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发展电子学事业 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 0 发表于: 1956-11-01
第7版()
专栏:

发展电子学事业
罗沛霖
近二十年来,电子学有了很大的发展。电子学的前哨阵地越来越大,形成了极多新技术的生长点和新的科学核心。不但不允许它停下,还要它发展得更快。
我们要求电子学为人类服务得更加完善,服务的方式要更丰富;另外一方面,服务的效果还要再提高。灵敏度、精确度、精细的分辨能力、极高的作用速度、更远的作用距离,这些方面虽已达到了前人不能想像的优越程度,但还要不断地加以改善。电子学设备要在一天比一天更严重的要求下工作:要对抗天然的和人为的干扰和各种噪声,大大地减小体积和重量,要任受热带的潮热、霉烂和虫害,极区和高空的寒冷,低气压,沙漠的干热和风沙,海洋大气的腐蚀,炮弹和火箭中的剧烈震动和高温;还要降低电子学设备的成本,提高劳动生产率,增加产量,使这些优越的设备可以到处利用。不管那方面,一旦做出重大的改变,都会让电子学创造新奇迹,扩展它的用途。下面谈谈电子学各方面突出的一些新发展方向。
信息论
信息是什么东西?不管是原始人绳上的结、图形、语言、文字的记载,电报码,遥测中的参量,远方操纵中的控制电流或杠杆的偏移,电子计算机的存储器中的数据,虽然形态不同,所包括的都是信息。电子学为人类服务的总方式,就是用电流、电子运动和电磁波来取得和处理,并利用信息。例如观测熔化的钢的液面位置,用代表这位置的电流传到钢液出口的操纵器等。人类利用信息的技术虽然历代都有重大的发展,但是过去人类却并不会计量信息。仅只最近十多年来,电子学的应用既达到了非常广泛的程度,同时统计数学也相应地发展了,才产生了信息论,对信息的性质和数量,才能用严格的科学语言来叙述。
天然的和人为的干扰,是电子学中的大敌。电子学中最基本的严重斗争,就是怎样从干扰中挑选出有用的信息,还它本来面目,使它成为合用的东西。信息论的发展,也使我们对一类有普遍性的干扰,认识了它们的基本特征。
信息论的发展,使我们能够评价各种处理信息的体系,计算出它们能容纳的信息容量以及和它们所承担的任务中的实际含量。科学研究的结果,证明现有的很多体系都能容纳更多的信息。例如理论证明,一条可通十二路电话的长途电话线上,只要能创造出妥当的压缩频率方法,就可以容纳至少一千二百路。更使人惊异的是,各国的语言文字所能承担的信息量,也都远超过它们实际负担的任务。
全世界都十分注意信息论的发展。可是理论上的很多发明还没有实现的办法,用来分析非直线性体系和某些干扰的工作,做得还很少;用来分析我国的语言以及文字,尤其是重要的工作。
更宽的频带和更高的频率(注一)
画写意山水用粗笔头,画精细的人物就要用细如须眉的笔画。推论到信息的处理,也是一样。例如雷达是利用1微秒以下的脉冲电波来“描画”的,一般还看不出飞机的具体轮廓。但若能把脉冲缩到极短,或说用更细的笔尖来描画,看出机体的形状、尺寸,以及机场上一些小设备以至人体,完全是可能的。(另外,天线的定向性也是一个决定性的因素,后面还要另加以说明。)要装的信息多了,每秒钟电量变化的次数也要多,换句话说,频带要宽。频带的宽度和信息量成正比,如电视所需要的频带,几百倍于音乐,千多倍于语音。一条通路上同时可以通很多路的电话或广播节目,但是频带也要按比例加宽。理论证明,短脉冲和宽频带也可能再提高电子计算机的速度,使它能解决更多的难题。频带宽了,频率本身也要大大提高才能容纳它,或说波长还要缩短。
目下电子学的研究中,脉冲时间要短到毫微秒(即十亿分之一秒)。带宽要达到千百兆赫(即每秒交变数百兆次),波长要短到毫米或比毫米更短。怎样发生这种超短脉冲和超高频率的电流和电磁波,怎样发生、放大和调制(把信息装进电磁波中去)足够强大的电能,怎样使回路适用于这样短的波、这样宽的频带,都是重大的问题。超高频电子管的研究是最前哨。现有的磁控管、速调管、行波管和回波管已能用在数万兆赫的频率,或在瞬间发出相当于一个巨大发电厂的高频电力,但是还有更多潜力。横振行波管和分子振荡器,可能适用于很高的频率,目下都还在试验阶段。在扩大超高频管的调谐范围,增大输出电力和提高毫微秒脉冲线路方面也都有若干新成就。
波导是又一个重要发展方面。在一条利用毫米波的波导电路上,可能输送几万路电话到远方,或者传播几百路的电视节目。这个理想在试验室里已经实现了一部分。但是各种波导管的设计、制造、检验、维护等,还都是复杂而困难的实际问题。
电磁波的传播
百米以下的短波,能在地面和天空电离层之间来回反射,达到极远的距离。因而短波无线电就成了现代最广泛使用的长距离通讯工具。但是十米以下的波,就不能利用这种方式传到远方了。一般是利用收发天线间直射的波。这样做时,球形的大地本身变成了传播的障碍,虽把收发天线都举到很高,还不能达到较远的距离。但是近年来又发现了米波、分米波和厘米波,射到天空上都可能再散射下来。目下已能利用米波达到几千公里,利用更短波可达到二、三百公里,还可以利用中继站达到极远的距离。一般认为米波这现象是由于天空电离层的散射,而分米波、厘米波是由于天空对流层的作用,但是具体的成因,还没有一致的结论。我国有独特的气候和地形条件,就更该进行探讨。
定向天线是电波传送的又一个问题。利用现代定向天线,可以把一米以下的波逼在一度以下的空间中。这样既节约了电力,还可避免干扰和偷听,或用来精确地分辨电磁波传来的方向。无线电天文望远镜和雷达都是用的高效定向天线。可是我们常碰到这样的问题:定向性越强,适用的频带就会越窄,并且一般地还很难避免某些侧面方向有不好的作用。这也是一个长时期的斗争。
线路上的一些问题
不管电子学用在什么地方,都要围绕着电子管把各种元件接成线路。这种线路是成千累万的。因为电子学的用途不断扩大,线路每天还都有增加。半导体放大器件发明了,很多新设备要采用它,但合乎电子管使用的线路不全合乎晶体管使用,因此也要发生一系列的新线路的问题。
信息论的发展指出了各种电子学设备系统的一些重要发展方向,但还得进一步研究各种复杂的电子线路,把电子管和各种元件、组件巧妙地结连起来,才能实现所指出的方向。
在电子线路里有些共同的理论,其中最重要的,叫网络理论。它的任务是找出各种电子学元件和可能结在一起的机械体系在联合工作时的基本规律,用数学的形式表现出来。可根据这些规律分析现有体系;也可按实际需要的性能,经过计算,设计出最合用的新体系来,即所谓网络的综合。古典的方法是从网络在各种不同频率下的表现着手,已经有了很广泛的实用。若是各项元件可以当做直线性(注二)的和不变值的,则一般已能够从理论上去分析或综合。有时因为计算太困难,还不能全按理论去进行设计。近年使用了高速度的电子计算机,很多问题也已可以解决了。但是很多元件的性质是非直线性的或是随时变值的,实际上就还会出现一些奇怪的和巧妙的现象,问题的解决就困难得多了。目下还只能分析某些种非直线性的体系,至于综合法的理论,就更缺乏了。
现代的网络理论,有的是利用信息论,有的是从信号变化的曲线出发,进行综合,但都还没有成为完备的体系。
“负反馈”是在一个电子学体系中把输出的信息和原来的信息比较求出误差,利用误差反一个方向输入做校正输出的因素,能把误差减少到极小。这是减少失真,加速作用和降低某些噪声的极有效的法子。怎样具体安排负反馈的体系,也是网络论的一部分。在负反馈理论的框架上,出现了随复理论,或称调节理论,也就是处理所有的自动化和机械化控制体系的基本理论。负反馈理论、调节理论和信息论结合在一起,衍生出所谓控制论。这几种理论,已经熔成一个协同发展的整体了。
电子器件、电子学元件和电子学材料
适用于极高频率的电子管是最突出的问题之一。由于电子在真空中运动的速度极高(千百倍于固体中),对于极高频率,电子管是最好的器件。半导体放大器件——晶体管的发明,是现代电子学技术中重大事件之一。它的体积小、重量轻,省电、耐震、寿命长。它将给电子学带来很大的变革。目下存在的问题还多:第一,提高适用频率。目下最高适用频率比电子管要低几十倍(试验室产品),以至几千倍(半商品生产)。第二,提高适用的电力。输出的电力还小,比最大的电子管会小几万倍,在较高的频率时还要差些。第三,提高适用的温度。目下锗型至多只能用于摄氏八十五度,矽型的较好,但又太贵。第四,改善工艺。目下还没有一种生产方法能保证十分稳定的质量,贵重材料的利用率还太低,成本高。它会有一日千里的发展,但必须付给大量的劳动。
电子管仍然是有极广大用途的器件。有一部分电子管将被半导体器件所代替,但它也将因受到半导体技术发展的推动再向前走。目下已有了极小型的层叠管和一般的晶体管一样大而适于很高的频率,还便于大量生产。电子束的作用,在高频管电视管,阴极射线管中以及电子显微镜中都要用到,半导体还不能发生这个功能。电子管品种的增多,功能的提高,寿命的加长,以及在电子管中引用高效能半导体材料,仍然是电子学中的重大问题。
有了半导体放大管和极小型电子管,于是各种元件,以及喇叭、开关、继电器、电池等,无不向着超小型发展。豌豆大的电容器,米粒大的电阻,小指头大的变压器都已经出现了。助听器已经可以挂到耳朵上,收音机装到口袋里,缩小尺寸的运动现在才开了个头。
体积要小,性能要好,因此电子学原件必须用特殊的材料来制造。例如电介和绝缘材料中,近年来有了能缩小电容器体积百倍的钛酸瓷,能用到摄氏正二百五十度到负二百五十度的韧性绝缘料聚四氟乙烯,使电容量不受温度影响的氧化稀土金属烧结物等。
压电介质材料能把机械振动和电压互变。其中水晶是为了精确地控制频率所不能少。中国的天然水晶是极其优越的,但也要研究人工结晶的方法。钛酸钡不但是优良的压电材料,广用于超声技术,还能自己保持电场(即所谓铁电现象),因而可能在电子计算机中做存储元件用;试验室中也做出来有同样功用的金属有机合成物了。
发展电子学事业的几个关键
电子学在国民经济人民文化生活和国防上是这样的重要,又是在这样地继续扩大和深入,但是在我国却是发展的特别差的技术之一。这和过去全部工业基础薄弱是分不开的。这几年中电子学技术人员培养的规模也太小,因此,目下发展电子学事业的关键之一是培养大量的无线电、电讯和电子学的专家。
因为随着国家现代化工业的迅速发展和国防的现代化,广泛的职工群众逐渐地都必须接触到一些电子学设备。普及电子学的常识也是很重要的工作。先在青年组织中开展业余无线电活动,逐渐地扩大成广大的群众性活动,可说是最有效的一个办法。
在现代的国民经济文化教育和国防中,既然那里都缺少不了电子学的设备,电子学就必须和其他学科密切结合着发展。并且,为了发展电子学的新技术,要求很多方面的科学和技术的新发展。电子学推动和带动其他学科作出重要的发展,是不乏先例的。电子学在技术上的外延方向也很多,例如和各种仪器同自动化控制、机械化控制是息息相关的。因此,各个学科的专家就也要关心电子学事业的发展,并且一部分其他学科的优秀专家还要参加到电子学事业中来,大家和电子学方面的专家共同努力,对国家现代工业的发展和国防现代化,来作出重大的贡献。
注一:频率是电流或电磁波每秒交变的次数。信息本身是变化的数量,所以一种信息包含有一定的频率范围,叫作它的频带。例如电话中的声音包含约为每秒交变三百次到三千次的频带。在通讯设备中必须能通过全部信息的频带。若采用目下的普通设备,它的宽度不能减缩,但可移到其他位置,例如电话的声音,可移到三万零三百次到三万三千次的范围以内等。
注二:致因和影响若是严格地成正比,就叫直线性。
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