Эксперимент. Переход на ручное управление...
|
Выпуск 148 Лаборатория Наномир Когда реальность открывает тайны, Эксперимент. Переход на ручное управление...
 Этот
пульт управления генератором Г4-156 был изготовлен по дороге на
измерительный эксперимент. Дело в том, что эксперимент был назначен на 13
число, а часть необходимых деталей удалось приобрести лишь 12-го числа
(проездом через Москву).  В
ночь с 12-го на 13 марта пульт ручного управления частотой задающего
генератора был доделан. В качестве корпуса был выбран контейнер ЗиП.
Ярослав Старухин наблюдает первый режим измерительного эксперимента.  На
завод пришлось привезти не только задающий генератор Г4-156, но и
осциллограф С1-117, т.к. осциллографа с чувствительностью 0.1 мВ на
заводе не оказалось...  Модулятор,
изготовленный на заводе, меняет частоту Г4-156 со скоростью 50 мкс на
клетку, что годится для снятия АЧХ высокодобротного резонатора только
на большой мощности. На мощности 5 мВт высокодобротный пик практически
не видно.  Поэтому
проверку модулятора мы начали с низкодобротного пика на частоте 34.26
ГГц. Напомню, что высокодобротный пик находится на частоте 24.05 ГГц, а
диаметр рубинового резонатора 9.990 мм.  Всё
дело в том, что мнения профессионалов разделились. Один считает, что
резонатор можно полноценно возбудить при быстром изменении частоты
задающего генератора, т.е. если за 40 мкс частота меняется на 10 мГц.
Другой профессионал объясняет, что спектральный пик будет виден, но это
вовсе не означает, что в резонаторе будет накоплено необходимое
количество энергии.  Для
выяснения истины на заводе изготовили модулятор, а я изготовил пульт
ручного управления. Пульт проверили сразу. Он позволяет выставить
резонансную частоту и при необходимости подстраивать её в ходе
эксперимента с точностью до 6 знака. Это позволяет задействовать все
импульсы, усиленные ЛБВ для попытки включения рубинового генератора.
Далее началась проверка взаимоисключающих утверждений двух профессионалов.  Когда
мне удалось обнаружить высокодобротный пик, то оказалось, что его почти
не видно, т.е. он имеет высоту менее пятой части экрана при
максимальной чувствительности (0.1мВ) осциллографа. На обратном ходе
пилообразного управляющего сигнала резонанс тоже видно, но ещё хуже.
Кроме того, в обоих случаях видно искажение формы спектрального пика,
связанная с экспоненциальным процессом возбуждения и таким же
характером затухания резонатора.  При
увеличении времени изменения частоты на несколько порядков, амплитуда
спектральных пиков возросла на порядок. Пришлось переключить диапазон
чувствительности с 0.1 на 0.5 мВ.
При этом форма резонансных пиков приобрела классический вид.  На
низкой частоте управляющего сигнала высота спектрального пика на
переднем и заднем фронте управляющего импульса выровнялась. Тем не
менее, мы видим не амплитуду колебаний в резонаторе, а амплитуду
продетектированного сигнала биений внешнего генератора и резонатора. На
каждом периоде биений резонатор отдаёт запасённую энергию, т.е. энергия
в резонаторе не накапливается более, чем позволяет полупериод частоты
биений. По расчёту профессионала частота Г4-156 не должна меняться
более, чем на 16 кГц за 40 мкс. Это соответствует изменению фазы на 90
градусов.
Это возможно, если период пилообразного сигнала модуляции будет около 30 секунд.  Модулятор,
изготовленный на заводе, может сформировать такой управляющий сигнал
при замене задающего конденсатора с 1500 пФ на 1000 мкФ, т.е. почти в
миллион раз. Когда мы попытались получить такую медленную скорость
изменения частоты, то обнаружилось, что сигнал "дрожит" за счёт
всевозможных наводок в цепях управления. Переделывать модулятор не
имеет смысла, т.к. даже при устранении нестабильности управляющего
сигнала 99 из 100 импульсов ЛБВ не попадут в резонанс с рубиновым
генератором. Если же выставить частоту Г4-156 вручную, то все 100
импульсов из 100 будут возбуждать резонатор, что позволит увидеть
эффект свечения в 100 раз сильнее. Резонатор будет вспыхивать не 1 раз
на интервале 3 миллисекунды, а 100 раз, т.е. средняя мощность свечения
получится в 100 раз выше. Её легче будет зарегистрировать. Как происходит возбуждение резонатора высокой добротности? Частота возбуждающего сигнала приближается к частоте собственных колебаний. Резонатор начинает возбуждаться, но разность фаз возбуждающего сигнала и собственных колебаний стремительно меняется. Пока она меняется от нуля до 90 градусов, амплитуда собственных колебаний растёт, а в интервале от 90 до 180 градусов уменьшается.
Так выглядит эпюра биений на частоте, близкой к резонансной.
На этой осциллограмме видно, что процесс на выходе детекторной секции носит колебательный характер с периодом ~10 мкс. Это значит, что более короткие процессы сглаживаются.
К таким процессам могут относиться и биения в резонаторе.
При отклонении частоты выходного сигнала ЛБВ на 16 кГц его фаза через 30 мкс уже отличается от фазы колебаний в рубиновом резонаторе на 90 градусов. Если же за время 40 мкс частота Г4-156 меняется на 10 мГц (как в первом мощном эксперименте), то средний период частоты биений оказывается равным 10^-7 секунды, т.е. 0.1 мкс.
Другими словами, рубиновый резонатор накапливает энергию только первую половину десятой доли микросекунды, а уже через 0.05 мкс начинает отдавать накопленную энергию обратно. За 0.05 мкс он успевает накопить менее процента энергии. Поэтому свечение в режиме такого быстрого изменения частоты увидеть невозможно в принципе. Однако, резонансный пик прекрасно видно, т.к. один процент от одного процента от двух киловатт - это 0.2 Вт, т.е. 200 милливатт. Т.е. если в резонатор может попасть всего лишь 1 процент энергии ЛБВ и от этого процента успевает накопиться тоже только один процент, т.е. в резонатор успевает попасть 0.01% мощности ЛБВ, то это всё же 200 милливатт, что в 40 раз больше, чем мощность Г4-156. Поэтому резонансный пик видно на экране осциллографа, чувствительность которого на порядок хуже, чем 0.1 мВ. Теперь посмотрим, как будет выглядеть график накопления мощности при изменении частоты со скоростью 16 кГц за 30 мкс.
Верхний луч осциллографа показывает зависимость управляющего напряжения от времени. За 30 микросекунд частота меняется на 16 кГц, а за 30 миллисекунд соответственно на 16 МГц. Нижний луч осциллографа показывает огибающую продетектированного сигнала. При этом вблизи максимума спектрального пика длина периода биений составляет ~30 мкс. На графике мы видим огибающую продетектинованных биений. Тонкую структуру (зубчики, заполняющие площадь под графиком) можно увидеть при переходе на предел 0.1 мВ, но при этом нужно решить проблему с синхронизацией, т.к. зубчики имеют высоту, соизмеримую с толщиной луча на пределе 0.1 мВ и их фаза меняется несинхронно с фазой огибающей биений.
Сначала мы хотели возбудить рубиновый резонатор "не глядя", т.е. путём сканирования частоты. Один из 100 импульсов за 30 секунд должен был бы возбудить резонатор до уровня свечения. Мощность вспышки могла достигать процента от мощности ЛБВ, т.е. 20 Вт. Если усреднить эту мощность на период пилообразного управляющего напряжения (30 секунд), то получается в миллион раз меньше, т.е. 20 микроватт. Но глаз и видеокамера могут заметить вспышку, усредняя по времени типа -0.1 сек, т.е. 100 миллисекунд и даже 30 миллисекунд. Это как раз один видеокадр. Тогда средняя мощность получается уже не 20 микроватт, а 20 милливатт. Это мощность светодиода. Установка детекторной секции позволяет подстраивать частоту Г4-156 вручную, а это означает, что все импульсы будут возбуждать резонатор и средняя мощность свечения будет всего лишь в скважность раз меньше, чем мощность, получаемая резонатором от ЛБВ.
20 Вт / 100 = 200 милливатт. Это уже мощность сверхъяркого светодиода. Таким образом, ручная установка частоты позволит надёжно зафиксировать свечение резонатора.
К сожалению, при ручной установке частоты на экране осциллографа при автоматической развёртке нельзя увидеть резонансного пика в привычном виде. При увеличении управляющего напряжения вручную, горизонтальная линия сначала поднимается, подъём достигает максимума на резонансной частоте, а затем опускается. При этом второй горизонтальный луч осциллографа позволяет зафиксировать пределы изменения управляющего напряжения в области резонанса. При проверке пульта управления напряжение в зоне резонанса 34.05 ГГц изменялось на 0.125 вольта при изменении напряжения с выхода детекторной секции в 2 раза. Это соответствовало изменению частоты Г4-156 на ~0.5 МГц. Ширина полосы вдвое больше, т.е. 1 мГц, а добротность можно оценить по отношению несущей частоты к ширине полосы резонатора (фильтра). 34 ГГц/1 МГц = 34 000. Это - нагруженная добротность. Свободная или собственная добротность при этом могла быть вдвое больше, т.е. 68 000.
Попробуем наглядно представить себе процесс возбуждения рубинового резонатора.
Программа эксперимента (третья редакция) 1. Собрать установку по схеме "на проход". В Баальбеке обнаружен канал, соединяющий исток Леонта с мегалитическим комплексом! Материал с форума. |
| В избранное | ||
