РАДИОФИЗИКА

РАДИОФИЗИКА

       

раздел физики, охватывающий изучение и использование эл.-магн. колебаний и волн радиодиапазона, а также распространение развитых при этом принципов и методов в др. области физики и за её пределы. На шкале электромагнитных волн радиодиапазон занимает интервал частот от 104 до 1010 Гц (см. РАДИОВОЛНЫ), и первоначально радиофиз. исследования придерживались этих границ. В зарубежной лит-ре такому представлению о Р. ограниченно соответствует термин «радионаука» (Radioscience). Co временем, однако, методы Р. проникли и в др. диапазоны частот от очень низких частот (ОНЧ) до g-излучения, а также в область исследований волновых процессов не эл.-магн. природы (напр., в акустику).

Р. сформировалась в 30—40-е гг. благодаря бурному развитию радиотехники, радиосвязи, радио- и телевещания и др. Появление радиолокации и радионавигации потребовало освоения новых диапазонов частот и разработки общих физ. принципов генерации, излучения, распространения и приёма радиоволн, модуляции и кодирования радиосигналов и т. д. В СССР развитие Р. связано с именами Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и созданной ими школы.

На первом этапе развитие Р. опиралось на общую теорию колебаний и волн, физ. электронику и электродинамику. Теория колебаний создала матем. аппарат, позволяющий исследовать и управлять процессами в колебат. системах (см. КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН ТЕОРИЯ). Важную роль сыграли исследования нелинейных колебаний и особенно автоколебаний, лежащие в основе работы большинства генераторов эл.-магн. колебаний радиодиапазона.

Быстродействие, простота управления, высокие кпд, перекрытие всех диапазонов частот и мощностей, высокая чувствительность, избирательность и низкий уровень шумов и др. требования, предъявляемые к разл. радиотехнич. устройствам, могут быть удовлетворены только с привлечением разнообразных физ. явлений в газах и конденсированных средах. Поэтому радиофиз. исследованиям сопутствовали, а иногда предшествовали: ас-следование электронной и ионной эмиссии (см. ЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА), разработка методов управления движением заряженных ч-ц (см. ЭЛЕКТРОННАЯ ОПТИКА), исследование вз-ствия эл.-магн. полей с электронными потоками, с газоразрядной плазмой и электронно-дырочной плазмой в тв. теле (см. ПЛАЗМА ТВЁРДЫХ ТЕЛ), изучение невзаимных хар-к ферритов и т. п. В результате развития представлений об автофазировке и автогруппировке эл-нов, о самосогласованном синхронном вз-ствии частиц и эл.-магн. полей вместо вакуумных диодов, триодов и т. п. в коротковолновых диапазонах появились такие приборы, как клистрон, магнетрон, лампа бегущей волны, лампа обратной волны и др.

Электродинамика, в основном опирающаяся на Максвелла уравнения в линейных средах, обеспечила понимание процессов излучения, распространения и приёма радиоволн. Это позволило создать разл. элементы радиотехнич. аппаратуры как в длинноволновых диапазонах (системы с сосредоточенными параметрами — колебат. контуры, фильтры, трансформаторы и т. п.), так и в коротковолновых диапазонах, особенно на СВЧ, где практически все узлы — системы с распределёнными параметрами (линии передачи, радиоволноводы, объёмные резонаторы и т. п.). Создание множества типов антенн и расчёта трасс распространения радиоволн в атмосфере, земной коре, воде составили содержание автономных разделов Р.

По мере развития Р. её методы стали проникать в др. области физики. В результате Р. как бы «разветвилась» на «физику для радио» и «радио для физики». Новые задачи, а также освоение диапазонов высоких частот привлекли в Р. идеи и методы из др. областей физики, в частности из оптики (линзы, зеркала, интерферометры, поляроиды и т. д.), что привело к появлению нового раздела Р.— квазиоптики (квазиоптич. линии передачи, открытые резонаторы и т. п.). В свою очередь радиофиз. методы, развитые, напр., для сантиметрового диапазона длин волн, проникнув в оптику, заметно расширили её возможности, вызвав к жизни такие разделы, как волоконная оптика, голография, интегральная оптика и т. п., так что и оптич. диапазон частот стал областью приложения методов Р. Иногда это поясняют термином «радиооптика».

В результате взаимных «обогащений» с др. областями физики, с одной стороны, и обособления отд. разделов — с др. стороны, внутри Р. образовалось, кроме квазиоптики, и неск. др. важных «дочерних» направлений. В статистической радиофизике исследуются флуктуационные процессы в колебат. системах, стабильность частоты генераторов, шумы усилителей, неравновесное излучение среды в радиодиапазоне, распространение волн в средах со случайными неоднородностями, разработка и применение методов корреляц. анализа сигналов и др. Квантовая Р. (квант. генераторы и усилители радио- и оптич. диапазонов, (см. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА) смыкается с когерентной нелинейной оптикой. Радиоспектроскопия — совокупность тонких методов исследования спектров веществ в радиодиапазоне, позволяющих обнаружить присутствие ничтожных долей примесей (см. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС, ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС). Радиоастрономия — приём и обработка слабых сигналов от косм. источников (спектральная плотность потока излучения до 10-30 Вт/м2 Гц), разработка антенн и интерферометров с высокой направленностью и угловым разрешением до 10-3—10-4 угл. секунды (см. РАДИОТЕЛЕСКОП), исследование природы радиоизлучения косм. источниками (их распространения через косм. среду и т. п.). Содержание микроэлектроники состоит в создании твердотельных приборов, интегральных схем и т. п.

Т. о., Р. имеет сложную и сильно разветвлённую структуру и ясно выраженную тенденцию как дальнейшего проникновения в др. области естествознания (геофизику и гидрофизику, акустику, биофизику и др.), так и в др. области частот, мощностей и др. параметров, расширяющих традиц. сферы влияния Р. (релятивистская электроника больших мощностей, микроминиатюризация радиоаппаратуры, рентгеновская оптика).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

РАДИОФИЗИКА

- раздел физики, охватывающий изучение и применение эл.-магн. колебаний и волн радиодиапазона, а также распространение развитых при этом методов в др. науки. На шкале эл.-магн. волн радиодиапазон занимает интервал частот от 10⁴ до 10¹¹ Гц (см. Радиоволны), и первоначально радиофиз. исследования придерживались этих границ. Со временем, однако, проявилась тенденция к "экспансии", и ныне Р. вобрала в себя физику эл.-магн. колебаний практически любого диапазона частот.

Совр. Р. имеет сложную и разветвлённую структуру, обеспечивающую: 1) техн. освоение всего охватываемого ею спектра эл.-магн. колебаний; 2) исследование физ. свойств линейных и нелинейных систем (сред) и создание их адекватных моделей; 3) обогащение новыми физ. идеями радиотехники, технологии и др. инженерных областей; 4) развитие методов метрологии в части измерения важнейших физ. параметров, констант и создание надёжных эталонных стандартов; 5) исследование свойств окружающего пространства; 6) изучение эл.-магн. проявлений биол. объектов.

Р. сформировалась в 30-40-е гг. 20 в. с развитием радиотехники, радиосвязи, радио- и телевещания, радионавигации и радиолокации, что потребовало освоения новых диапазонов частот, разработки и воплощения физ. принципов генерации, излучения, распространения и приёма радиоволн, модуляции и кодирования радиосигналов и т. д. В СССР развитие Р. связано с именами Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и с созданной ими науч. школой.

Первоначально развитие Р. определялось тремя ком-понентами: теорией колебаний и волн, физ. электроникой и электродинамикой. Причём Р. не только ис-пользовала достижения в этих областях науки, но и способствовала их развитию.

Теория колебаний и волн содержит матем. аппарат для исследования процессов в колебат. системах (линейных и нелинейных, с сосредоточенными и распределёнными параметрами, постоянными или периодически изменяющимися во времени, см. Колебания). Особую роль играют исследования нелинейных колебаний (в частности, автоколебаний), лежащих в основе работы большинства генераторов электромагнитных колебаний радиодиапазона. Впоследствии в этот раздел вошли теоретич. и эксперим. задачи, в к-рых колебат. движения являются частными (хотя и по-прежнему выделенными) случаями общих процессов. Сформировалось особое направление исследования динамич. поведения нелинейных систем, отвлечённое от их конкретной реализации с привлечением методов качественной теории дифференц. ур-ний, физического (аналогового) и численного моделирования. В Р. активно используется это новое направление, к-рое чаще наз. нелинейной динамикой (см. Динамическая система, Нелинейные уравнения математической физики).

В физ. электронике Р. стимулировала оптимизацию характеристик уже существовавших приборов и создание принципиально новых эл.-вакуумных, газоразрядных и твердотельных устройств. Быстродействие, простота управления, высокие значения кпд, перекрытие всех диапазонов частот и мощностей, высокая чувствительность, избирательность, перестраивае-мость, низкий уровень шумов и др. требования, предъявляемые к разл. устройствам, могут быть удовлетворены только с привлечением разнообразных физ. явлений. Поэтому радиофиз. исследованиям сопутствовали, а иногда предшествовали исследования электронной и ионной эмиссии, полупроводниковой плазмы и разработка методов управления движением заряж. частиц (см. Электронная и ионная оптика, Ускорители заряженных частиц), изучение взаимодействия эл.-магн. полей с электронными потоками, с газоразрядной плазмой и с плазмой твёрдых тел и др. В результате развития представлений об автофазировке и группировке электронов, о самосогласованном синхронном взаимодействии частиц с эл.-магн. полем появились такие приборы, как клистрон, магнетрон, лампа бегущей волны, лампа обратной волны и др., а затем мазер на циклотронном резонансе, гиротрон, лазер на свободных электронах и т. п., к-рые являются и предметом изучения Р., и базой для радиофиз. исследований (см. Релятивистская электроника).

Электродинамика, в осн. опирающаяся на ур-ния Максвелла в линейных средах, обеспечила понимание процессов излучения, распространения и приёма радиоволн. Это позволило создать разл. элементы радиоаппаратуры как в ДВ-диапазонах (системы с сосредоточ. параметрами - колебат. контуры, фильтры, преобразователи и т. п.), так и в КВ-диапазонах (системы с распределёнными параметрами - линии передачи, волноводы, объёмные резонаторы, аттенюаторы и т. п.). Осн. направления исследования: излучение и распространение радиоволн в разл. средах (напр., в кос-мич. плазме), с учётом анизотропии, поглощения, рефракции и дифракции, рассеяния, отражения и нелинейных эффектов, связанных со взаимодействием излучения с веществом, создание мн. типов антенн.

По мере развития Р. её методы проникали в др. области физики. В результате в Р. стали различать "физику для радио" и "радио для физики". Новые задачи, новые цели, а также освоение новых диапазонов частот привлекли в Р. идеи и методы из др. областей физики, в частности из оптики (приёмы управления волновыми пучками, принципы действия таких элементов, как линзы, зеркала, интерферометры, поляроиды и т. п.), что привело к появлению нового раздела Р.- квазиоптики (теория оптич. пучков с учётом поперечной диффузии

комплексных амплитуд, квазиоптич. линии передачи, открытые резонаторы и т. п.). С др. стороны, радиофиз. методы, развитые, напр., для сантиметрового диапазона длин волн, проникнув в оптику, заметно расширили её возможности, вызвав к жизни такие разделы, как волоконная оптика, интегральная оптика, голография. Поэтому иногда используют такие гибридные понятия, как "радиооптика", "оптоэлектроника". Затем мн. приёмы были перенесены и в др. разделы науки, прежде всего в акустику (напр., "акустоэлектроника").

В результате взаимодействия с др. областями физики и обособления отд. разделов внутри Р. образовался ряд самостоят. направлений. Статистич. Р. охватывает такие вопросы, как флуктуац. процессы в колебат. и автоколебат. системах, управление формой и стабильностью спектральных линий генераторов, шумы приёмников и преобразователей, неравновесное излучение сред, распространение волн в средах со случайными неоднородностями, разработка и применение методов корреляц. анализа сигналов, предельные возможности получения голографич. изображений и др. проблемы. Радиоспектроскопия- совокупность методов, разработанных для измерения и расшифровки спектров излучения и поглощения атомов, молекул и кластеров, попадающих в интервал частот радиодиапазона, развития новых принципов диагностики и анализа сред. Радиоастрономия- разработка физ. методов приёма, обработки и интерпретации слабых сигналов, приходящих от космич. источников, создание антенн и интерферометров с узкой диаграммной направленностью, исследование природы радиоизлучения разл. источников. Изучение взаимодействия излучения с веществом на квантовом уровне, к-рое привело к созданию квантовых генераторов и усилителей для сверхкоротковолновых участков радиодиапазона, вызвало появление квантовой электроники. Иногда выделяют более общее направление - квантовую Р., к-рая обеспечивает новый теоретич. подход, опирающийся на сочетание классич. электродинамики (для описания излучения) и квантовой механики (для описания вещества). Сюда примыкает микроэлектроника, существенно изменившая идейное и технол. вооружение радиотехники (полупроводниковые приборы, интегральные схемы, криогенная электроника, высокотемпературная сверхпроводящая электроника, жидкие кристаллы и т. п.).

Т. о., круг рассматриваемых Р. вопросов и сфера её влияния непрерывно расширяются. Однако Р. остаётся традиционно самостоят. областью знаний и методов исследования, так или иначе связанных с использованием эл.-магн. излучения.

А. В. Гапонов-Грехов, М. А. Миллер.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.