The 11 Greatest Vacuum Tubes You’ve Never Heard Of

https://spectrum.ieee.org/tech-history/space-age/the-11-greatest-vacuum-tubes-youve-never-heard-of

11 великих вакуумных ламп, о которых вы никогда не слышали
By Carter M. Armstrong 29 Oct 2020

Эти вакуумные устройства стояли на страже во время холодной войны, работали на передовой физики элементарных частиц, лечили больных раком и помогали Beatles звучать хорошо.

В век, когда работают квинтиллионы твердотельных устройств, стоит ли вам вообще задумываться об электронных лампах? Обязательно стоит! По богатству, драматизму и яркости, лишь немногие технологии могут посоперничать с 116-летней (и этот возраст продолжает расти) историей электронных ламп. Чтобы доказать это, я составил свой список вакуумных устройств, которые за последние 60 или 70 лет, несомненно, изменили мир.
И на всякий случай вы также найдете здесь несколько ламп, которые слишком уникальны, круты или странны, чтобы оставаться в безвестности.

Мой список не претендует на полноту. Здесь вы не найдете никакой газонаполненных ламп, вроде Nixie или тиратрона, 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 огромное количество звуковых ламп - за одним исключением.

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

Медицинский магнетрон

Когда дело доходит до эффективного генерирования когерентной радиочастотной энергии в компактном корпусе, вы не сможете превзойти магнетрон.
Магнетрон впервые прославился во время Второй мировой войны, когда использовался в составе британских радаров. Когда в 1970-х годах использование магнетронов в радарах начало сокращаться, трубка обрела новую жизнь в промышленных, научных и медицинских приборах, которая продолжается и сегодня.

Медицинский магнетрон в линейном ускорителе 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 лондонском Hammersmith Hospital в 1952 году. Магнетрон мощностью 2 мегаватта приводил в действие ускоритель длиной 3 метра.

Продолжается разработка мощных магнетронов для удовлетворения требований радиационной онкологии. Показанный здесь медицинский магнетрон, произведенный e2v Technologies 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 механизм аппарата лучевой терапии.

Гиротрон

Придуманный в 1960-х годах в Советском Союзе, гиротрон представляет собой мощное вакуумное устройство, используемое в основном для нагрева плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу. Эти экспериментальные реакторы могут требовать температуры до 150 миллионов ° C.
Гиротрон мегаваттного класса использует пучки энергичных электронов, вращающихся по спирали в сильном магнитном поле внутри полости. Взаимодействие между вращающимися электронами и электромагнитным полем резонатора генерирует высокочастотные радиоволны, которые направляются в плазму. Высокочастотные волны ускоряют электроны в плазме, нагревая при этом плазму.

Лампа, производящая 1 МВт средней мощности, не будет маленькой. Гиротроны термоядерного синтеза обычно имеют высоту от 2 до 2,5 метров и вес около тонны, включая сверхпроводящий магнит мощностью 6 или 7 тесла.

Помимо нагрева термоядерной плазмы, гиротроны используются в обработке материалов и в спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Их также исследовали на предмет несмертельного сдерживания толпы в Active Denial System (Оружие управляемых эффектов) в вооруженных силах США. Эта система излучает относительно широкий луч миллиметрового диапазона, примерно 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 лампа бегущей волны

Как следует из названия, лампа бегущей волны (ЛБВ) усиливает сигналы за счет взаимодействия между электрическим полем бегущей электромагнитной волны в цепи и потоком электронного пучка.
Большинство ЛБВ 20-го века были разработаны для чрезвычайно высокого усиления мощности с коэффициентами усиления 100000 или более. Но не всегда нужно такое большое усиление.

Мини-ЛБВ, показанная здесь, от L3Harris Electron Devices, с усилением около 1000 (или 30 децибел) предназначена для устройств, где требуется выходная мощность в диапазоне от 40 до 200 Вт, и где желательны небольшие размеры и не очень высокое напряжение. Например, мини-ЛБВ мощностью 40 Вт, работающая на частоте 14 гигагерц, умещается в ладони и весит менее полукилограмма.

Как выяснилось, военные очень нуждаются в мини-ЛБВ. Вскоре после их появления в 1980-х годах мини-ЛБВ были внедрены в системы 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 своему 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.

Ускорительный клистрон

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 Russell и Sigurd Varian изобрели клистрон в 1930-х годах и вместе с другими основали компанию Varian Associates для его продажи.
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 электронный пучок в 250 киловольт, клистрон SLAC производил пиковую мощность 24 МВт. Более 240 клистронов были необходимы для достижения энергии частиц до 50 миллиардов электрон-вольт.

Клистроны SLAC проложили путь к широкому использованию электронных ламп в качестве источников радиочастоты для передовой физики элементарных частиц и источников рентгеновского излучения. Версия клистрона SLAC мощностью 65 МВт все еще находится в производстве. Клистроны также используются для досмотра грузов, стерилизации пищевых продуктов и радиационной онкологии.

Кольцевая лампа бегущей волны

Одна из ламп времен холодной войны, которая все еще пользуется успехом, - это огромная лампа бегущей волны с кольцевым стержнем. Эта мощная лампа длиной более 3 метров от катода до коллектора, что делает ее самой большой в мире ЛБВ. На базе ВВС Cavalier в Северной Дакоте имеется 128 кольцевых ЛБВ, обеспечивающих радиочастотную энергию чрезвычайно мощной РЛС с фазированной решеткой. Этот радар с частотой 440 мегагерц, получивший название «Perimeter Acquisition Radar Attack Characterization System» (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, способен идентифицировать объект размером с баскетбольный мяч на расстоянии 2 000 миль (3218 км).
Еще более высокочастотная версия лампы с кольцевым стержнем используется в радаре с фазированной антенной решеткой на удаленном острове Shemya, 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.

Показанная здесь трубка была разработана компанией Raytheon в начале 1970-х годов.

Убитрон

За пятнадцать лет до того, как был придуман термин «лазер на свободных электронах», появилась электронная лампа, которая работала по тому же основному принципу - убитрон, что означает «взаимодействие волнообразных лучей».




Изобретение убитрона в 1957 году произошло случайно. Robert Phillips, инженер микроволновой лаборатории General Electric в Пало-Альто, Калифорния, пытался понять, почему одна из ламп бегущей волны в лаборатории генерирует, а другая - нет. Сравнивая две лампы, он заметил различия в их магнитной фокусировке, из-за которых луч в одной лампе колебался. Он предположил, что эти волнообразные движения могут 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 Phillips и его коллеги построили и испытали множество убитронов. На фотографии 1963 года, показанной здесь, его коллега из GE Charles Enderby 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 сохранялся более десяти лет. Но армия США, которая финансировала работы по убитрону, остановила НИОКР в 1964 году, потому что не существовало 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, Phillips получил в 1992 году Free-Electron Laser Prize. ЛСЭ, которые сейчас установлены в больших источниках света и рентгеновских лучей на ускорителях частиц, производят мощное электромагнитное излучение, которое используется для исследования динамики химических связей, чтобы понять фотосинтез, проанализировать, как лекарства связываются с мишенями, и даже создать теплую, плотную материю, чтобы изучить, как образуются газовые планеты.

Карцинотрон

Французская трубка под названием carcinotron (лампа обратной волны) - еще один замечательный пример, рожденный холодной войной. Его разработал Bernard Epsztein в 1951 году в компании Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil.




Как и убитрон, карцинотрон вырос из попытки решить проблему колебаний на обычной лампе. Epsztein 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, произведенных 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 справиться, карцинотроны довольно компактны. Модель мощностью 500 Вт, включая постоянный фокусирующий магнит, весит всего 8 кг и имеет размеры 24 х 17 х 15 см, что немного, чем обувная коробка.

А странное название? Philippe Thouvenin, специалист по вакуумной электронике из компании Thales Electron Devices, сказал, что это слово происходит от греческого слова karkunos, что означает рак. А раки, как известно, плавают задом наперёд.

Двухрежимная лампа бегущей волны

Двухрежимная ЛБВ представляла собой необычную микроволновую лампу, разработанную в Соединенных Штатах в 1970-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: в ней было два луча, две цепи, две электронные пушки, два фокусирующих магнита и два коллектора, все заключено в единый вакуумный корпус.

Основным преимуществом лампы было то, что она расширила возможности использования системы противодействия радарам, которая 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.

Показанная здесь лампа была разработана подразделением Power Tube Division компании Raytheon. Двухрежимную ЛБВ было трудно производить в больших объемах, и ее производство прекратили в начале 2000-х.

Многолучевой клистрон

Мощность, как многие из нас учили, равна напряжению, умноженному на ток. Чтобы получить больше мощности от вакуумной лампы, вы можете увеличить напряжение электронного луча лампы, но для этого потребуется лампа большего размера и более сложный источник питания. Или вы можете увеличить ток луча, но это тоже может быть проблематично. Для этого вам необходимо, чтобы устройство могло выдерживать более высокий ток и что необходимое магнитное поле может безопасно транспортировать электронный пучок через лампу. Проблема усугубляется тем, что эффективность лампы обычно падает с увеличением тока луча, из-за недостатка электронов, необходимых для преобразования энергии.

Всё это верно, 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 по величине, 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 такие лампы для радаров и других целей.

Выше показан современный образец МБК, произведенный в 2001 году французской фирмой Thomson Tubes Electroniques. Этот МБК был разработан для немецкой установки электронного синхротрона (DESY). Лампа имеет семь лучей, обеспечивающих общий ток 137 ампер с пиковой мощностью 10 МВт и средней мощностью 150 кВт; её эффективность превышает 63 процента. Для сравнения, однолучевой клистрон, разработанный Thomson, обеспечивает пиковую мощность 5 МВт и среднюю мощность 100 кВт с КПД 40 процентов. Таким образом, с точки зрения возможностей усиления один МБК эквивалентен двум обычным клистронам.

Коакситрон

Все лампы, которые я описал до сих пор, специалисты называют пучково-волновыми устройствами (или струйно-волновыми в случае магнетрона). Но до появления этих устройств в лампах были сетки, которые представляли собой похожие на экран металлические электроды, вставленные между катодом и анодом лампы для управления потоком 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. Были, конечно, и лампы большей мощности, которые использовались в радиопередатчиках. Позднее лампы большой мощности нашли свое применение в большом количестве интересных промышленных, научных и военных приборов.

Триоды и сеточные лампы более высокого порядка включали в себя катод, сетку управления током и анод или коллектор (или пластину). Большинство этих ламп были цилиндрическими, с центральным катодом, обычно нитью накала, окруженным электродами.
Коакситрон, разработанный RCA в начале 60-х годов, представляет собой уникальную модификацию цилиндрической конструкции. Электроны текут радиально от цилиндрического коаксиального катода к аноду. Но вместо одного эмиттера электронов, катод коакситрона сегментирован по окружности с многочисленными нагретыми нитями, служащими источником электронов. Каждая нить накала формирует свой собственный пучок электронов. Поскольку пучок электронов течет радиально к аноду, магнитное поле (или магнит) не требуется, чтобы удерживать электроны. Таким образом, коакситрон очень компактен, учитывая его выдающуюся мощность около мегаватта.

Коакситрон мощностью 1 МВт и частотой 425 МГц весил 59 кг и имел высоту 61 см. Несмотря на то, что усиление было скромным (от 10 до 15 дБ), он оставался незаменимым в качестве компактного сверхвысокочастотного усилителя мощности. RCA рассматривала коакситрон как источник для управления высокочастотными 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.

Аудиолампа от Telefunken

Важная лампа обычного типа, с сетками, находится на противоположном конце спектра мощности/частоты от мегаваттных монстров, таких как клистрон и гиротрон. Почитаемая звукоинженерами и записывающими студиями, Telefunken VF14M использовалась в качестве усилителя в легендарных микрофонах Neumann U47 и U48, любимых Frank Sinatra и продюсером Beatles сэром George Martin. Интересный факт: микрофон Neumann U47 выставлен в экспозиции в студии Abbey Road в Лондоне. Буква «M» в обозначении лампы VF14M указывает на то, что она подходит для использования в микрофонных усилителях, и присуждалась только лампам, прошедшим проверку в Neumann.

VF14 - пентод, то есть он имеет пять электродов, в том числе три сетки. Однако при использовании в микрофоне он работает как триод, причем две его сетки вместе соединены с анодом. Это было сделано, чтобы использовать якобы превосходные звуковые качества триода. Схема нагревателя VF14 катода работает при напряжении 55 В. Это напряжение было выбрано таким образом, чтобы две лампы можно было соединить последовательно и включить в сеть 110 В для снижения затрат на электропитание, что было важно в послевоенной Германия.

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