книги из ГПНТБ / Фрум К. Скорость света и радиоволн

Радиолокац.,

спектроскопии,

и модуляционный

методы

101

с т о я н н ая Планка . Если волна, испущенная

а т о м о м

в р е з у л ь т а т е

п е р е ­

хода

электронов

с

одного

э н е р г е т и ч е с к о г о

уровня

на

другой,

р а с п р о ­

с т р а н я е т с я

в

с р е д е , п о к а з а т е л ь

преломления

которой

равен

пг

то

длина волны

излучения

равна

* - ° 0 / [ п .

(7.2)

Т а к и м

о б р а з о м ,

з н а ч е н и е

с 0

можно

было

бы

получить

п р о с т о

у м н о ­

ж е н и е м

ч а с т о т ы

на

длину

волны излучения

в в а к у у м е .

Т а к и е

и з м е ­

рения можно

было

бы

провести

со

с п е к т р а л ь н ы м и

линиями

на

р а д и о ­

ч а с т о т а х ,

но

э т о

не д а е т

никаких

п р е и м у щ е с т в .

С

р а в н ы м

у с п е х о м

можно

в о с п о л ь з о в а т ь с я

любым

г е н е р а т о р о м стабильной

радиочастоты,

по то м у

что е г о ч а с т о т а

м о ж е т

быть

и з м е р е н а г о р а з д о

точнее

( с р а в ­

нением

с ч а с т о т о й

с т а н д а р т а ) ,

ч е м

длина

волны .

В о п т и ч е с к о м

д и а ­

п а з о н е

можно

и з м е р и т ь

длины

волн

с п е к т р а л ь н ы х

линий, но

не

их

ч а с т о т ы *

. Однако

можно

в ы в е с т и

з н а ч е н и е

величины

с 0

п у т е м и з ­

м е р е н и я спектроскопических

к о н с т а н т подходящей

линии в

единицах

длины

волны

или

ч а с т о т ы .

В р а щ а т е л ь н ы е

э н е р г е т и ч е с к и е

уровни

д в у х а т о м н ы х

и м н о г о а т о м ­

ных

линейных

м о л е к у л д о с т а т о ч н о

хорошо

аппроксимируются

у р а в ­

нением

£ у / Л = F ( / ) = ß / ( / + D - DJ2U

+ I)2,

(7.3)

г д е

./

- в р а щ а т е л ь н о е

к в а н т о в о е число, a

ß

и

D

_ в р а щ а т е л ь ­

ные

постоянные,

х а р а к т е р и з у ю щ и е

м о л е к у л у .

Переходы,

у

которых

з н а ч е н и я

У

р а з л и ч а ю т с я

на

- 1 , дают чистый

вращательный

с п е к т р

м о л е к у л ы .

В

микроволновом

д и а п а з о н е ч а с т о т ы

линий

м о г у т

б ы т ь

и з м е р е н ы ;

они и м е ю т

значения

f-F{J

+

\)-F(.l)

= 2BU

+\)~

AD (J

+1)3,

(7.4)

* В

н а с т о я щ е е

в р е м я и з м е р е н и я

ч а с т о т ы

в о з м о ж н ы

вплоть

до

длине

волны

3,3

9 м к м .

Т о ч н о е

и з м е р е н и е ч а с т о т ы

и длины

волны

этой

спектральной

линии,

г е н е р и р у е м о й

г е л и й - н е о н о в ы м л а з е р о м , п о ­

зволило

в 1 9 7 2

г . у ж е

п о с л е опубликования этой книги

у т о ч н и т ь

на

два

порядка

з н а ч е н и е

скорости

с в е т а

{К.

Ивенсон,

доклад

на

X V I I Генеральной

а с с а м б л е е

У Р С И ,

Варшава,

1 9 7 2

г . )

с 0

= 2 9 9 7 9 2

4 5 6 , 2 І 1 , 1 м / с .

П р о г р е с с в

этой области

о т к р ы в а е т

путь

к

созданию

единого

э т а л о н а длины

и в р е м е н и ,

а т а к ж е

д а л ь н е й ­

шего

уточнения

з н а ч е н и я

с0.

-

Прим.

ред.

102

Глава

7

Д л я

перехода

с

поглощением,

т . е . ./ = 0-*У = 1 ,

эт о

в ы р а ж е н и е

с в о д и т ­

с я к виду

/

= 2 ß - 4 D .

(7.5)

В р а щ а т е л ь н ы е

линии

м о г у т

наблюдаться

в

инфракрасной

области

с п е к ­

тра;

они

определяют

тонкую

структуру

переходов

между д в у м я

к о л е ­

б а т е л ь н ы м !

у р о в н я м и .

Постоянные для

более

в ы с о к о г о

и

б о л е е

н и з ­

кого

уровней

м о г у т

несколько

р а з л и ч а т ь с я ,

но п р е д п о л а г а е т с я ,

чт о

постоянные для б о л е е низкого

уровня т а к и е

же,

ка к

и

в

м и к р о в о л ­

новом

д и а п а з о н е .

Длины

волн

з а д а ю т с я

в ы р а ж е н и е м

]

' Л = fn !

с 0

= ]

/ Д о +

(/}' +

В)т+ (В--В

-D'

+ D)m2

~

-2(D + D')m3-(D-D-)m\

( 7

' б

)

г д е

величины

и м е ю т

р а з м е р н о с т ь

с м ~"1 . З д е с ь

Л0

-

длина

волны

центральной

полосы; m = J + 1

для

Л' - ветви

полосы и m = -У для

Р - в е т ­

ви .

Значения

В

и

D

можно

найти

м е т о д о м

наименьших

к в а д р а т о в

по р е з у л ь т а т а м ,

полученным

для нескольких линий. Величина

D

п р е д с т а в л я е т

собой

лишь

небольшой

поправочный

член

порядка

1 0 ~ 6 ß ,

и ошибка

в

значении

с 0 ,

использованном

при п е р е х о д е

к

единицам

ч а с т о т ы ,

не

и м е е т большого

з н а ч е н и я .

Т о г д а

эт о

з н а ч е н и е

D

м о ж ­

но и с п о л ь з о в а т ь

в уравнении

( 7 . 5 ) ,

и

с 0

,

полученное

по

двум

з н а ­

чениям

В,

равно

с0

= В (микроволн.) /

В (шіфракр.).

(7_7)

Конечно,

необходимо

в в е с т и

поправки

на

п о к а з а т е л ь

преломления

п,

влияющий

на

р е з у л ь т а т

и з м е р е н и й .

Основные

ограничения

э т о г о

м е т о д а

ясны

и з

уравнения ( 7 . 6 ) .

Значение

В п о л у ч а е т с я

по

двум з н а ч е н и я м

1 Д ,

к о т о р ы е

р а з л и ч а ю т ­

ся в

с р е д н е м

м е н е е

ч е м

на

0,5%.

Е с л и

т о ч н о с т ь

и з м е р е н и я

длин

волн

равна

5

• 1 0 ~ 7 ,

то

т о ч н о с т ь

и з м е р е н и я

В, т а к и м

о б р а з о м ,

с н и ­

ж а е т с я

до ~

1 • 1 0 ~ 4 ,

х о т я

ряд с и с т е м а т и ч е с к и х

ошибок

м о ж е т

б ы т ь

исключен

применением

м е т о д а

наименьших

к в а д р а т о в .

Э т о т

м е т о д

в п е р в ы е

использовали

Р э н к ,

Р у т

и В а н д е р

Слюис

/ 7 8 / ,

к о т о р ы е

исследовали

в р а щ а т е л ь н ы е

полосы

м о л е к у л ы HCN;

они

с в я з ы в а ю т

з н а ч е н и е

В,

определенное

ими по

инфракрасным

с п е к т р а м , со

з н а ч е н и е м ,

полученным

Н е з е р к о т о м ,

Клейном

и Т а у н -

с о м

/ 7 3 /

в р е з у л ь т а т е

исследований

с п е к т р о в

в

С В Ч - д и а п а э о н е .

Радиолокац.,

спектроскопии,

и модуляционный

методы

103

Б ы л о получено

з н а ч е н и е

с 0 = 2 9 9

776 + 6 к м / с .

В

своих п е р в ы х

и з м е р е н и я х они

п о л ь з о в а л и с ь

дифракционной

решеткой,

и

хотя

э т о

была одна

из

лучших

по

т е м

в р е м е н а м

решеток,

т о ч н о с т ь

и з м е р е н и я

длин

волн

не

превышала

5

• 1 0 ~ 7 .

Р э н к ,

Ширер

и У и г г и н с

/ 7 9 / повторили

и з м е р е н и я ,

и с п о л ь з у я

чисто

интерферометрический

м е т о д ,

и получили

значение

с 0 = 299 739,8 ±3 к м / с .

По

сравнению

с

ошибкой,

возникающей

в

р е з у л ь т а т е т о г о ,

что

значение постоянной

з а в и с и т

от

р а з н о с т и

длин волн двух

очень

б л и з ­

ких

линий,

ошибка

в

определении середины

полосы

была

с у щ е с т в е н ­

ной.

В

1 9 5 5

г ,

Р э н к ,

Б е н н е т

и Б е н н е т

/ 7 7 / определили

длину

в о л ­

ны той

ж е

полосы

м о л е к у л ы HCN, и с п о л ь з у я

в

к а ч е с т в е

опорного

с т а н д а р т а

ч а с т о т ы

з е л е н у ю

линию ртути

1 9 8 .

Это

дало

з н а ч е н и е

с 0

= 299 791,9 ± 2 к м ' г .

Т о т

ж е м е т о д

использовали Плайлер, Блейн и Коннор

/ 7 6 / ,

р а ­

ботая с

инфракрасным

с п е к т р о м

СО. Хотя

п р и м е н я л а с ь

дифракционная

решетка, был

доступен

б о л е е

широкий

диапазон длин

волн,

т а к чт о

т о ч н о с т ь определения

постоянных была,

п о - в и д и м о м у ,

в ы ш е .

Б ы л и

и з м е р е н ы 4 3

линии

в

полосе

поглощения

в

районе

4 , 6 7

м к м , а

т а к ­

же

1 5

линий

со

з н а ч е н и я м и

/

от

3 2 до

5 2

в э м и с с и о н н о м

с п е к ­

т р е . В

т а б л . Ш приведены значения

1/А,

а т а к ж е

р а з н о с т и

м е ж д у

и з м е р е н н ы м и

значениями

и

з н а ч е н и я м и ,

вычисленными м е т о д о м

н а и ­

меньших к в а д р а т о в .

Многочлен

l / A = l / A 0

+ ( ß , + ß 0 ) m + r ß 1

- ß 0 ) m 2 - 4 D m 3

(7.8)

и с п о л ь з о в а л с я

для

подбора

п а р а м е т р о в

по

к а ж д о м у

ряду

р е з у л ь т а т о в ,

и

величины

1/А,

В И В 0

И

D 0

были

определены .

Р е з у л ь т а т ы ,

п о ­

лученные по д в у м

р я д а м измерений,

приведены в

т а б л .

I V в м е с т е

с

микроволновым

з н а ч е н и е м

ß0 > полученным

Гиллиамом,

Джонсоном

и

Горди

/ 4 8 /

и

Б е д а р д о м ,

Г а л л а х е р о м

и

Джонсоном / 1 0 / .

Эти

с п е к ­

троскопические

м е т о д ы не

обладают

точностью, свойственной

б о л е е

п р я м ы м

м е т о д а м ,

требующим

измерений

ч а с т о т ы

и

длины,

но они

с в и д е т е л ь с т в у ю т

о

т о м , чт о микроволновое

и

инфракоасное

значения

В

непосредственно

с в я з а н ы

с

е 0 .

Т а б л и ц а III

Значения

1 / X ( с м - 1 )

в р а щ а т е л ь н ы х

линий

СО в д и а п а з о н е

4,7

м к м

/

И з м е р е н н о е

Р а з н о с т ь

И з м е р е н н о е

Р а з н о с т ь

з н а ч е н и е

и з м е р е н -

з н а ч е н и е

и з м е р е н ­

ного и

ного

и

в ы ч и с л е н ­

в ы ч и с л е н ­

ного з н а ­

ного

з н а ­

чений

чений

R 2 3

2 2 2 4 , 6 9 4

0 , 0 0 4

1 4

2 0 8 6 , 3 2 2

0 , 0 0 0

2 2

2 2 2 1 , 7 3 2

0 , 0 0 4

1 5

2 0 8 2 , 0 0 9

0 , 0 0 7

2 1

2 2 1 8 , 7 3 3

0 , 0 0 5

1 6

2 0 7 7 , 6 5 0

0 , 0 0 1

2 0

2 2 1 5 , 6 8 5

- 0 , 0 0 4

17

1 9

2 2 1 2 , 6 0 0

- 0 , 0 1 2

1 8

2 0 6 8 , 8 5 1

0 , 0 0 6

1 8

2 2 0 9 , 4 9 8

0 , 0 0 1

1 9

17

2 2 0 6 , 3 4 5

0 , 0 0 2

2 0

2 0 5 9 , 9 1 1

- 0 , 0 0 1

16-

2 2 0 3 , 1 4 7

- 0 , 0 0 6

2 1

2 0 5 5 , 3 9 1

- 0 , 0 0 6

1 5

2 1 9 9 , 9 2 9

0 , 0 0 5

2 2

1 4

2 1 9 6 , 6 6 1

0 , 0 0 3

2 3

2 0 4 6 , 2 7 1

- 0 , 0 0 1

13

2 1 9 3 , 3 5 7

0 , 0 0 2

2 4

2 0 4 1 , 6 6 3

0 , 0 0 2

1 2

2 1 9 0 , 0 1 0

- 0 , 0 0 4

2 5

2 0 3 7 , 0 3 0

0 , 0 1 0

1 1

2 1 8 6 , 6 3 6

- 0 , 0 0 1

2 6

2 0 3 2 , 3 4 9

0 , 0 0 2

1 0

2 1 8 3 , 2 2 6

0 , 0 0 3

2 7

2 0 2 7 , 6 3 5

- 0 , 0 0 7

9

2 1 7 9 , 7 6 1

- 0 , 0 1 1

2 8

2 0 2 2 , 8 9 9

- 0 , 0 0 9

8

2 1 7 6 , 2 8 7

0 , 0 0 3

2 9

7

2 1 7 2 , 7 5 9

- 0 , 0 0 1

3 0

6

3 1

5

2 1 6 5 , 6 0 2

- 0 , 0 0 1

3 2

2 0 0 3 , 6 5 9

- 0 , 0 0 1

4

3 3

1 9 9 8 , 7 6 7

- 0 , 0 0 5

3

2 1 5 8 , 3 0 9

0 , 0 0 6

3 4

1 9 9 3 , 8 6 7

0 , 0 1 3

2

2 1 5 4 , 5 9 6

- 0 , 0 0 3

3 5

1 9 8 8 , 9 1 0

0 , 0 0 4

1

3 6

1 9 8 3 , 9 1 9

- 0 , 0 1 0

0

3 7

1 9 7 8 , 9 2 3

0 , 0 0 2

Р

1

2 1 3 9 , 4 3 2

0 , 0 0 2

3 8

1 9 7 3 , 8 7 1

- 0 , 0 1 3

2

2 1 3 5 , 5 5 4

0 , 0 0 4

3 9

1 9 6 8 , 8 0 5

- 0 , 0 1 3

3

2 1 3 1 , 6 3 9

0 , 0 0 4

4 0

4

4 1

5

2 1 2 3 , 7 7 0

- 0 , 0 0 2

4 2

1 9 5 3 , 4 5 9

0 , 0 1 4

6

2 1 1 9 , 6 7 7

- 0 , 0 0 7

4 3

1 9 4 8 , 2 5 2

- 0 , 0 1 0

7

4 4

8

2 1 1 1 , 5 5 5

0 , 0 0 9

4 5

1 9 3 7 , 8 3 1

0 , 0 1 9

9

2 1 0 7 , 4 1 3

- 0 , 0 1 2

4 6

1 9 3 2 , 5 5 5

0 , 0 1 1

1 0

2 1 0 3 , 2 6 5

- 0 , 0 1 7

4 7

1 9 2 7 , 2 4 6

- 0 , 0 0 2

1 1

2 0 9 9 , 0 9 6

0 , 0 1 2

4 8

1 9 2 1 , 9 2 6

0 , 0 0 1

1 2

2 0 9 4 , 8 7 0

0 , 0 0 7

4 9

13

2 0 9 0 , 6 0 3

- 0 , 0 0 6

5 0

5 1

1 9 0 5 , 7 7 6

- 0 , 0 1 0

Радиолокац.,

спектроскопич.

и модуляционный

методы

105

Т а б л и ц а

I V

К о н с т а н т ы

СО

1 А 0

2 1 4 3 , 2 7 2 ± 0 , 0 0 3

2 1 4 3 , 2 7 5 ± 0 , 0 0 2

в,

І . Ѳ О б О І і 0 , 0 0 0 0 7

1 , 9 0 4 9 8 ± 0 , 0 0 0 0 4

Во

1 . 9 2 2 5 2 8 І 0 , 0 0 0 0 7

1 . 9 2 2 5 2 1 І 0 , 0 0 0 0 4

В0

(микроволн)

5 7 , 6 3 5 6 5 ГГц

Do

( 6 , 2 6 t 0 , 0 4 2 ) • 1 0 _ 6

( 6 . 2 5 І 0 , 0 3 ) - Ю - 6

с 0 = 2 9 9 7 9 2 + 6 к м / с

5 . М е т о д к в а р ц е в о г о м о д у л я т о р а

Если

вдоль

оптической оси (оси Z

)

к р и с т а л л а

кварца

п у с т и т ь

луч

с в е т а ,

а

вдоль

э л е к т р и ч е с к о й

оси

(оси X

) приложить

э л е к т р и ­

ч е с к о е

поле,

то

п л о с к о с т ь поляризации выходящего

луча

п о в е р н е т с я .

Если приложенное

э л е к т р и ч е с к о е

поле

Е

м е н я е т с я

с частотой

/

и с в е т

проходит ч е р е з

кварцевую

пластину,

помещенную

м е ж д у

д в у ­

м я

п р и з м а м и

Николя,

т о р е з у л ь т и р у ю щ а я

интенсивность

равна

/ = / 0 s i n 2 ( W £ s i n 2 r r / 0 ,

( 7 - 9 )

г д е

/

-

длина

пути

в к р и с т а л л е

кварца,

к

-

постоянная

к р и с т а л ­

ла .

Т а к и м о б р а з о м ,

к р и с т а л л кварца

в е д е т с е б я т а к же,

как и

я ч е й ­

ка

К е р р а .

Если

с д е л а т ь

так , ч т о б ы

f

было

равно

собственной

ч а с ­

т о т е колебаний

кварцевой пластинки,

то амплитуда

е е колебаний

ч р е з ­

вычайно в о з р а с т а е т ,

равно ка к и электрооптический

эффект.

К р о м е

т о г о , с у щ е с т в у е т

дополнительный

эффект,

в ы з в а н н ы й т е м , что м е х а ­

нические

напряжения

в к р и с т а л л е

влияют

на

ег о коэффициент

п р е л о м ­

ления .

Если

к р и с т а л л

в о з б у ж д а е т с я

на

одной

и з г а р м о н и к

с о б с т в е н ­

ной

ч а с т о т ы ,

то

в

нем п о я в л я ю т с я

области с

разгаічным

коэффициен­

т о м преломлений, и

пластинка

в е д е т

с е б я

ка к

дифракционная

р е ш е т ­

ка .

Этот

эффект

и с п о л ь з о в а л Хаустаун

( 1 9 4 1 ,

1 9 4 4 г г . )

для

и з м е ­

рения скорости

с в е т а

в

в о -

S

де,

а п о з д н е е

-

и

в

в о з д у ­

хе

/ 5 2 / .

С х е м а

его

э к с п е р и м е н ­

т а п о к а з а н а

на рис .

7 . 2 .

Параллельный

пучок

с в е т а

пропускают

ч е р е з

с т е к л я н ­

ную

пластинку

С

и

к в а р ­

Р и с . 7.2.

цевую

пластинку

Q

и

н а -

правляют

на

з е р к а л о

I / ,

находящееся

на расстоянии

1 9

м,

откуда

он

о т р а ж а е т с я

и ч е р е з

линзу

п о п а да е т

на

з е р к а л о V

З а т е м

луч

о т р а ж а е т с я

обратно

и т е м ж е

п у т е м

п о п а д а е т вновь

на

к в а р -

106

Глава 7

ц е в ую пластинку

и з а т е м

на

окуляр

Е. К в а р ц е в а я

пластинка

имела

р а з м е р ы

3 , 5 1

X 1 1 , 0 3

х 1 2 , 9 7 5 м м ;

она

в о з б у ж д а л а с ь

на

ч а с т о т е

1 3 5 - й

гармоники и

к о л е б а л а с ь

с ч а с т о т о й

1 0 6

МГц.

Первый

п о р я ­

док с п е к т р а

отклонялся

примерно

на

3 5 ' .

В

приборе

и с п о л ь з о в а л о с ь

п р я м о е и з о б р а ж е н и е .

Конец

кварцевой пластинки

р а с п о л а г а л с я

т а к и м

о б р а з о м ,

чтобы

п р я м о е

изображение

отклонялось

на

35'

;

э т о

о т к л о ­

нение

у с т р а н я л о с ь с т е к л я н н ы м

к о м п е н с а т о р о м

IF.

Когда

г е н е р а т о р

включали

и к о м п е н с а т о р

В7

убирали,

получали

с п е к т р первого

п о р я д ­

к а . Зеркало

М2

с м е ш а л о с ь

для

т о г о ,

чтобы

получить

минимальную

интенсивность, к о т о р а я

имела

м е с т о ,

к о г д а

путь,

проходимый

лучом,

равнялся

fa+

1/2

А / 2 - Величина

л = 55

не

в ы з ы в а л а

сомнений .

Приведение

к минимуму,

который

с о с т а в л я л примерно

1/3

м а к ­

симальной интенсивности,

было

н е л е г к и м

д е л о м . Окончательный

р е ­

з у л ь т а т

был получен

по

2 0

и з м е р е н и я м ,

п р и ч е м

каждое

и з м е р е н и е

было

средним

и з 2 0

о п ы т о в .

В с е

ж е

р а з б р о с

значений

с о с т а в л я л

1 8 0

к м / с .

Р е з у л ь т а т

был

равен

2 9 9

6 9 8

І

9

к м / с , а

п о с л е

в в е д е ­

ния поправки

на

коэффициент

преломления

получалось

з н а ч е н и е

е 0 = 2 9 9

775

±9

к м / с .

М а к - К и н л и

/ 6 2 /

описал

некоторые и з м е р е н и я ,

проведенные в

1 9 3 7 г .

с кварцевой

пластинкой,

колеблющейся на

основном

типе

колебаний.

К о г д а к в а р ц е в а я

пластина

и с п о л ь з о в а л а с ь

в

к а ч е с т в е модулятора

и

д е т е к т о р а ,

в е р о я т н а я

ошибка

с р е д н е г о и з

1 0 0

наблюдений, по

его

мнению,

с о с т а в л я л а около

2%.

Б о л ь ш и м у с о в е р ш е н с т в о в а н и е м

было

и с п о л ь з о в а н и е

кристалла

кварца

в к а ч е с т в е

модулятора,

а

ф о т о э л е ­

м е н т а

в

к а ч е с т в е д е т е к т о р а ;

при

э т о м было

получено

з н а ч е н и е

с0

= 299

780

± 70

щ/с.

108

Глава

8

Однако

при

э т о м

з а

с ч е т дифракции

в о з н и к а е т

ошибка

в

определении

длины

волны

при

р а з л и ч н ы х положениях

з е р к а л а ,

для

устранения

к о ­

торой необходимо

принимать

специальные м е р ы .

На

п р а к т и к е

интерферометр,

работающий

в

микроволновом

д и а п а ­

зоне, н е л ь з я и с п о л ь з о в а т ь точно

т а к

ж е ,

как

оптический

и н т е р ф е р о ­

м е т р . О с н о в н а я разница

в о з н и к а е т

з а с ч е т

отношения

а п е р т у р ы

линз

или

з е р к а л

к

длине

волны излучения . В оптической

интерферометрии

не

с о с т а в л я е т

никаких трудностей

р а б о т а т ь

с э л е м е н т а м и

у с т а н о в к и

р а з м е р а м и ,

с к а ж е м ,

1 0 4

длин

волн.

При

имеющихся

в н а с т о я щ е е

в р е м я

микроволновых

г е н е р а т о р а х

э л е м е н т ы

у с т а н о в к и с

а н а л о г и ч н ы м

соотношением

р а з м е р о в

о к а з а л и с ь

бы

слишком

большими .

В с в я з и

с э т и м

волновой

фронт микроволнового излучения, исходящего или

о т ­

раженного

от

э л е м е н т о в

р е а л ь н о г о

р а з м е р а ,

должен

и з - з а

дифракции

м е н я т ь

свою

форму

в з а в и с и м о с т и

от

р а с с т о я н и я

от

данного

э л е м е н ­

т а .

Т е м не

м е н е е определение скорости

э л е к т р о м а г н и т н о г о

излучения

с помощью

микроволнового

интерферометра

я в л я е т с я

в

н а с т о я щ е е

в р е м я

одним

и з наилучших

способов .

Хотя

длина

волны,

и з м е р е н н а я

т а к и м

прибором,

я в л я е т с я функцией

р а з м е р о в

е г о э л е м е н т о в ,

можно

оценить пределы

ошибки

при

коррекции

э т о г о

эффекта,

т а к

ч т о

р е ­

зультирующее отклонение измеренной длины волны от истинной

в с в о ­

бодном

п р о с т р а н с т в е

можно

с д е л а т ь

достаточно

м а л ы м .

2 .

Измерения

Фрума

( 1 9 5 2

г . )

На

рис . 8 . 1

в

с х е м а т и ч е с к о м

виде

п о к а з а н ы

все

наиболее

с у ­

щественные

детали

интерферометра

/ 3 9 ,

4 0 / .

В

к а ч е с т в е

м и к р о в о л ­

нового

источника

служил

стабилизированный

клистрон,

работавший

на

ч а с т о т е

2 4 , 0 0 5

ГГц,

ч т о с о о т в е т с т в у е т

длине волны

около

1 , 2 5 с м .

Выходной

сигнал

клистрона направлялся в гибридное соединение

А

(двойной

Т- м о с т ) ,

г д е

делился на

д в е р а в н ы е

ч а с т и .

Одна

ч а с т ь

мощности

и с п о л ь з о в а л а с ь для

р а б о т ы

блока

стабилизации

клистрона,

д р у г а я

поступала

д а л е е

на

в т о р о е

гибридное

соединение

Bt

п р е д с т а в ­

ляющее собой

д е л и т е л ь пучка

интерферометра .

Поступающая

в

соединение

В

э н е р г и я

вновь

д е л и т с я

на

две

р а в ­

ные ч а с т и .

Половина

энергии

ч е р е з

рупор

и з л у ч а е т с я

в о т к р ы т о е

п р о с т р а н с т в о

и з а т е м

в о з в р а щ а е т с я

обратно

в

рупор

после

о т р а ж е н и я

от

п е р е м е щ а е м о г о

з е р к а л а .

Эта

ч а с т ь

п р е д с т а в л я е т

собой

п е р е м е н ­

ное

плечо

интерферометра .

В

к а ч е с т в е фиксированного

плеча

интерферометра

служил

в о л н о -

водный

э к в и в а л е н т

е г о п е р е м е н н о г о

плеча .

В

э т о м плече

в т о р а я

п о ­

ловина

энергии и з

соединения В проходила по волноводу

ч е р е з

с о ­

гласующую

цепь

к

переменному

а т т е н ю а т о р у

и з а т е м

о т р а ж а л а с ь

от

с о о т в е т с т в у ю щ и м

о б р а з о м настроенного

з а к о р а ч и в а ю щ е г о

поршня.

Р о л ь согласующей

цепи

с о с т о я л а в

балансировке

отражений

от

п е р е д -

Микроволновые

и радиоинтерферометрич.

методы

109

ней

поверхности

излучающего рупора,

при э т о м

с о г л а с у ю щ а я

цепь

р а з м е щ а л а с ь

на

т о м

же

э л е к т р и ч е с к о м

расстоянии

от соединения

что

и конец

рупора .

В с л е д с т в и е

э т о г о

с о г л а с о в а н и е

было н е ч у в с т в и ­

т е л ь н ы м к изменению ч а с т о т ы

с и г н а л а . Т а к и м

о б р а з о м , оба

плеча

3,5м

^

....•ОО-'0

От А 6,5м до

I

2,25м

J

1 — микроволновый

генератор

частоты, 2 — волновод,

3 — аттенюатор, 4 -

гиб­

ридное соединение,

5 -

излучающий

рупор

и линза,

6 — детектор

и

индикатор,

7 — подвижное

зеркало,

8 — микрометр,

9 — оптическая скамья,

10 —

деревян­

ная подставка,

11 — закорачивающий

поршень с микрометрической

настройкой,

12 — переменный

аттенюатор, 13 — согласующая

цепь, 14 — блок

сравнения

со

стандартом частоты НФЛ на 100 кГц,

15 - кварцевый

генератор

на 5 МГц,

16 — умножитель,

17 — кристаллический генератор

гармоник,

18 — умножитель

и смеситель,

19 -

биение 5МГц, 20 — калибровка

приемника

частотой 5 МГц,

21 -

приемник и громкоговоритель,

22 -

схема стабилизации

Паупда,

23

-

об­

ратная связь

к

генератору.

с т у п а л а на

д е т е к т о р ,

а д р у г а я

половина в о з в р а щ а л а с ь

к

клистрону .

Интерференция

м е ж д у лучами,

о т р а ж е н н ы м и

от

о т к р ы т о г о

и ф и к с и р о ­

ванного плеч,

происходила

в о т р е з к е

волновода,

в котором

н а х о д и ­

лось

детектирующее

у с т р о й с т в о .

Интенсивность луча, поступающего и з фиксированного

плеча

и н ­

т е р ф е р о м е т р а ,

можно было с б а л а н с и р о в а т ь по отношению

к

сигналу

и з о т к р ы т о г о

плеча

с помощью

п е р е м е н н о г о

а т т е н ю а т о р а

так,

что

u n

Глава

8

при

изменении

фазы

с и г н а л а

о т к р ы т о г о

плеча

з а

с ч е т

перемещения

з е р к а л а

с и г н а л

на

д е т е к т о р е

был равен

нулю,

если

сигналы

обоих

плеч

находились

в

противофазе . Эт о имело

м е с т о

при

перемещении

з е р к а л а

(приблизительно)

на

к а ж д ы е

полволны . Т а к и м

о б р а з о м ,

в

основе и з м е р е н и я

длины волны

лежало

п е р е м е щ е н и е

з е р к а л а на

т о ч ­

но

и з в е с т н о е число

минимумов

с

помощью

набора

концевых

м е р

плюс

очень

небольшое

(в

пределах

0 , 1

м м )

перемещение

э т о г о

з е р к а л а

с

помощью

м и к р о м е т р а ,

укрепленного на

с к а м ь е

(см . рис . 8 . 1 ) .

Д л я контроля величины перемещения

и с п о л ь з о в а л а с ь

комбинация

и з

двух

концевых

м е р и

двух

и з м е р и т е л ь н ы х

плиток.

Концевые

м е р ы

с

номинальной

длиной 1 0 0

и

6 0

с м

были

специального

к о м б и н и р о ­

ванного

типа,

который

и с п о л ь з у е т с я

в точном машиностроении . Дв е

и з м е р и т е л ь н ы е

плитки,

з а к р е п л я е м ы е

на

к а ж д о м конце комбинации

концевых м е р

длиной

1 6 0

с м ,

делали

общую

длину

в е с ь м а

близкой

к

длине

с у м м а р н о г о

числа

наблюдаемых

полуволн. Комбинация

и з м е ­

рительных м е р , имеющая плоскопараллельные

концы, п о м е ш а л а с ь

м е ж ­

ду

двумя сферическими

упорами,

один из

которых

у к р е п л я л с я

на

к а ­

р е т к е подвижного

з е р к а л а ,

а

второй

-

на

с т е р ж н е

м и к р о м е т р а .

У ж е

о т м е ч а л о с ь ,

что форма волнового

фронта

и з л у ч а е м о г о

к о л е ­

бания

м е н я е т с я

при изменении

р а с с т о я н и я

от

рупора.

Аналогичным

о б р а з о м

м е н я е т с я

и

форма

фронта

волны,

отраженной

от

з е р к а л а .

Ч т о ­

бы

у к а з а н н ы е

фронты

имели простую

форму,

удобную

для

а н а л и з а ,

необходимо

большое

р а с с т о я н и е между

излучающим

рупором

и з е р к а ­

л о м .

Т а к как э н е р г и я , о т р а ж а е м а я з е р к а л о м

к д е т е к т о р у ,

с о с т а в л я ­

е т

лишь

незначительную ч а с т ь

(например,

Ю - 4 ) первоначально

и з ­

лучаемой

энергии,

необходимо

и с п о л ь з о в а т ь достаточно

ч у в с т в и т е л ь ­

ный

д е т е к т о р .

В к а ч е с т в е

т а к о г о

д е т е к т о р а

и с п о л ь з о в а л с я

супергетеродинный

приемник . Гетеродином

в э т о м

приемнике

служил

второй

клистронный

г е н е р а т о р

(не

показанный

на

рис . 8 . 1 ) , генерирующий

на

ч а с т о т е

2 4 , 0 5 0

ГГц. Кристаллический

с м е с и т е л ь ,

находящийся

в д е т е к т о р н о м

плече

соединения

В ,

обеспечивал

п р е о б р а з о в а н и е

указанной

ч а с т о т ы

г е т е р о д и н а

и ч а с т о т ы

с и г н а л а

( 2 4 , 0 0 5

ГГц)

в

промежуточную

ч а с ­

т о т у

4 5

МГц. П о с л е усиления

и выпрямления

сигнал

и з м е р я л с я

д в у ­

м я

последовательно

включенными

м и к р о а м п е р м е т р а м и .

Один

и з э т и х

м и к р о а м п е р м е т р о в

р а з м е щ а л с я

вблизи

излучающего

рупора,

второй

-

на

с к а м ь е

з е р к а л а ,

соединенной

с

м и к р о м е т р о м . При расстоянии

м е ж ­

ду

рупором

и з е р к а л о м

около

2 1 , 5

м

с

помощью

э т о г о у с т р о й с т в а

о б е с п е ч и в а л а с ь

т о ч н о с т ь единичного

и з м е р е н и я

положения

м и н и м у м а ,

р а в н а я

-

3 м к м ,

д а ж е

для

з е р к а л а

наименьших

р а з м е р о в

15

х 1 5 с м .

( Т а к и е

ж е

р а з м е р ы

и м е л а

а п е р т у р а

излучающего

рупора,

и с п о л ь з о в а н ­

ного

в э к с п е р и м е н т е ) .

Во

в с е х

и з м е р е н и я х

п е р е м е щ е н и е

з е р к а л а

на

1 6 2

с м

приводило

к появлению

2 5 9 м и н и м у м о в .

П е р е м е щ е н и е з е р к а л а

производилось