Волны будущего

Современное развитие систем радиолокации, связи и радионавигации на первый алан выдвинуло проблему тесноты в эфире. Отсюда и стремление к освоению новых диапазонов радиоволн, в первую очередь миллиметровых (λ от 1 до 10 мм) и субмиллиметровых (λ от 1 до 0,05 мм). Волны этих диапазонов позволяют создавать такие системы связи, по которым возможно передавать практически неограниченные объемы информации.

Вплоть до конца 60-х годов освоение диапазонов миллиметровых и субмиллиметровых волн наталкивалось на большие трудности, связанные с неэффективностью для СВЧ колебаний известных принципов генерации и приема. Недостаточно было исследовано и распространение этих волн. И лишь в последние годы ряд важнейших работ в этой области был выполнен сотрудниками Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством доктора технических наук, профессора Л. В. Соколова.

Ниже А. В. Соколов рассказывает о том практическом выходе, который дали исследования миллиметровых и субмиллиметровых волн.

За последние десять лет в ИРЭ АН СССР были проведены фундаментальные исследования миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов радиоволн, поиски областей их применения. Так была установлена возможность создания длинных волноводных линий связи с потерями порядка 2,5—4д6/км (энергия ослабляется примерно в два раза). Такие волноводные линии из стальных труб, внутренняя поверхность которых покрывалась слоем меди и защитным диэлектриком, проложенные в грунте, могут длительное время устойчиво работать, обеспечивая одновременную передачу десятков телевизионных программ и многих тысяч телефонных разговоров. В настоящее время уже проходит испытания подземная магистраль значительной протяженности. Работы эти ведутся совместно со специалистами Министерства связи СССР.

В начале 70-х годов в ИРЭ развернулись работы по исследованию распространения миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. В институте были созданы сложные комплексы аппаратуры для научных экспериментов. Например, построена большая многоходовая вакуумная кювета — камера длиной 6 м и диаметром 1 м с соответствующими источниками излучения. Эта сложная установка позволяла искусственно воспроизводить всевозможные среды, вплоть до атмосферы планет, и исследовать распространение в них радиоволн при различных давлениях, температурах, концентрациях и влажностях.

В результате исследований мы доказали, что субмиллиметровые волны распространяются в естественных условиях на значительные расстояния в пределах прямой видимости. Протяженность таких линий может достигать нескольких километров и более.

В институте велись также поиски новых эффективных принципов детектирования СВЧ колебаний, которые увенчались успехом. Это позволило создать около двадцати типов различных приемников прямого усиления, а также супергетеродинных приемников, в которых используются эффекты фотопроводимости, разогрева электронного газа в полупроводниках и эффект Джозефсона в сверхпроводниках. Эти работы способствовали тому, что в последние годы были созданы первые высокочувствительные приемники, работающие либо при температурах жидкого азота, либо при комнатных температурах. Так, на волне 1,5 мм в приемниках на диодах с барьером Шотки получена пороговая чувствительность в супергетеродинном режиме 10-16 Вт/Гц.

Таким образом, решена крайне сложная проблема создания высокочувствительных малогабаритных приемных устройств, работающих в миллиметровых и субмиллиметровых диапазонах волн.

В процессе этой работы обнаружен ранее неизвестный вид фотопроводимости. На его основе оказалось возможным разработать новый спектроскопический метод определения химического состава ничтожных количеств примесей в очень чистых полупроводниках.

Было установлено, что под воздействием излучения (фотона) электрон отрывается от атома примеси в два этапа: сначала он, возбуждаясь, переходит на один из верхних энергетических уровней в атоме примеси, а затем, поглощая квант тепловых колебаний атомов кристаллической решетки полупроводника, отрывается от атома примеси и становится свободным, увеличивая электропроводность кристалла. Такое увеличение электропроводности (фотопроводимости), поддающееся измерению, происходит только при определенных значениях длин волн, в зависимости от того, какого сорта примеси присутствуют в кристалле. По спектрам фотопроводимости можно с огромной, невиданной до сих пор точностью, определять химический состав примесей в полупроводниках.

Этот новый метод получил название фотоэлектрической спектроскопии. С его помощью удалось, в частности, провести анализы самых чистых в мире кристаллов германия, в которых содержится всего один атом загрязнения на сто тысяч миллиардов атомов основного вещества. Минимальная концентрация вещества, которую можно обнаружить этим методом еще в тысячу раз меньше, что намного порядков превосходит чувствительность всех существовавших до этого методов анализа. В настоящее время этот метод успешно применяется в промышленности при очистке германия, используется для получения других сверхчистых полупроводников.

Вообще исследования в области миллиметровых и субмиллиметровых волн дали ощутимый толчок в развитии радиоспектроскопии. Например, созданы новые широкополосные спектрометры с очень высокой разрешающей способностью. Существенно повышена также чувствительность спектрометров для исследования веществ в газовой фазе.

В настоящее время методы радиоспектроскопии на волнах миллиметрового и субмиллиметрового диапазона начинают находить применение в народном хозяйстве. В частности, они используются при определении примесей в нефти, влажности различных материалов и так далее.

Большое значение имели работы по изучению с помощью миллиметровых и субмиллиметровых волн собственных излучений земных покровов. Они позволили сделать выводы о возможности по тепловым излучениям определять влажность почвы, обнаруживать лесные пожары, прогнозировать активность вулканов. Дальнейшее развитие этих работ приведет в недалеком будущем к решению других задач, связанных с навигацией судов в Морях и океанах, созданием новых методов обнаружения природных ископаемых и так далее.

Таким образом, мы являемся свидетелями значительных успехов в освоении миллиметровых и субмиллиметрового диапазонов радиоволн. Можно ожидать, что в ближайшем будущем они найдут применение в радиоастрономии, радиодефектоскопии, медицине, химии.

Большую пользу их применение принесет биологам, поскольку резонансные частоты всех молекул лежат в пределах именно этих диапазонов волн. Открываются новые, пути для изучения строения молекул различных веществ, а в будущем возможно и для управления молекулярными процессами.

Не менее полезны миллиметровые и субмиллиметровые волны при исследовании поверхности и атмосферы Земли, других планет, а также строения Вселенной. Они позволят увидеть и изучить то (например, потухшие звезды), что не удавалось с помощью электромагнитных волн других диапазонов.