Стоит ли вам вообще заботиться о электронных лампах в эпоху, поддерживаемую квинтиллионами твердотельных устройств? Вы определенно должны! По богатству, драматизму и явному блеску лишь немногие технологические временные рамки могут соответствовать 116-летней (и это количество растет) истории электронных ламп. Чтобы доказать это, я собрал список вакуумных устройств , которые за последние 60 или 70 лет бесспорно изменил мир.

И на всякий случай вы также найдете здесь несколько трубок, которые слишком уникальны, круты или странны, чтобы томиться в безвестности.

Конечно, в любое время, когда кто-нибудь предлагает список чего угодно - самые удобные кроссовки для трейлраннинга, самые аутентичные итальянские рестораны в Кливленде, фильмы, которые лучше, чем книга, на которой они основаны, - кто-то другой обязательно возразит и либо возразит. или усилить. Итак, констатирую очевидное: это мой список электронных ламп. Но я бы с удовольствием прочитал твою. Не стесняйтесь добавлять его в разделе комментариев в конце этой статьи.

Мой список не претендует на полноту. Здесь вы не найдете никакой газонаполненной стеклянной посуды, такой как трубки Никси или тиратроны, никаких сверхвысоких импульсных микроволновых устройств, никаких электронно-лучевых дисплеев. Я намеренно исключил хорошо известные лампы, такие как спутниковые лампы бегущей волны и магнетроны для микроволновых печей. И я в значительной степени придерживался радиочастотных ламп , поэтому я игнорирую огромный арсенал звуковых ламп - за одним примечательным исключением.

Но даже в рамках выбранных мною параметров существует столько удивительных устройств, что выбрать всего одиннадцать из них было довольно сложно. Итак, вот мой взгляд без особого порядка на некоторые лампы, которые имели значение.

Медицинский магнетрон
Фотография медицинского мангнетрона
Фото: Teledyne e2v
Когда дело доходит до эффективного генерирования когерентной радиочастотной мощности в компактном корпусе, вы не можете превзойти магнетрон.

Магнетрон впервые прославился во время Второй мировой войны, когда использовался британский радар . В то время как использование магнетронов в радарах начало сокращаться в 1970-х годах, трубка обрела новую жизнь в промышленных, научных и медицинских приложениях, которая продолжается и сегодня.

Медицинский магнетрон сияет именно для этого последнего использования. В линейном ускорителе он создает пучок электронов высокой энергии. Когда электроны в луче отклоняются ядрами мишени, состоящей из материала с высоким атомным номером, такого как вольфрам, производятся обильные рентгеновские лучи, которые затем могут быть направлены на уничтожение раковых клеток в опухолях. Первый клинический ускоритель для лучевой терапии был установлен в лондонской больнице Хаммерсмит в 1952 году. Магнетрон мощностью 2 мегаватта приводил в действие ускоритель длиной 3 метра.

Для удовлетворения требований радиационной онкологии продолжают разрабатываться мощные магнетроны. Показанный здесь медицинский магнетрон, произведенный e2v Technologies (теперь Teledyne e2v), генерирует пиковую мощность 2,6 МВт при средней мощности 3 киловатта и КПД более 50 процентов. Его длина составляет всего 37 сантиметров, а вес около 8 килограммов, он достаточно маленький и легкий, чтобы поместиться во вращающийся рычаг аппарата лучевой терапии.

Гиротрон
Фотография Гиротрона
Фото: Ядерный синтез / МАГАТЭ
Задуманный в 1960-х годах в Советском Союзе, гиротрон представляет собой мощное вакуумное устройство, используемое в основном для нагрева плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу, таких как ИТЭР , строящийся в настоящее время на юге Франции. Эти экспериментальные реакторы могут требовать температуры до 150 миллионов ° C.

Так как же работает гиротрон мегаваттного класса? Название дает подсказку: он использует пучки энергичных электронов, вращающихся или вращающихся в сильном магнитном поле внутри полости. (Мы, люди, занимающиеся лампами, любим наши -троны и -троды. ) Взаимодействие между вращающимися электронами и электромагнитным полем полости генерирует высокочастотные радиоволны, которые направляются в плазму. Высокочастотные волны ускоряют электроны в плазме, нагревая при этом плазму.

Лампа, вырабатывающая 1 МВт средней мощности, не будет маленькой. Термоядерные гиротроны обычно имеют высоту от 2 до 2,5 метров и вес около метрической тонны, включая сверхпроводящий магнит мощностью 6 или 7 тесла.

Помимо нагрева термоядерной плазмы, гиротроны используются в обработке материалов и в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Они также были исследованы на предмет несмертельного контроля толпы в Системе активного отрицания вооруженных сил США . Эта система излучает относительно широкий луч миллиметрового диапазона, возможно, полтора метра в диаметре. Луч предназначен для нагрева поверхности кожи человека, вызывая ощущение жжения, но не проникая в нижнюю ткань и не повреждая ее.

Миниатюрная трубка бегущей волны
Фотография мини-трубки бегущей волны
Фото: L3Harris Electron Devices
Как следует из названия, лампа бегущей волны (ЛБВ) усиливает сигналы за счет взаимодействия между электрическим полем бегущей или распространяющейся электромагнитной волны в цепи и струящимся электронным пучком. [Более подробное описание того, как работает ЛБВ, см. В « В поисках окончательной вакуумной трубки », IEEE Spectrum , декабрь 2015 г.]

Большинство ЛБВ 20-го века были разработаны для чрезвычайно высокого усиления мощности с коэффициентами усиления 100000 и более. Но вам не всегда нужна такая большая выгода. Введите мини-ЛБВ, показанную здесь в примере от L3Harris Electron Devices . Мини-ЛБВ с коэффициентом усиления около 1000 (или 30 децибел) предназначена для приложений, где требуется выходная мощность в диапазоне от 40 до 200 Вт и где желательны небольшие размеры и более низкое напряжение. Например, мини-ЛБВ мощностью 40 Вт, работающая на частоте 14 гигагерц, умещается в ладони и весит менее полукилограмма.

Оказывается, военные очень нуждаются в мини-ЛБВ. Вскоре после их появления в 1980-х годах мини-ЛБВ были приняты на вооружение в системах радиоэлектронной борьбы на самолетах и ​​кораблях для защиты от ракет с радиолокационным наведением. В начале 1990-х годов разработчики устройств начали объединять мини-ЛБВ с компактным высоковольтным источником питания для питания устройства и твердотельным усилителем для его управления. Комбинация создала так называемый микроволновый силовой модуль или MPM . Благодаря небольшому размеру, малому весу и высокой эффективности усилители MPM сразу же нашли применение в радарах и передатчиках связи на борту военных дронов, таких как Predator и Global Hawk, а также в средствах электронного противодействия.

Ускоритель Клистрон
Фотография ускорителя клистрона
Фото: Управление архивов и истории / Национальная ускорительная лаборатория SLAC
Клистрон открыл эру большой науки в физике высоких энергий. Клистроны преобразуют кинетическую энергию электронного луча в радиочастотную энергию. Устройство имеет гораздо большую выходную мощность, чем лампа бегущей волны или магнетрон. Братья Рассел и Сигурд Вариан изобрели клистрон в 1930-х годах и вместе с другими основали компанию Varian Associates для его продажи. В наши дни ламповый бизнес Varian живет в компании Communications and Power Industries .

Внутри клистрона электроны, испускаемые катодом, ускоряются к аноду, образуя электронный пучок. Магнитное поле предотвращает расширение луча при прохождении через отверстие в аноде к коллектору луча. Между анодом и коллектором находятся полые конструкции, называемые полостными резонаторами. Высокочастотный сигнал подается на ближайший к катоду резонатор, создавая электромагнитное поле внутри полости. Это поле модулирует электронный луч, когда он проходит через резонатор, заставляя скорость электронов изменяться и электроны группироваться по мере их движения к другим полым резонаторам ниже по потоку. Большинство электронов замедляются, проходя через последний резонатор, который колеблется с большой мощностью. В результате выходной сигнал намного превышает входной.

В 1960-х годах инженеры разработали клистрон, который служил источником радиочастот для нового 3,2-километрового линейного ускорителя частиц , строящегося в Стэнфордском университете. Работая на частоте 2,856 гигагерц и используя пучок электронов в 250 киловольт, клистрон SLAC производил пиковую мощность 24 МВт. Более 240 из них были необходимы для достижения энергии частиц до 50 миллиардов электрон-вольт.

В СЛАКЕ клистроны открыли путь для широкого использования вакуумных трубок в качестве источников РЧА для продвинутой физики элементарных частиц и рентгеновского источник света объектов. Версия клистрона SLAC мощностью 65 МВт все еще находится в производстве. Клистроны также используются для досмотра грузов, стерилизации пищевых продуктов и радиационной онкологии.

Кольцевая трубка бегущей волны
Фотография трубки бегущей волны с кольцевой штангой
Фото: L3Harris Electron Devices
Одна из трубок времен холодной войны, которая все еще пользуется успехом, - это огромная трубка бегущей волны с кольцевым стержнем. Эта мощная лампа стоит более 3 метров от катода до коллектора, что делает ее самой большой в мире ЛБВ. На базе ВВС Кавальер в Северной Дакоте имеется 128 ЛБВ с кольцевыми стержнями, обеспечивающими радиочастотную мощь чрезвычайно мощного радара с фазированной антенной решеткой. Этот радар с частотой 440 мегагерц, получивший название « Система определения характеристик атаки радара по периметру» (PARCS) , ищет баллистические ракеты, запускаемые в направлении Северной Америки. Он также контролирует космические запуски и орбитальные объекты в рамках сети космического наблюдения.. PARCS, построенный GE в 1972 году, отслеживает более половины всех объектов, вращающихся вокруг Земли, и, как говорят, может идентифицировать объект размером с баскетбольный мяч на расстоянии 2 000 миль (3218 км).

Еще более высокочастотная версия трубки с кольцевым стержнем используется в радаре с фазированной антенной решеткой на удаленном острове Шемья, примерно в 1900 км от побережья Аляски. Этот радар, известный как Cobra Dane , отслеживает запуски неамериканских баллистических ракет. Он также собирает данные наблюдения за космическими запусками и спутниками на низкой околоземной орбите.

Схема, используемая в этом чудовище, известна как кольцевой стержень, который состоит из круглых колец, соединенных чередующимися полосами или стержнями, повторяющимися по его длине. Эта установка обеспечивает более высокую напряженность поля поперек электронного луча трубки, чем ЛБВ садовой разновидности, в которой радиоволны распространяются по спиральной проволоке. Более высокая напряженность поля трубки с кольцевым стержнем приводит к большему увеличению мощности и хорошему КПД. Показанная здесь лампа была разработана компанией Raytheon в начале 1970-х годов; теперь он производится L3Harris Electron Devices.

Убитрон
Фотография мужчины и убитрона
Фото: Роберт Филлипс.
За пятнадцать лет до того, как был придуман термин «лазер на свободных электронах», появилась электронная лампа, работавшая по тому же основному принципу - убитрон , что в некотором роде означает «взаимодействие волнообразных лучей».

Изобретение убитрона в 1957 году произошло случайно. Роберт Филлипс, инженер микроволновой лаборатории General Electric в Пало-Альто, Калифорния, пытался объяснить, почему одна из ламп бегущей волны в лаборатории колеблется, а другая - нет. Сравнивая две трубки, он заметил различия в их магнитной фокусировке, из-за которых луч в одной трубке шевелился. Он полагал, что эта волнистость может привести к периодическому взаимодействию с электромагнитной волной в волноводе. Это, в свою очередь, может быть полезно для создания чрезвычайно высоких уровней пиковой мощности радиочастоты. Так родился убитрон.

С 1957 по 1964 год Филлипс и его коллеги построили и испытали множество убитронов. На фотографии 1963 года, показанной здесь, коллега из GE Чарльз Эндерби держит убитрон без магнита-вигглера. Эта лампа, работающая при напряжении 70 000 вольт, вырабатывала пиковую мощность 150 кВт на частоте 54 ГГц - рекордный уровень мощности, который держался более десяти лет. Но армия США, которая финансировала работы по убитрону, остановила НИОКР в 1964 году, потому что не было антенн или волноводов, которые могли бы выдерживать такие высокие уровни мощности.

Сегодняшние лазеры на свободных электронах используют тот же основной принцип, что и убитрон. Фактически, в знак признания его новаторской работы над убитроном, Филлипс получил в 1992 году премию лазеров на свободных электронах. ЛСЭ, которые сейчас установлены в больших источниках света и рентгеновских лучей на ускорителях частиц, производят мощное электромагнитное излучение, которое используется для исследования динамика химических связей, чтобы понять фотосинтез, проанализировать, как лекарства связываются с целями, и даже создать теплую, плотную материю, чтобы изучить, как образуются газовые планеты.

Карцинотрон
Фотография Carcinotron
Фото: CSF
Французская трубка под названием carcinotron - еще один интересный пример, рожденный холодной войной. Связанный с магнетроном, он был разработан Бернаром Эпштейном в 1951 году в Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF, теперь часть Thales).

Как и убитрон, карцинотрон вырос из попытки решить проблему колебаний на обычной трубке. В этом случае источником колебаний была мощность радиочастотного контура, текущая в обратном направлении, в направлении, противоположном электронному лучу трубки. Эпштейн обнаружил, что частота колебаний может изменяться в зависимости от напряжения, что привело к патенту на лампу с регулируемой по напряжению «обратной волной» .

Около 20 лет электронные глушители в Соединенных Штатах и ​​Европе использовали карцинотроны в качестве источника радиочастотной энергии. Показанная здесь лампа была одной из первых, изготовленных CSF в 1952 году. Она выдавала 200 Вт ВЧ-мощности в диапазоне S, который простирается от 2 до 4 ГГц.

Учитывая уровень мощности, с которым они могут работать, карцинотроны довольно компактны. Модель мощностью 500 Вт, включая постоянный фокусирующий магнит, весит всего 8 кг и имеет размеры 24 на 17 на 15 см, что на оттенок меньше, чем обувная коробка.

А странное имя? Филипп Тувенен , специалист по вакуумной электронике из Thales Electron Devices, сказал мне, что это слово происходит от греческого слова karkunos , что означает раки. И раки, конечно, обратным ходом плавают.

Двухрежимная лампа бегущей волны
Фотография двухрежимной лампы бегущей волны
Фото: Northrop Grumman
Двухрежимная ЛБВ представляла собой необычную микроволновую лампу, разработанную в Соединенных Штатах в 1970-х и 80-х годах для электронного противодействия радарам. Эта лампа, способная работать как в непрерывном режиме с низким энергопотреблением, так и в импульсном режиме большой мощности, следовала старой пословице, что два лучше, чем один: у нее было два луча, две цепи, две электронные пушки, два фокусирующих магнита и два коллектора, все заключен в единый вакуумный конверт.

Основным преимуществом трубки было то, что она расширила возможности использования данного приложения - например, система противодействия могла работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах, но с одним передатчиком и простым антенным питанием. Управляющая сетка в электронной пушке в более короткой импульсной секции могла быстро переключать лампу с импульсной на непрерывную волну или наоборот. Поговорим об упаковке большого количества возможностей в небольшой пакет. Конечно, если произойдет утечка вакуума, вы потеряете обе функции лампы.

Показанная здесь лампа была разработана подразделением Power Tube Division компании Raytheon , которое было приобретено Litton Electron Devices в 1993 году. Raytheon / Litton, а также Northrop Grumman производили двухрежимную ЛБВ, но, как известно, ее было трудно производить в больших объемах, и ее производство было прекращено в начало 2000-х.

Многолучевой клистрон
Фотография многолучевого клистрона 
Фотография: Thales
Мощность, как многие из нас учились в детстве, равна напряжению, умноженному на ток. Чтобы получить больше энергии от вакуумной лампы, вы можете увеличить напряжение электронного луча лампы, но для этого потребуется трубка большего размера и более сложный источник питания. Или вы можете увеличить ток луча, но это тоже может быть проблематично. Для этого вам необходимо убедиться, что устройство может поддерживать более высокий ток и что необходимое магнитное поле может безопасно транспортировать электронный пучок через цепь трубки, то есть ту часть трубки, которая взаимодействует с электронным пучком.

Проблема усугубляется тем, что эффективность лампы обычно падает с увеличением тока пучка, потому что страдает группировка электронов, необходимых для преобразования энергии.

Все эти предостережения применимы, если вы говорите об обычной вакуумной лампе с одним электронным пучком и одной схемой. Но что, если вы используете несколько лучей, исходящих от нескольких катодов и проходящих по общей цепи? Даже если отдельные токи пучка умеренные, общий ток будет высоким, при этом общая эффективность устройства не пострадает.

Такое многолучевое устройство исследовалось в 1960-х годах в США, Советском Союзе и других странах. Работа в США прекратилась, но деятельность в СССР продолжалась, что привело к успешному развертыванию многолучевого клистрона или МБК. Советы использовали многие из этих трубок для радаров и других целей.

Выше показан современный образец МБК, произведенный в 2001 году французской фирмой Thomson Tubes Electroniques (ныне часть Thales ). Этот МБК был разработан для немецкой установки электронного синхротрона (DESY) . Более поздняя версия используется в Европейском центре рентгеновского лазера на свободных электронах . Трубка имеет семь лучей, обеспечивающих полный ток 137 ампер с пиковой мощностью 10 МВт и средней мощностью 150 кВт; его эффективность превышает 63 процента. Напротив, однолучевой клистрон, разработанный Thomson, обеспечивает пиковую мощность 5 МВт и среднюю мощность 100 кВт при КПД 40 процентов. Таким образом, с точки зрения возможностей усиления один МБК эквивалентен двум обычным клистронам.

Коакситрон
Фотография коакситрона
Фотография: RCA
Все описанные мною лампы - это то, что специалисты называют лучево-волновыми устройствами (или струйно-волновыми в случае магнетрона). Но до того, как появились эти устройства, в трубках были решетки, которые представляли собой прозрачные, похожие на экран металлические электроды, вставленные между катодом и анодом трубки для управления или модуляции потока электронов. В зависимости от того, сколько сеток в лампе, ее называют диодом (без сеток), триодом (одна сетка), тетродом (две сетки) и т. Д. Лампы малой мощности назывались «приемными лампами», потому что они обычно использовались в радиоприемниках или в качестве переключателей. (Здесь я должен отметить, что то, что я назвал «трубкой», известно англичанам как «клапан».)

Были, конечно, сетевые лампы большей мощности . Передающие лампы использовались, как вы уже догадались, в радиопередатчиках. Позднее сетевые лампы большой мощности нашли свое применение в широком спектре интересных промышленных, научных и военных приложений.

Триоды и сеточные трубки более высокого порядка включали катод, сетку управления током и анод или коллектор (или пластину). Большинство этих трубок были цилиндрическими, с центральным катодом, обычно нитью накала, окруженным электродами.

Коакситрон, разработанный RCA в начале 1960-х годов, представляет собой уникальную модификацию цилиндрической конструкции. Электроны текут радиально от цилиндрического коаксиального катода к аноду. Но вместо того, чтобы иметь один эмиттер электронов, катод коакситрона сегментирован по окружности с многочисленными нагретыми нитями, служащими источником электронов. Каждая нить накала формирует свой собственный пучок электронов. Поскольку бимлет течет радиально к аноду, магнитное поле (или магнит) не требуется для ограничения электронов. Таким образом, коакситрон очень компактен, учитывая его выдающуюся мощность около мегаватта.

Коакситрон мощностью 1 МВт и частотой 425 МГц весил 130 фунтов (59 кг) и имел высоту 24 дюйма (61 см). Несмотря на то, что усиление было скромным (от 10 до 15 дБ), он по-прежнему оставался выдающимся компактным усилителем сверхвысокой частоты. RCA рассматривала коакситрон как источник для управления ВЧ-ускорителями, но в конечном итоге нашла применение в мощных УВЧ-радарах. Хотя коакситроны недавно уступили место твердотельным устройствам, некоторые из них все еще используются в устаревших радиолокационных системах.

Telefunken Audio Tube
Фотография Telefunken Audio Tube
Фото: Thump / Soundgas
Важная обычная лампа с решетками находится на противоположном конце спектра мощности / частоты от мегаваттных зверей, таких как клистрон и гиротрон. Почитаемый аудиоинженерами и записывающими артистами Telefunken VF14M использовался в качестве усилителя в легендарных микрофонах Neumann U47 и U48, любимых Фрэнком Синатрой и продюсером Beatles сэром Джорджем Мартином. Интересный факт: в лондонской студии Abbey Road выставлен микрофон Neumann U47 . Буква «M» в обозначении трубки VF14M указывает на то, что она подходит для использования с микрофоном и присуждается только лампам, прошедшим проверку в Neumann.

VF14 является пентодом, что означает, что он имеет пять электродов, включая три сетки. Однако при использовании в микрофоне он работает как триод, причем две его решетки связаны вместе и соединены с анодом. Это было сделано, чтобы использовать якобы превосходные звуковые качества триода. Схема нагревателя VF14, которая нагревает катод так, что он испускает электроны, работает при 55 В. Это напряжение было выбрано таким образом, чтобы две лампы можно было соединить последовательно через сеть 110 В для снижения затрат на электропитание, что было важно в послевоенная Германия.

В настоящее время вы можете купить твердотельную замену VF14M, которая даже имитирует цепь нагревателя на 55 В. Но сможет ли он воспроизвести этот теплый прекрасный ламповый звук? С этим звуковые снобы никогда не согласятся.