитную энергию в некотором объеме Ф, то это может быть сделано путем создания сильного электрического и магнитного полей внутри данного 1) J. Frankl. Inst., 229, 7б9, 1940. Сокращенный перевод.. С т у д е н к о в а. В дополнение к этой статье см. статью.. Студенкова на стр. этого выпуска.

УЛЬТРАВЫСОКОЧЛСТОТНЫЕ ВОЛНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ объема;

полный запас энергии будет определяться интегралом (1) * + *), где электрическая и магнитная части полного запаса энергии обычно являются величинами одного порядка.

Но теперь возникает вопрос, до какой величины мы можем уве личивать поля? Предположим, что диэлектрическая среда — воздух при атмосферном давлении. Его пробивное напряжение составляет приблизительно 30 000 V;

CM, Т. е. 100 CGSE. Практически этот верхний предел никогда не будет достигаться, и беря приемлемый коэфициент безопасности, мы можем предположить, что в среднем поле может достигать 15 CGSE. Этому соответствует плотность энергии Л = ^ 1 5 2 ^ lOapzjcM3 (2) или около 1 джоуль\м?. Таким образом, за возможный порядок величины полного запаса энергии мы принимаем Л(э/?г) = 10Ф, (3) где объем выражен в кубических сантиметрах.

Запасание большого количества энергии А требует использования резонатора больших размеров Ф.

Предположим теперь, что некоторое количество энергии ежесе кундно излучается. Хороший резонатор должен иметь фактор Q порядка 1000, которому соответствует временная постоянная около тысячи периодов ():

--=1000. (4) dA Энергия, излучаемая в секунду, —, может быть, таким образом, получена из соотношения Ф dA А А (5) 0 1000 100 " dt Предположим, что мы проектируем резонатор, способный излучать мощность в 100W (10 9 эрг\сек). Его объем будет связываться с периодом при помощи уравнения (5):

А ~=10», Ф = 10"тСО8.

Этот результат может быть сделан более наглядным, если мы сравним размеры объема с длиной волны. Предполагая объем в виде куба Ф=1, мы находим 432 г.. БРИЛЛГОЭН где с — скорость света;

предыдущее уравнение можно представить в следующем виде:, (т)'= ( — в сантиметрах), что приводит к следующим результатам:

a) метровые радиоволны L ^ I· этому случаю соответствуют контуры с сосредоточенными постоян ными;

b) дециметровые радиоволны (7b) с) сантиметровые или миллиметровые волны -у ^ 1 — полые резонаторы. (7с) При дециметровых радиоволнах использование обыкновенных емкостно-индуктивных контуров невозможно, приходится пользоваться двухпроводными или коаксиальными линиями;

эти системы, однако, можно рационально построить только в том случае, если расстоя ние между проводами мало по сравнению с длиной волны. Этого нельзя получить в случае сантиметровых волн, и мы, таким образом, вынуждены работать с полыми резонаторами, даже (благодаря тому, что L ^ ) с резонаторами, осциллирующими на высших гар мониках.

Хотя полые резонаторы и похожи на акустические, все же здесь имеются принципиальные различия, и полная теория полых резона торов, полых труб и т. д. для случая электромагнитных колебаний должна строиться заново. Различие состоит в том, что акустика имеет дело с продольными волнами, в то время как в электромагне тизме речь идет о поперечных волнах. Акустическое поле может быть определено одной величиной (потенциалом скорости), в то время как электромагнитное поле для своего определения требует четырех величин (векторного и скалярного потенциалов). Акустические рас четы, блестяще выполненные Рэлеем, могут быть использованы только как наводящие или как формальные примеры, но они еще должны быть полностью переведены на язык поперечных волн и максвеллов ских уравнений;

перевод этот часто требует хорошего владения математическим аппаратом.

2. ПЕРВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ КЛАВЬЕ И ДАРБЕРА Лаборатория L. М. Т. («Laboratorie le Materiel Telephonique») в Париже в течение ряда лет активно работает в области ультра высоких частот. Исследования проводятся Клавье, Дарбером и мно гими другими сотрудниками. В результате этих исследований была установлена радиосвязь через Ламанш на волне в 18 см. Первые эксперименты были проведены в 1931 г., и система находилась УЛЬТРАВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ВОЛНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ в коммерческом использовании с 1934 г. Для генерации и приема ультравысокочастотных волн применялись лампы с тормозящим полем.

На рис. 1, а дана упрощенная схема передатчика, а на рис. 1, b — прием ника. В обоих случаях генерируемые (или принимаемые) колебания подводятся (или отводятся) с помощью коаксиального фидера к малень кой антенне (или от нее), расположенной в фокусе параболического рефлектора.

Рефлекторы образуют весьма мало расходящийся пучок, направляе мый от передающей станции к принимающей. Положение рефлек торов должно быть таково, чтобы на пути пучка волн не было вт-SOV om*3OOV до-lOOV do+36OV om+zOOV om-5OV do*3OOV do-7Oi/ Рис. 1. Схемы передатчика и приемника — параболические зеркала;

5 — полусферические отражатели;

D — дипольные антенны F — коаксиальные питающие линии;

/ — индикатор генерации;

А — усилитель препятствий. При связи через Ламанш одна из станций была распо ложена на французской стороне, другая на английской. Расстоя ние составляло примерно 56 км, а города были выбраны так, что вся линия связи была свободна от препятствий. Электрооптические устройства устанавливались на специальных стальных башнях вы сотой в 20 м.

Установка использовалась для двухсторонней бильдтелеграфии, а также для дуплексной телефонии. Все детали, касающиеся устрой ства станций, были уже опубликованы в нескольких статьях 1. 2.

Из всех находящихся в коммерческом использовании линий связи эта линия использует самые короткие волны. Результаты работы ли нии оказались очень хорошими;

именно, почти отсутствовали атмо сферные помехи, но иногда отмечались резкие щелчки, причина которых заведомо не могла лежать в используемой аппаратуре.

Помех от близких грозовых разрядов и автомобилей также не заме чалось. Фоновый шум в приемнике весьма похож на нормальный шум 434 л. БРИЛЛЮЭН ламп. Наблюдались иногда медленные фздинги, но они появлялись очень редко, так что при телеграфировании для сигналов, длящихся короткое время, они оказывались несущественными. Дождь и туман не оказывали заметного влияния на радиосвязь, однако, как правило, стабильные атмосферные условия соответствовали устойчивой связи, в то время как неустойчивое атмосферное состояние обычно сопро вождалось фэдингами.

3. ПОЛЫЕ КАБЕЛИ;

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Очень важный шаг вперед в деле изучения ультравысокочастот ных волн был сделан сотрудниками Бэлл-лаборатории (США) Саус вортом, Корсоном, Ми дом и Щелкуновым 3. 4, | которые впервые начали -• исследовать распростра •· · ',j „' i нение ультракоротких 1' •* * i волн внутри полых про ' водящих труб (так назы !

'· ваемых полых кабелей).

$&• • г Аналогичные исследова # ^ ния были начаты почти,-' lr '·*:·._,·.;

' " в то же время Барроу,??;

1} в Массачузетском тех нологическом институ '1м.

те 5. Первые сообще "*' -' ния, опубликованные этими исследователя rm - ми, вызвали интерес многих физиков. Автор исследовал распространение волн в прямоугольных трубах, затем в трубах эллиптического сечения6. В последнее время появилось много дальнейших исследований А Мы остановимся лишь на иссле дованиях, проводившихся автором совместно с Клавье. Клавье про вел блестящие экспериментальные демонстрации перед Французским обществом физиков в ноябре 1938 г., используя оборудование, показанное на следующих рисунках.

Весьма короткие волны создавались лампой с тормозящим полем или с помощью магнетрона.

Рис. 2 изображает магнетронный генератор, дающий волны от 1,2 до 3 см. Эти волны могли распространяться внутри узкой медной трубы диаметром в 1,6 см. Для измерения волны использо вался коаксиальный волномер с подвижным поршнем, который виден на том же рисунке вблизи магнетрона.

На рис. 3 дано расположение опыта с полыми кабелями в том виде, как это демонстрировалось перед Французским обществом фи зиков. Использовались две различные трубы;

одна — большая, видная на переднем плане рисунка, диаметром в 12 ел (она служила Клавье для демонстрации перед аудиторией распределения электрического УЛЬТРАВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ВОЛНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ поля внутри трубы при различных типах волн);

вторая, более узкая труба, как уже указывалось выше, была диаметром в 1,6 см.

ц:- Рис. На рис. 4 показано приспособление, служившее для демонстрации распределения электрических силовых линий при различных типах волн. Маленькая дипольная антенна могла вращаться внутри трубы;

принятые ею сигналы после усиления воспроизводились маленькой лампочкой, которая ориентировалась соответственным образом на плакате.

• • / ! * Г""-* &. : /' Рис. 4 Рис. • Рис. 5 изображает так называемый преобразователь волн, служа щий для изменения типа волны из Ео в //„. Преобразователь состоит из маленьких радиальных антенн, расположенных внутри трубы и 436 Л. БРИЛЛЮЭН имеющих изогнутую часть в том месте, где волна типа Но имеет максимум электрического поля. Антенная система находится между двумя фильтрами, из которых один состоит из радиальных про водников, задерживающих волны Ео, но пропускающих волны Но, а другой (позади) состоит из круговых проводников и задер живает волны Но, в то время как волны •„ могут проходить через него беспрепятственно. На рис. 6 представлена антенная система указанного преобразо вателя Рис." 6 · Более детальные сведения, относящиеся ко всему этому оборудованию, можно найти в работах Клавье и Альтовского78.

4. ТЕОРИЯ ПОЛЫХ КАБЕЛЕЙ Полая проводящая труба для электромагнитных волн представляет собой обычный фильтр, пропускающий волну только в том случае, если частота ее будет выше некоторой предельной частоты. Этот результат был одним из поразительных фак тов, полученных из •· первых · исследований Саусворта. Он может • 5*4, п=Э быть легко понят из рис. 7, на котором кривые представляют \ изменение величины \ V ' V С \ в функции от отно шения -, т. е. длины \ s волны к диаметру тру- \ 11 огзч5в бы. Здесь с — ско рость света в свобод Рис. ном пространстве, — фазовая скорость волн, распространяющихся в трубе, и м — групповая скорость или скорость сигнала распространяющихся по трубе волн. Сплошная кривая представляет теоретическую кривую для волн Ео в трубе, на полненной водой ( = 81, -- 9), пунктирная кривая — т о же для • трубы, заполненной воздухом. Вдоль трубы может распространяться только такая волна, длина которой меньше предельной (критической).

УЛЬТРАВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ВОЛНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ Предельная волна в этом случае будет определяться условием — =s 1,7.

На рис. 8 дана аналогичная же кривая для волн Нх в трубе, запол ненной воздухом, где предельной волной будет — = 1, 6 7. Физиче ское толкование этих результатов будет дано ниже. Следует отме -К " тить, что теоретические кривые, дан- •.

ные на рис. 7 и 8, суть эллипсы.

Рис. 9 взят также из работ \ Саусворта;

он демонстрирует зату V хание различных типов волн (назы ваемых Ео, Ev Нй, Нг) при рас пространении их внутри медной ОЯ 0,4 0,8 1,0 1J2 1,4 1, трубы. Замечательным является Рис. падение кривой для волн //0;

чем выше частота, тем меньше затухание. Этот неожиданный результат может оказаться весьма полезным при связи по полым кабелям на больших расстояниях.

Если рассмотреть явление более детально, то этот результат можно объяснить в нескольких словах. Каждый тип волн индуци — ИИ ! рует электрические то то ки в оболочке трубы.

Эти токи, благодаря скин-эффекту, должны течь внутри очень тон 40 у ких слоев, а эти слои • становятся все более I и более тонкими при возрастании частоты.

. \ V Это вызывает возра \ \ I ~л- стание потерь на джо \ улево тепло внутри \. - * д а, слоев для большинства типов волн. Таким об П.

разом, более высокой \ частоте соответствует большее затухание.

• Волны же Но ведут \ 50Ш~Ю0М с е б я несколько отлич ~Ш W но;

интенсивность то Рис. 9 ка, индуцируемого ими в стенке трубы, очень быстро падает при возрастании частоты, и этот эффект оказывается более чем достаточным, чтобы компенсировать возрастание сопротивле ния слоя. Таким образом, при возрастании частоты затухание умень шается.

Возвратимся теперь к эллиптическим кривым, представленным на рис. 7 и 8, и объясним их физическое значение. Замечательным является 438 Л. БРИЛЛЮЭН тот факт, что скорость волн внутри трубы существенно отличается от скорости волн в свободном пространстве. Оказывается, что внутри проводящей трубы существует движущаяся интерференционная кар тина, т. е. там образуется некоторое распределение чередующихся максимумов и минимумов, и затем оно движется вдоль трубы без искажений. Отсюда совершенно ясно, что фазовая скорость (или скорость распространения) для такой интерференционной картины должна быть отлична от обычной скорости света в свободном про странстве. Некоторые элементарные примеры могут дать простое пояснение этих свойств. Рис. 10 изображает интерференционную кар тину, которая имеет место перед зеркалом М, если на него падает под углом 6 волна /, которая затем отражается, образуя отраженную волну R. Интерференционная картина образуется в области треуголь ника перед зеркалом, там, где накладываются друг на друга падающая и отраженная волны. Макси 2/, мумы интенсивности, которые обозначены темными точками, образуются на пересечении волновых плоскостей обеих волн. Если есть длина вол ны в свободном пространстве, то здесь возникает более длин ная волна А, которая пред ставляет расстояние между двумя точками, измеренное параллельно зеркалу. Следует _ отметить, что движение всей Sin интерференционной картины Рис. происходит параллельно зер калу, причем вся система волн скользит со скоростью. Это сразу приводит к весьма простому результату:


4 (9) Темные линии, параллельные зеркалу, представляют собой полосы, где интенсивность равна нулю. Они делят треугольник на систему параллельных слоев, в которых практически нет потока энергии от одного слоя к другому;

это еще раз доказывает то, что результи рующая скорость волн направлена параллельно зеркалу.

Условия, возникающие на поверхности зеркала, выполняются так же на каждой из темных полос. Это значит, что, например, в случае электромагнитных волн, отраженных от проводящего горизонтального зеркала М, горизонтальное электрическое поле исчезает как на зер кале, так и на каждой темной полосе. Таким образом, мы можем, не нарушая интерференционной картины, поставить второе зеркало параллельно первому на одной из этих темных полос, что по казано на рис. 11, который представляет систему интерферирующих волн, распространяющихся между двумя зеркалами с фазовой ско ростью. Это соответствует распространению волн внутри проводя.

УЛЬТРАВЫСОКОЧЛСТОТНЫЕ волны и их ПРИМЕНЕНИЕ щей трубы, если мы вообразим трубу с прямоугольным поперечным сечением, одна из сторон которого бесконечно длинна.

Фазовая скорость, даваемая формулой (9), больше, чем скорость волн с в свободном пространстве в -.—-^ раз. Поток энергии течет с несколько другой скоростью и, меньшей, чем скорость волн в свободном пространстве с:

« = csinO;

' (10) этот результат выясняется при рассмотрении зигзагообразного дви жения лучей между зеркалами и (рис. 12).' С другой стороны, Рис. 11 Рис. угол связан с расстоянием d между зеркалами и целым числом п, определяющим порядок обертона, возбуждаемого в трубе, следующим соотношением:

2cos6 2/cos6· \" Формулы (9) и (10) приводят к соотношению (8). Исключая из (9) и (11), мы получаем т. е. уравнение эллипса, изображенного на рис. 7 и 8, где ординаты суть —, а абсциссы — г±= —.

J v d fd Критическая частота fx соответствует предельным условиям г»=оо, и = 0, 0 = 0. (13) А--=п~, Этот весьма простой пример важен для рассмотрения, поскольку он непосредственно дает наиболее типичные черты распространения волн внутри полых труб и элементарным путем объясняет соотноше ния между скоростями.

5. ПРЯМОУГОЛЬНОЕ ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ Эта проблема может быть изучена без больших математических трудностей. Внутри поперечного сечения трубы интерференционная картина определяется двумя постоянными пх и л 2, дающими число узловых линий в обоих направлениях. Теория дает следующие соот ношения для фазовой скорости внутри трубы:

"=*[(? )'+(?)'J.

? " 440 Л. БРИЛЛЮЭН где а и Ъ — две стороны прямоугольного поперечного сечения, / — частота, a k — величина, характеризующая распределение, соответ ствующее типу /Zj, /z2. Граничная частота fx получается из (15), если сделать бесконечным.

= |· (16) Уравнения (14), (15) и (16) очень похожи на уравнения (12), (13) предыдущего раздела, в частности, уравнение (15) точно так же представляется эл липтическими кривыми.

Записывая уравне ния Максвелла, мы нахо дим, что каждая из по стоянных п2 может быть использована для определения двух раз личных типов колеба ний, из которых один дает электрическую вол ну, а другой магнитную.

Эти названия происхо дят от того, что первая волна имеет продоль ную компоненту элек трического поля, но не имеет продольной маг нитной компоненты. Для магнитной же волны условия обратные;

мо жет быть отмечена толь ко одна разница, состо ящая в том, что элек трическая волна пол ностью исчезает, если только одна из по стоянных «j, /z2 обра Рис. щается в нуль, в то время как магнитная волна может еще образоваться и в этом случае.

Общим результатом является то, что величина, обратная k (т. е.

k~l), и критическая длина волны 1е, при фиксированном типе распре деления, пропорциональны одному из линейных размеров сечения трубы. Это дает нам возможность выяснить роль формы сечения, сводя площадь поперечного сечения к постоянной величине и выбрав ab=\.

* • Ik На рис. 13 дана диаграмма, показывающая зависимость \—) от а;

а = 1 означает поперечное сечение в виде квадрата;

а^ 1 пред ставляет прямоугольник, в котором горизонтальная сторона а длиннее, чем вертикальная Ь.

УЛЬТРАВЫСОКОЧАСТОТНЬГЕ ВОЛНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ Такая диаграмма весьма интересна для обсуждения. Она характе ризует стабильность или нестабильность различных типов волн по отношению к деформациям поперечного сечения. Некоторые кривые (например, п1 = \, я 2 = 1 или кривая //) проходят при квадратном поперечном сечении (а = 1) через минимум;

это означает, что не большое изменение поперечного сечения будет только слегка нарушать волну и фазовую скорость. Эти типы волн устойчивы. Но другие типы волн ведут себя совершенно отлично. Рассмотрим, например, волны 01 и 10, которые дают две отдельные кривые, пересекающиеся при квадратном поперечном сечении. Некоторое отклонение от квад ратного поперечного сечения к слегка прямоугольному повлияет на волну тем, что разделит ее на две части (01 и 10), распростра няющиеся с различными скоростями. Этот случай соответствует не устойчивым волнам.

6. КРУГОВОЕ И ЭЛЛИПТИЧЕСКОЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ СЕЧЕНИЯ Будучи интересным сам по себе, случай труб с прямоугольным сечением может быть и не представляет большого практического значения, так как по всей вероят CD ности на практике больше будут применяться трубы круглого сече ния;

следовательно, деформации в этом случае будут состоять в от клонениях в сторону эллиптической формы. Этим объясняются пред принятые различными автора ми 6 9 1 0 исследования распростра нения волн внутри труб эллипти ческого поперечного сечения. Пол ное рассмотрение приводит к основ ным типам колебаний, имеющим эллиптические или гиперболические узловые линии, как показано на рис. 14.

Собственные тоны колебаний Рис. 14. Узловые линии для эллип тических поперечных сечений определяются функциями Матью, численные расчеты которых довольно утомительны. Картины полу чаются в общем похожие на предшествовавшие. Обозначая через а и b две полуоси эллипса и вводя постоянную площадь ab = 1, мы можем начертить кривые, данные на рис. 15а и 15Ь для электрических и магнитных волн. Кривые, имеющие минимум при круговом поперечном сечении ( а = 1 ), соответствуют устойчивым волнам, в то время как неустойчивые волны представляются пересекающимися кривыми. Таким образом, волна Ео устойчива, волна Е1 неустойчива, волна Но устой чива, волны Hv H2 и Нв неустойчивы.

Очень важным является факт устойчивости волн Но, так как эти волны могут иметь очень большое практическое значение, благодаря их малому затуханию, как на это уже указывалось выше.

442 Л. БРИЛЛЮЭН Можно было бы выяснить еще много интересных черт из рас смотрения кривых и диаграмм, которые показаны на предшест вующих рисунках, но это вышло бы из рамок настоящей статьи.

В заключение следует подчерк нуть громадный интерес, представ- Л1 W 1 | \ ! \ Ч \ \ I 1 Г" 1 h\ г | V \ / I 1, | / 1 / \ 1 r/ / / 1 г I / I I 1 | / / I \ 1 // / I be / / CD ii \ \i / I / | I I / / / :i / / / / | / / fq ц1 / К ~± / I // \У Ни I / \ 1 \ / \\\ / V // / й/а \ \\ 1/ 1 \ 1 // A к/ / I \ Ш /\ / / r \\\ \ I J \\ T~ \\ V • / / \ 7~ \ / \\ \• \ / / \ / л\ \ / \ I 1\ I г ч 11л \ н?

ч г ч \ ~у, — н,, •*« г з Рис. 15а. Электрические волны Рис. 15Ь. Магнитные волны ляемый ультравысокочастотными колебаниями как для физика, так и для радиоинженера. Здесь открывается новое поле деятельности для исследований с весьма интересными теоретическими и техническими проблемами и перспективами важных практических приложений.

УЛЬТРАВЫСОКОЧЛСТОТНЬШ волны и их ПРИМЕНЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА 1. C l a v i e r, Electr. Communic, 12, 3, 1933.

2. C l a v i e r and G a l l a n t, Electr. CommuHic, 12, 222, 1934.

3. S ' a u t h w o r t h, Bell Syst. Techn. Journ., 15, 284, 1936.

4. C a r s o n, M e a d and S c h e l k u n o f f, Bell Syst. Techn. Journ., 15, 310, 1936.

5. B a r r o w, Proc. I. R. E., 24, 1298, 1936.

6. B r i l l o u i n, Rev. Gen. d'Electricite, 40, 227, 1936;

Electr. Communic, 16, 350, 1938;

Bull. Soc. Franc. d'Electr., 8, 899, 1938.

7. C l a v i e r, Bull. Soc. Franc. d'Electr., 8, 385, 1938.

8. C l a v i e r and A 11 s к у, Rev. Gen. d'Electr., 45, 697, 1939.

9. L. J. C h u, J. Appl. Physics, 9, 583, 1938.

10. S c h e l k u n o f f, J. Appl. Physics, 9, 484, 1938.

1941 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Т. XXV, вып. ПОЛЫЕ СИСТЕМЫ И СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕХНИКЕ.. Студенков, Москва По тому большому вниманию, которое Бриллюэн в своем обзоре 1 ) уделяет полым системам, можно судить о громадном значении этих систем в сверхвысокочастотной технике.

Сейчас уже совершенно ясно, что во в:ех звеньях сверхвысоко частотной техники, начинай от генерации и излучения, кончая прие мом, усилением и канализацией электромагнитной энергии на значи тельные расстояния, всюду полы;

системы должны будут сыграть ведущую роль. Этим объясняется проявляющийся за последнее время громадный интерес к полым системам, стимулируемый общим интересом к сверхвышкочасготным волнам.

Изучение полых систем ведется в основном по трем направлениям в соответствии с намечающимися в будущем их основными примене ниями: полые колебательные системы или резонаторы (эндовибраторы), полые излучающие и приемные приспособления (рупоры, дифрак ционные антенны) и, наконец, полые системы для канализации сверх высокочастотной электромагнитной энергии (полые кабели).


Теоретические осковы и некоторые экспериментальные данные американских исследователей, капающие:я вопроса передачи сверх высокочастотной энергии по трубам и диэлектрическим стержням, г были даны в обзоре И. Н. Малсва. Статья Бриллюэна дает сведе ния о работах в этом направлении французских авторов. Но этим не охватывается весь обширный материал, который получен к настоя щему времени в изучении полых систем как за границей, так и у нас в СССР. Целью настоящего обзора и является дать хотя бы краткие сведения о пэлученных за последнее время данных.

А. ПОЛЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Целый ряд вопросов, касающихся физической стороны явлений, имеющих место при колебаниях в полых металлических резонаторах простейших форм, был выяснен теоретически уже сравнительно давно в связи с некоторыми другими проблемами физики 2. 8. 4, 5. К числу таких вопросов относится установление возможных типов колебаний резонатора, выяснение характера распределения электри ческого и магнитного полей при данном типе колебаний и, наконец, См. стр. 430 этого выпуска.

ПОЛЫЕ СИСТЕМЫ В СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕХНИКЕ определение собственных частот резонатора. В случае простых форм резонаторов, таких, как, например, сфера, круговой цилиндр или прямоугольный параллелепипед, эта задача сводится к решению уравнений Максвелла в соответствующей системе координат и использованию граничных условий, требующих, чтобы на поверх ности металлической оболочки исчезала тангенциальная составляющая электрического поля. В результате этого оказывается возможным полностью определить, какие типы колебаний возможны в резонаторе данной формы, каково будет распределение электрического и маг нитного полей при данном типе колебаний и каковы будут соот ветствующие собственные частоты.

Развитие сверхчастотной техники и обнаружившаяся в связи с этим необходимость реального использования полых колебательных систем вызвали другой, более практический подход к изучению свойств полых резонаторов. Кроме знания собственных длин волн резонаторов потребовалось рассчитать также некоторые величины, которые часто используются при описании свойств обычных колеба тельных контуров с сосредоточенными постоянными..

Для оценки качества резонатора в смысле длительности его свободных колебаний необходимо знать величину Q, которая для резонаторов различной формы может быть разной. Кроме того, часто желательно знать величину р = 1/ -^, называемую характеристикой колебательного контура (или волновым сопротивлением), а также резонансное сопротивление =7· Величина Q может быть всегда точно определена как произведе ние на отношение полной энергии системы А к энергии, расхо дуемой за период W:

О Что же касается величин и Zr, то для вычисления их, казалось бы, простейший способ состоит в нахождении сначала величин, соответствующих емкости С, индуктивности L и сопротивлению R обычного контура, которые затем можно было бы использовать для определения и Zr. Это значит, что полый резонатор надо свести к эквивалентному ему контуру с сосредоточенными постоянными, параметры которого затем могут служить для определения выше указанных величин.

Впервые попытку такой трактовки полых резонаторов предпринял Ганзен 6. Расчеты его показали, что для полых резонаторов нельзя точно определить величины, соответствующие L, С и R обычных контуров. Это и понятно, ибо для точного описания колебательной системы, сравнимой с длиной волны, нельзя воспользоваться поняти ями, присущими системам с сосредоточенными постоянными. Однако, как показал Ганзен, имеется несколько различных, но, вообще говоря, вполне равноценных путей для определения величин, близко соответствующих L, С и R. При этом полученные величины, неза 5 Успехи физических наук, т. XXV, вып. 446.. СТУДЕНТОВ висимо от способа своего определения, конечно, должны удовле творять условиям VTc——— \ „ (1) Ы \ т. е. пЪлученный эквивалентный контур должен иметь ту же длину волны и ту же величину затухания, что и данный объемный резона тор;

для окончательного же выбора значений L, С и R, а следова тельно, и определения р = 1 / — и 2 =, нужны некоторые до полнительные условия, в зависимости от выбора которых величины эти принимают те или иные значения. Величину, например, можно определить тремя способами и соответственно получить три значе ния, которые, однако, отличаются друг от друга весьма мало, так что на практике можно пользоваться любым из них.

.В своей работе 6 Ганзен приводит не только значения собствен ных длин волн для резонаторов простейших форм (цилиндр, парал лелепипед, сфера), но также и рассчитанные им величины L, С, R, р, Zr, Q и ряд других.

Для объемных резонаторов Q получается обычно порядка, где — длина волны, а = 1/ — есть поверхностное затухание материала стенок. Величина, соответствующая резонансному сопро тивлению, в абсолютных электромагнитных единицах получается по рядка Qc, где с — скорость света.

Для практических целей наибольший интерес представляют только величины и Q, которые в достаточной мере характеризуют свой ства резонатора. Исходя из этого, может быть и не имеет смысла всякий раз для данного резонатора находить эквивалентный ему кон тур с сосредоточенными постоянными и вычислять значения L, С, R и др. В более поздних работах Боргниса7, Бунимовича8 и Неймана главное внимание и уделено именно расчету только величин и Q для резонаторов тех же форм, что и у Ганзена.

Полые резонаторы в форме параллелепипеда или цилиндра полу чают все большее и большее применение в высокочастотной технике благодаря простоте своего изготовления, жесткости и компактности 10 п конструкции и высокой стабильности частоты. Однако, в некото рых случаях резонаторы такой простой формы оказываются не вполне пригодными, и тогда приходится выбирать другие, более сложные формы поверхности резонаторов.

В частности, необходимость выбора более сложной формы резо натора возникает при конструировании сверхвысокочастотных гене раторов и усилителей новейшего типа, работающих на принципе скоростной модуляции электронного луча 12 l s · 1 4 1 5. Дело в том, что резонатор, работающий в любом электроннолучевом приборе, по мимо общих необходимых качеств, таких, как достаточная простота ПОЛЫЕ СИСТЕМЫ В СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕХНИКЕ конструкции, устойчивость частоты, высокое Q и т. д., должен удовлетворять еще некоторым другим требованиям, главные из кото рых следующие:

а) Наличие достаточно высокого резонансного сопротивления, которое должно быть порядка нескольких мегом. Требование это проистекает из следующего: амплитуда переменного напряжения вы сокой частоты, возникающего в колебательной системе, определяется равенством Если учесть, что в электроннолучевых генераторах обычно t/j = Uo =s 1000 V и i1 я= i0 =s 10 mA (где Uo — постоянное ускоряю щее напряжение, а / 0,— величина постоянного тока пучка), то для = ^, получается величина порядка 10 5.

С/ч Ь) Расстояние между стенками резонатора в области наибольшего электрического поля должно быть таково, чтобы электроны пучка могли проходить эту область в течение достаточно малого проме жутка времени, во всяком случае не большего полупериода, ибо только тогда будет происходить эффективное отсасывание колеба тельной энергии от электронного пучка объемным резонатором. Это значит, что в области прохождения электронного луча расстояние. С между границами резонатора должно быть длина волны резонатора, порядка — · -=-, где — скорость электронов, а — собственная С Л т. е. заведомо меньше, чем.

Что касается первого условия, то резонаторы обычной формы ему вполне удовлетворяют. Расчет Z r для них дает как раз величину требуемого порядка. Второму же условию можно удовлетворить, только как-то видоизменив форму обычных резонаторов. Например, сфера, имеющая собственную волну, равную 1,1 d, этому условию явно не удовлетворяет;

что же касается цилиндра или параллелепи педа, то их можно было бы использовать для электроннолучевых приборов в случае так называемого плоского типа колебаний, по дробно рассмотренного Бунимовичем8. В этом случае электромагнит ное поле в полости не зависит от координаты, если ось пред ставляет собой перпендикуляр к основаниям. Однако, для этого пришлось бы сильно уменьшить высоту h резонатора по отношению к размерам оснований, а так как добротность в данном случае при близительно пропорциональна h, то это значительно понизило бы Q, что, конечно, является нежелательным.

Все это заставило подвергнуть исследованию резонаторы, общая форма которых дана на рис. 1. Изучение резонаторов такого типа было предпринято Ганзеном и Рихтмайером16. Как и прежде, задача состояла в том, чтобы определить для этих резонаторов величины, Q, Zr и др.

Из всех представленных на рис. 1 форм проще всего поддается расчету резонатор а, имеющий вид сферы, в которую входят два конуса с углами при вершинах — 0. Конечно, на практике такая 5* 448.. СТУДЕНК форма не может быть строго осуществлена, полные конусы, напри мер, обязательно должны быть заменены слегка усеченными (пунктир на рис.,), чтобы через верхние основания их, сделанные в виде сеток, можно было бы пропускать электронный поток. Однако, ре зультаты, полученные для идеализированной формы, на практике мо гут быть вполне приемлемыми при условии, что площадь сеток будет достаточно мала.

Решение векторного волнового уравнения и использование гра ничных условий, требующих исчезновения Ев на стенках резонатора, приводят к выражению для собственной длины волны резонатора формы а, которая получается равной 4 г, независимо от угла вхо дящих в сферу конусов. Далее, аналогично тому, как это делалось для сферы или цилиндра, в данном случае точно так же можно вы числить значения Q и Zr Эти величины ока зываются зависящими от 0 и при некоторых углах получают наи большие значения. Мак * с симальные значения Q и рис. получаются несколь ко уменьшенными по сравнению с теми же величинами для сферического резонатора, однако, уменьшение это не очень значительно. Например, Q изме няется от 0,45 у для сферы до 0,155 у для резонатора формы а.

Соответственно Zr меняется от 4,92 у с до 1,31 у с. При под становке в последнее выражение значения для меди и = 10 см для получается-^ 2,66· 6, т. е. величина порядка нескольких мегом.

Таким образом, видоизменяя сферический резонатор путем вклю чения в него двух конусов, можно получить резонатор, вполне при годный для электроннолучевых приборов как в отношении своей формы, так и в отношении высокого значения Q и Zr.

Расчет, подобный тому, который дается для резонатора формы а, Ганзен и Рихтмайер проводят также и для других видоизменений сферы;

во всех этих случаях задача может быть решена достаточно строго и точно. Однако,.форма резонатора, получающаяся при изме нении сферы путем включения в нее или двух конусов или, напри мер, двух параболоидов, практически все же оказывается мало пригод ной из-за небольшой площади, которая может быть отведена для сеток. Более ценными в этом отношении оказываются формы резо наторов b и с, одна из которых представляет собой как бы отрезок коаксиальной линии, а вторая напоминает тороид. Точный расчет резонаторов такой формы оказывается с математической стороны весьма трудным, однако, существуют приближенные методы расчета, основывающиеся на том, что области с наименьшим расстоянием между стенками резонатора, обозначенные на рисунке через К, при ПОЛЫЕ СИСТЕМЫ В СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕХНИКЕ нимаются за емкость системы, остальная же часть рассматривается как обладающая только индуктивностью. Исходя из этого предполо жения, можно рассчитать собственную длину волны, добротность и все другие величины, характеризующие резонатор. Для тороидаль ного резонатора, например, подобный расчет приводится у Неймана.

В тех случаях, когда расстояние между стенками резонатора в области К сравнимо с его общими размерами, вышеуказанный приближенный расчет может оказаться не вполне достаточным. Для более точного расчета резонаторов типа, подобного Ь, Ганзеном был разработан специальный метод 17, сущность которого сводится к следующему: вся полость резонатора делится на несколько об ластей, в данном случае (форма Ь) на две области, обозначенные на рисунке через / и //. Далее составляются векторные функции, соот ветствующие электромагнитному 1 L полю в каждой области, и затем эти функции согласовываются так, чтобы они имели одинаковую ве = личину или, по крайней мере, переходили бы более или менее ш плавно одна в другую на границе соприкосновения областей / и //.

Из условия согласованности мож но получить выражение для \. Рас четы, проведенные таким способом, Рис. хотя и кажутся громоздкими, все же дают более точные данные в отношении собственных волн резо натора и других его характеристик, чем все другие известные методы.

Трудность математического рассмотрения резонаторов более или менее сложной формы усугубляется еще тем, что при одной и той же заданной форме резонатор может осциллировать несколькими различными способами. Эту трудность во многих случаях можно с успехом обойти путем экспериментального изучения свойств резо наторов интересующих нас форм.

В этом отношении хорошим примером является работа Барроу и Миера 1 8, которые подвергли тщательному экспериментальному обсле дованию резонатор особой конструкции, который мог по желанию превращаться из отрезка замкнутой коаксиальной линии в совер шенно полый цилиндр, проходя через все промежуточные стадии.

Достигалось это путем передвижения внутреннего стержня в замкну том коаксиальном резонаторе, как это показано на рис. 2.

Собственные частоты резонатора в случае, когда он представ ляет собой полый цилиндр (VI), и в случае, когда он представляет отрезок замкнутой коаксиальной линии (/), могут быть точно рас считаны. Промежуточные же формы резонатора, которые практически как раз и представляют наибольший интерес, поддаются расчету го раздо труднее. Барроу и Миером были рассчитаны и проверены экспериментально первые десять собственных частот для каждого крайнего случая. Затем путем перемещения внутреннего стержня были получены различные промежуточные формы резонатора и изме 450.. СТУДЕНКОВ репы соответствующие им частоты. Полученные данные дают полную картину перехода резонатора из одной формы в другую при раз личных типах колебаний и могут быть использованы при конструи ровании резонаторов, форма которых близка к какой-либо из рас смотренных промежуточных форм.

Ценность результатов, полученных таким способом, повышается еще тем, что для резонаторов такого рода справедлив принцип подобия, по которому изменение линейных размеров резонатора вы зывает пропорциональное изменение и резонансной частоты. Это на практике может быть очень часто использовано. Однако, здесь сле дует иметь в виду, что при некоторых типах колебаний резонансная частота зависит не от всех размеров резонатора, а только от какого либо одного. В таком случае подобие должно относиться только к данному размеру.

Как видим, большинство авторов, занимавшихся до последнего времени изучением свойств полых резонаторов, подходило к этой задаче, главным образом, с точки зрения использования такого рода резонаторов в сверхвысокочастотной радиотехнике. В соответст вии с этим определялись те или иные качества резонаторов, выби рались изучаемые формы и т. д. Однако, совершенно ясно, что полые резонаторы, обладающие весьма малыми декрементами, могут оказаться очень ценными при разрешении ряда физических проблем, таких, как, например, исследование электрических свойств веществ в области сверхвысоких частот.

Данных, сообщающих о результатах использования полых резо наторов в этой области, пока почти не имеется, хотя уже появились сведения 19 ! 20 о начинающихся работах и в этом направлении. Можно надеяться, что кроме широкого применения в сверхвысокочастотной радиотехнике полые резонаторы в скором времени будут использо ваны и в области изучения электрических свойств веществ, где они также принесут много пользы.

Б. ПОЛЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Еще в первой своей работе, касающейся вопроса распростране ния электромагнитных волн внутри металлических труб, Барроу 2 отметил, что открытые с одной стороны трубы могут служить в ка честве весьма удобных излучателей или приемников электромагнит ных волн, частота которых выше критической для данных размеров трубы.

Действие такого рода излучателей и приемников электромагнит ных волн очень близко напоминает действие аналогичных акустиче ских приспособлений. Электромагнитная энергия, распространяющаяся вдоль трубы в виде волн того или другого типа, доходя до откры того конца трубы, частично будет отражаться обратно и создавать в трубе стоячие волны, но значительная ее часть будет также излучаться в окружающее пространство. Таким образом, открытая с одной стороны труба может быть использована в качестве опре деленного типа передающей антенны.

ПОЛЫЕ СИСТЕМЫ В СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕХНИКЕ Точно так же распространяющиеся в пространстве электромаг нитные волны, попадая на открытый конец трубы, будут частично распространяться внутри ее и, доходя до другого конца, могут быть легко приняты и демодулированы. Следовательно, открытая с одной стороны труба может быть использована в качестве приемной антенны.

Вполне понятно, что эффективность излучения зависит от уело·»

вий выхода электромагнитной энергии из конца трубы. Для умень шения коэфициента отражения на конце трубы и для достижения максимального выхода энергии во внешнее пространство естествен ным было попытаться, по аналогии с акустикой, выполнить выход в виде рупора. Так зародилась идея электромагнитных рупоров, которые тоже были предложены Барроу в качестве излучателей и приемников сверхвысокочастотных волн.

Совершенно очевидная легкость и простота конструкции такого рода полых излучателей и приемников, а также надежда на полу чение с помощью их резко направленной пе редачи и приема сигна лов вызвали интенсив ное изучение их свой ств, и в настоящее время можно уже отметить целый ряд весьма цен ных результатов, до стигнутых в этой об ласти.

Изучение, естест венно, началось с са- Рис.

мых простейших форм полых излучателей и приемников. Так, в конце 1938 г. Барроу и Грин 2 2 опубликовали результаты теоретического и эксперимен тального исследования излучающих свойств открытого с одной сто роны отрезка трубы прямоугольного сечения. Прямоугольная форма трубы была выбрана исходя из тех соображений, что при возбуж дении в ней волн типа НОп электромагнитное поле как внутри трубы, так и вне ее получается со строго выраженной поляризацией, что в некоторых практических случаях бывает очень важно.

В прямоугольной трубе, имеющей размеры а по оси и b по оси Z, волны типа Нйп характеризуются тем, что в любом попереч ном сечении трубы электрическое поле направлено параллельно одной из координатных осей, скажем, оси У. Оно имеет однородное распределение вдоль этой оси (индекс нуль) и синусоидальное рас пределение в перпендикулярном направлении, т. е. по оси, причем число полусинусоид, укладывающихся на ширине трубы b (индекс п), определяет порядок волны.

Исследование производилось при условии наличия в трубе волны простейшего типа, т. е. Н01. В соответствии с этим трубчатый из лучатель имел конструкцию, схематично изображенную на рис. 3.

Возбуждение волны типа Н01 производилось с помощью вертикально 452.. СТУДЕНКОВ расположенного внутри трубы стержня R, связанного с генератором коаксиальным фидером F. Сзади стержня R находилось подвижное дно трубы Р, которое служило для подстройки.

Задача состояла в том, чтобы попытаться теоретически рассчи тать характер излучения такого отрезка трубы, т. е. найти формы диаграмм излучения как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, а затем проверить этот расчет экспериментально.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.