Патент на изобретение №2292110

(54) ГЕНЕРАТОР ШУМА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в измерительной технике. Достигаемый технический результат – расширение функциональных возможностей. Генератор шума содержит источник постоянного тока, соединенный с проводником электрического тока, выполненным в виде изолированной проволоки, которая многократно сложена под углами 180° таким образом, что все изгибы расположены на одной плоскости в тесном соприкосновении друг к другу, при этом проводник электрического тока помещен в криостат. 1 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в измерительной технике в качестве устройства для получения перестраиваемых по спектру шумоподобных электромагнитных излучений микроволнового диапазона, а также для обнаружения низкочастотного тормозного излучения электронами проводимости.

Действие генераторов шума основано на использовании электрических флуктуаций – хаотических изменений потенциалов, токов, зарядов в электрических цепях и линиях передачи, вызываемых тепловым движением носителей заряда и другими физическими процессами в веществе, обусловленными дискретной природой электричества, а также случайными изменениями и нестабильностью характеристик цепей. Флуктуации возникают в проводниках, электронных и ионных приборах, а также в атмосфере, где происходит распространение радиоволн. В проводниках в результате теплового движения носителей заряда возникает флуктуирующая разность потенциалов. В металлах из-за большой концентрации свободных электронов проводимости и малой длины их свободного пробега тепловые скорости электронов во много раз превосходят скорость направленного движения (дрейфа) в электрическом поле. Поэтому в металлах электрические флуктуации определяются температурой и практически не зависят от приложенного к ним электрического напряжения. При комнатной температуре электрические флуктуации в металлах не изменяют свою интенсивность вплоть до частот 10¹² Гц. Флуктуации в генераторах электромагнитных колебаний вызывают модуляцию амплитуды и частоты колебаний, что приводит к появлению непрерывного частотного спектра и к уширению спектральной линии генерируемых колебаний до 10^-7-10^-12 от несущей частоты (см., напр., Бонч-Бруевич A.M., Радиоэлектроника в экспериментальной физике, М., 1966; Малахов А.Н., Флуктуации в автоколебательных системах, М., 1973; Суходоев И.В., Шумы электрических цепей, М., 1975; Рытов С.М., Введение в статистическую радиофизику, ч.1, М., 1976; Робинсон Ф.Н.Х., Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях, пер. с англ., М., 1980).

В тех случаях, когда шумоподобные сигналы синтезируют не в виде электрических напряжений, а в форме электромагнитной волны, например, при проверке пороговой чувствительности входных трактов приемных микроволновых устройств непосредственно с их приемных апертур, возникает задача создания электромагнитных излучателей шума.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемому техническому решению является генератор шума, выполненный в виде соединенного с источником тока резистивного излучателя на основе электрического проводника из высокоомной проволоки, спирально намотанной на керамический корпус (см., например, Тетерич Н.М., Генераторы шума и измерение шумовых характеристик, изд.2, переработ, и доп., Москва, Энергия, 1968, с.58-62). Такой генератор создает инфракрасное излучение и является источником тепловых шумов. Для повышения эффективности работы источника тепловых шумов необходимо увеличить плотность тока в проводнике, что вызывает необходимое увеличение подвижности электронов проводимости, однако последнее ограничено фактором разрушения проводника электрического тока при увеличении плотности тока в нем – проводник расплавляется и перегорает.

Недостатком известного технического решения является ограничение в возможности увеличения плотности тока в проводнике при одновременном снижении массогабаритных параметров излучателя тепловых электромагнитных колебаний микроволнового диапазона.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются увеличение плотности тока в проводнике излучателя при снижении его массогабаритных характеристик и расширение его функциональных возможностей.

Указанные цели достигаются в генераторе шума, содержащем источник постоянного тока, соединенный с проводником электрического тока, отличающийся тем, что проводник электрического тока выполнен в виде изолированной проволоки, которая многократно сложена под углами 180° таким образом, что все изгибы расположены на одной плоскости в тесном соприкосновении друг к другу, при этом проводник электрического тока помещен в криостат.

Достижение поставленных целей обусловлено эффективным охлаждением резистивного проводника электрического тока в излучателе теплового шума, благодаря чему возможно увеличение плотности тока в таком проводнике. Выполнение последнего в виде многократно сложенных под углами 180° отрезков изолированной тонкой проволоки с расположением ее изгибов в одной плоскости в тесном соприкосновении друг к другу позволяет увеличить поверхностную плотность тормозного излучения (вектор Пойнтинга). Применение в качестве проводника электрического тока провода из сверхпроводящего материала позволяет существенно (на два порядка) увеличить плотность тока в нем без опасности разрушения состояния сверхпроводимости действием магнитного поля, поскольку магнитные поля сложенных указанным образом и тесно расположенных отрезков провода взаимно компенсируются.

На чертеже представлен генератор шума. Он состоит из источника постоянного тока 1 и проводника 2, многократно изогнутого под углами 180° и тесно сложенного между собой (на чертеже тесная сложенность частей проводника намеренно не показана, чтобы было понятно, как устроена конструкция устройства) с размещением изгибов проводника, например, в двух плоскостях (либо в одной плоскости, если совместить обе плоскости в одну плавным загибанием на 180° всех частей проводника в их срединной части). При выполнении проводника из сверхпроводящего материала для обеспечения возможности увеличения плотности тока в проводнике вся конструкция проводника помещается в криостат 3, в котором поддерживается соответствующая температура. Среда криостата выбрана прозрачной для выходящего излучения.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

В отличие от известного устройства (прототипа), которое излучает в окружающее пространство наряду с инфракрасными электромагнитными волнами еще и тепловую энергию через окружающую среду, действуя подобно тепловому электрическому радиатору, в заявляемом техническом решении тепловая радиация поглощается в криостате 3 и не излучается в окружающее пространство. Однако образующееся микроволновое излучение со сплошным спектром распространяется с поверхности рассматриваемого излучателя с соответствующей диаграммой направленности. Известно, что тепловое излучение передается в различных средах по-разному: в металлах – свободными электронами, в диэлектриках – фононами, а в полупроводниках – экситонами с некоторой скоростью, определяемой теплопроводностью среды. Однако микроволновое излучение является по своей физической сущности электромагнитными волнами, распространяющимися в свободном пространстве со скоростью света, не требуя для такого распространения наличия среды, то есть распространяются в пустоте как поперечные волны. Спектр колебаний является сплошным с максимумом спектральной плотности, определяемым законом Вина.

Следовательно, использование криостата 3, кроме обеспечения возможности существенного повышения плотности тока в проводнике 2 от действия источника постоянного тока 1, позволяет исключить вредное (ненужное) влияние чисто теплового процесса передачи энергии в окружающее пространство и выделить только микроволновое излучение с заданным спектром колебаний с хаотически распределенными начальными фазами, то есть с гауссовым распределением амплитуд. Применение в заявляемом устройстве источника постоянного тока 1 может оказаться полезным для исключения амплитудной модуляции излучаемого потока, вызванной недостаточной тепловой инерционностью применяемого тонкого проводника, если частота колебаний источника тока была бы не слишком высокой по сравнению с указанной тепловой инерционностью проводника электрического тока. Увеличение частоты питающего переменного тока в случае сверхтонкого проводника привело бы к резкому снижению его эффективного проводящего сечения из-за скин-эффекта. Поэтому целесообразно использование именно источника постоянного тока для стабилизации спектральных параметров излучения.

Заявляемое устройство может найти применение в измерительной технике в качестве электромагнитного генератора шума, например, для проверки помехоустойчивости приемных устройств миллиметрового диапазона волн, работающих в гетеродинных режимах для принимаемых излучений, матричных эвапорографах, матричных микроболометрах и в другой аппаратуре обнаружения низкотемпературных объектов, а также в спектроскопии.

Одним из интересных применений заявляемого устройства является возможность обнаружения с его помощью тормозного излучения электромагнитных волн инфранизкой частоты от изгибов проводника 2 при прохождении по нему постоянного тока от источника 1. Как известно, скорость движения свободных электронов V_e в проводнике пропорциональна плотности тока j в нем и находится по формуле:

где m_M и – молярная масса и плотность материала проводника, е – заряд электрона, N_A – число Авогадро (6,02.10²³ моль^-1). Кинетическая энергия электрона и соответствующая ему энергия излучаемого фотона за счет тормозного эффекта определяются соотношением:

где m – масса электрона (9,1.10^-31 кг), h – постоянная Планка (6,62.10^-34 Дж.с), – среднестатистическая частота тормозного электромагнитного излучения.

С учетом (1) и (2), согласно закону Ома и формулы, определяющей величину сопротивления проводника через его параметры (длины, сечения и удельной электропроводности ) для частоты излучения получим выражение:

где Е – напряженность электрического поля в проводнике (Е=U/L, где U – приложенное к проводнику напряжение, L – полная длина проводника).

Из формулы (3) усматривается, что среднестатистическая частота электромагнитного излучения с изогнутых частей проводника пропорциональна квадрату отношения Е/, что и определяет целесообразность исполнения проводника из сверхпроводящего материала с его криостатированием для увеличения частоты .

Из выражения (3) также следует, что при изменении (модуляции) приложенного к проводнику напряжения от источника постоянного тока будет квадратично изменяться среднестатистическое значение частоты электромагнитного излучения.

Так, при использовании медного проводника с плотностью тока около 10 А/мм² без использования сверхпроводимости значение частоты имеет порядок 6 Гц. Поэтому использование сверхпроводимости позволяет на несколько порядков увеличить значение этой частоты излучения (до десяти килогерц и выше).

Возможность обнаружения такого излучения представляет самостоятельный научный интерес для физиков, исследующих проблемы сверхпроводимости. Феномен тормозного излучения заряженных частиц (электронов) широко известен и используется в рентгеновской технике, а также возникает в ускорителях заряженных частиц. Возникновение тормозного излучения полностью согласуется с законом Фарадея об электромагнитной индукции, согласно которому всякое ускоренное (замедленное) движение заряженной частицы вызывает электромагнитное излучение. Однако при низких скоростях заряженных частиц, как это имеет место для электронов проводимости в металлах и проводящих сплавах, интенсивность тормозного излучения крайне низкая, а также низкой является и частота соответствующего электромагнитного излучения, что не позволяло ранее обнаружить такое излучение, например обнаружить излучение от изогнутого одиночного проводника с постоянным током в нем.

В заявляемом техническом решении тормозное излучение возникает вследствие действия ускорения заряженных частиц в изгибах проводника. И это обстоятельство может рассматриваться как заведомо неожиданный результат, дополнительно характеризующий новизну заявляемого технического решения, возможность его применения по новому назначению. Использование данного устройства с множеством резко изогнутых (под углом 180°) сверхтонких (выпускаются сверхпроводящие волокна диаметром 0,1-30 мкм) и сверх-проводящих проводников, например, на основе сплава Nb₃Ge с критической температурой 23К позволяет повысить плотность электромагнитного излучения инфранизкой частоты до уровня, возможного для его обнаружения существующими радиоприемными устройствами с высокой пороговой чувствительностью в интересующем спектральном диапазоне. Необходимость криостатирования излучающего элемента как раз и вызвана требованием повышения скорости дрейфа электронов проводимости путем повышения плотности тока.

Поскольку длина волны излучения на много порядков больше поперечных размеров площадки излучения, такой излучатель следует рассматривать как точечный. При этом излучение имеет вид сферической (радиальной) волны с плотностью, убывающей пропорционально квадрату расстояния.

Прогресс в области освоения сверхпроводников позволяет рассчитывать на возможность синтеза принципиально нового класса генерирующих приборов, использующих тормозное излучение электронов на резких изгибах сверхпроводящей проволоки.

Исследование сверхпроводимости в аспекте возможного упорядочения движения электронов проводимости с целью получения квазикогерентного электромагнитного излучения инфранизкой частоты представляется интересной физической проблемой, и генераторы на эффекте тормозного излучения электронов проводимости могут быть использованы как средство дополнительной диагностики физических процессов и явлений, происходящих в веществе, находящемся в сверхпроводящем состоянии.

Формула изобретения

Генератор шума, содержащий источник постоянного тока, соединенный с проводником электрического тока, отличающийся тем, что проводник электрического тока выполнен в виде изолированной проволоки, которая многократно сложена под углами 180° таким образом, что все изгибы расположены в одной плоскости в тесном соприкосновении друг к другу, при этом проводник электрического тока помещен в криостат.

РИСУНКИ