Однако диод даже не вполне лампа – в нем нет независимого способа управления движением электронов. Существуют ли иные, кроме изменения температуры катода и напряжения на аноде, способы управления движением электронов? Движение электронов зависит от электрических полей, созданных наличием зарядов и потенциалов на любых электродах, стоящих на пути электронного потока или рядом с ним.
В 1906 году Ли де Форест поставил на пути электронов сетку. Теперь управляющий сигнал надо было подавать на нее, а выходным сигналом по-прежнему был анодный ток. На движение электронов в лампе, и, стало быть, на ток анода, теперь влияют два напряжения – на аноде и на сетке. Причем сеточное влияет гораздо сильнее – она ближе к катоду. Величину, которая говорит, во сколько раз изменение напряжения на сетке влияет на ток сильнее, чем изменение напряжения на аноде, называют усилением. Отношение изменений тока к изменению напряжения на сетке – крутизной (не в современном смысле, в в смысле – крутизна характеристики, графика). Крутизна определяет способность лампы усиливать радиосигналы, коэффициент усиления – способность лампы усиливать низкочастотное (звуковое) напряжение. Поэтому в зависимости от предназначения лампы надо бороться (как и следовало ожидать) за разные параметры. Заметим, что это были лампы «с плохим вакуумом», то есть с частичной компенсацией заряда. Настоящий именно вакуумный триод был создан И. Лэнгмюром и Г. Арнольдом в 1915 году.
Для работы первых триодов нужно было анодное напряжение около 100 вольт. Бедные радиолюбители держали под столами батареи по нескольку десятков банок, и несло от них кислотой... Позже, когда радиоаппаратура стала питаться в основном от сетей переменного напряжения, допускающих его изменение путем трансформации, острота проблемы уменьшилась. Но не исчезла совсем, а, кроме того, на путях уменьшения анодного напряжения было найдено и решение проблемы большого усиления.
Почему триоду нужно иметь большое анодное напряжение? Потому, что при этом получается большой анодный ток. Если анодное напряжение уменьшить, то уменьшится ток и, следовательно, крутизна. Как разорвать эту цепочку? Как получить большой анодный ток при малом напряжении? Казалось бы, ответ прямо следует из формулы Ленгмюра – приблизив анод к катоду. Да, но при этом анодное напряжение начинает сильнее действовать на ток и, следовательно (действие-то сетки остается таким же!), уменьшается усиление. То есть хорошо бы и приблизить анод к катоду, и не приблизить его... Наверное, примерно так рассуждали В.И. Коваленков в 1911 году и тот же И. Ленгмюр в 1913 году, которые предложили ввести в триод дополнительную сетку, находящуюся ближе всего к катоду, и подать на нее положительное напряжение. Эти лампы были названы «двухсетками», и они действительно работали при меньших анодных напряжениях – порядка 10...20 В. Но с годами получать высокие напряжения стало легче, и, казалось, век двухсеток кончился.
Второе рождение второй сетки произошло, когда В. Шоттки и А. Холл, по одним источникам – в 1919, а по другим – в 1926 году, предложили расположить вторую сетку не ближе к катоду, а наоборот – ближе к аноду. Прианодная сетка экранировала катод от анода, уменьшала его влияние на ток, и, следовательно, увеличивала усиление. Эта лампа была названа тетродом. Так была решена проблема малого усиления триода. В. Шоттки и А. Холл еще войдут в историю физики – открытием эффекта Шоттки и эффекта Холла, но пока они этого не знают.
Впрочем, и крутизну хочется увеличить. Из формулы Ленгмюра видно, как ее увеличить – приблизить сетку к катоду. На этом пути за двадцать лет (с начала сороковых до конца пятидесятых годов) зазор сетка-катод был уменьшен в 10 раз: с 200 до 20 микрон. Но это потребовало создания технологии изготовления проволоки диаметром 7 микрон (в 7 раз тоньше волоса) и радикального изменения технологии и конструкции ламп. Ведь мало изготовить эту проволоку, надо еще сделать из нее сетку, на что-то намотать, как-то закрепить. Все это было сделано, но лампы с такими сетками были сложны в производстве и дороги. Другой путь – это был опять путь двух сеток: прикатодная сетка с положительным потенциалом увеличивала ток и крутизну.
В 1926 году фирмой «Филипс» был выпущен пентод – лампа с пятью электродами или тремя сетками. Третья сетка находилась между второй и анодом. На нее подавалось напряжение, более низкое и чем на второй сетке, и чем на аноде, чаще всего ее просто соединяли с катодом. Третья сетка была предназначена для борьбы с «динатронным эффектом» – попаданием на вторую сетку электронов, выбитых из анода (этот эффект называется вторичной электронной эмиссией). Она их отталкивала и возвращала домой – на анод.
Вторая сетка была введена для получения большего усиления, третья – для избавления от динатронного эффекта. Но ниоткуда не следует, что их нельзя применять и для чего-нибудь другого. Например, если на одну сетку подать переменное напряжение с частотой f1, а на другую – с частотой f2, то в цепи анода лампы будут протекать токи с частотами nf1 ± mf2, где n и m = 0, 1, 2, 3... (результат должен быть больше нуля). Фильтрами, настроенными на соответствующие частоты, эти токи можно разделить. На «смешивании» частот и выделении разностной частоты f1 – f2, где f1 – частота принимаемого сигнала, а f2 – сигнала, генерируемого в приемнике специальным генератором (гетеродином), основана радиосвязь. Лампа, в которой смешиваются сигналы, называется «смесителем». Существуют лампы с четырьмя сетками (гексод), пятью (гептод) и шестью (октод). В некоторых случаях часть лампы выполняет роль «лампы гетеродина», а часть – «лампы смесителя». В этом случае передача сигнала из гетеродина в смеситель происходит не по проводам, а путем попадания электронов из одной части лампы в другую, то есть током в вакууме.
Как работает обычный триод при подаче на него высокочастотного переменного напряжения? Пока напряжение на сетке больше среднего, на электроны, летящие от катода, действует большое ускоряющее поле. Если напряжение меньше среднего, ускоряющее поле тоже меньше. Если, пока электрон летел, прошел период переменного напряжения, то итоговое воздействие на электрон отсутствует – полпериода его толкали, полпериода тормозили. Итак, на частоте, на которой период переменного напряжения равен времени пролета электрона, лампа работать уже совсем не может. Лучшие СВЧ-лампы работают на частотах до 10 гигагерц. Достигается это уменьшением зазора между катодом и сеткой до 10 микрон – с соответствующим ростом сложности изготовления и стоимости, а также уменьшением надежности и мощности.
С увеличением рабочей частоты возникают и другие проблемы. Поскольку напряжение на сетке изменяется, электроны влетают в зазор сетка-анод с разными скоростями. Время пролета от сетки до анода тоже не равно нулю, и электроны могут «перепутываться» – влетевшие позже, но с большими скоростями, могут обгонять влетевшие раньше, но с меньшими скоростями. В результате будет искажаться форма импульса, если лампа работает в импульсном режиме. Наконец, резонансная частота контура возрастает с уменьшением индуктивности и емкости. Если лампа работает на некоторой частоте, обычно в ее сеточной и анодной цепях применяются контуры, настроенные на эту частоту. Но лампа имеет собственную емкость (между электродами) и собственную индуктивность (вводов). Ни меньше этой емкости, ни меньше этой индуктивности емкость и индуктивность контура сделаны быть не могут.
Это проблемы, связанные с частотой. Есть еще проблемы, связанные с мощностью. Дальность действия радиолокатора и радиопередатчика и способность работать в условиях помех зависят от мощности. Ее можно увеличить либо путем увеличения тока лампы, либо путем увеличения напряжения. Поскольку максимальная плотность тока, отбираемого с катода, ограничена, надо либо увеличивать площадь катода, либо напряжение. И то и другое означает увеличение размеров лампы, поскольку при увеличении напряжения приходится увеличивать зазоры между электродами во избежание электрического пробоя.
Иногда – и это самое интересное – решение бывает промежуточным, когда новая лампа не является просто увеличенной старой, а состоит как бы из нескольких ламп в общей вакуумной оболочке. Иногда эти лампы имеют и еще какие-то общие детали. Например, стандартным решением является наличие в лампе нескольких катодов при одной сетке и одном аноде. Иногда граница между «общим» и «частным» проходит так хитро, что не сразу и разберешься. Например, в многолучевой лампе, которая была предложена В.Ф. Коваленко в 1940 году и А.П. Федосеевым в 1941 году, катод нагрет весь, но покрытие, эмитирующее электроны, заполняет не всю его поверхность, а только участки между стержнями сетки. Поэтому электроны пролетают в основном мимо сетки даже при положительном напряжении на ней.
Одним из направлений развития конструкций ламп были попытки уменьшения количества деталей. В 1934 году Ю.А. Кацман и А.А. Шапошников предложили конструкцию «штабельной лампы». На керамических рамках закреплялись отдельные электроды, потом рамки складывались штабелем, стопкой. Такая лампа могла быть маленькой, ее сборку можно было механизировать. Она была термостойкой (рамки из керамики) и высокочастотной (малые зазоры).
В электронной лампе электроны пролетают сквозь сетки. Представьте себе электронный поток, пронизывающий две близко расположенные сетки. Пока между сетками нет напряжения, стало быть, в зазоре между ними нет поля, каждый электрон вылетает из зазора с той же скоростью, с которой влетает в него. Когда напряжение между сетками есть, скорость электронов будет увеличиваться, если поле между сетками ускоряющее, и уменьшаться, если тормозящее. Что произойдет, если напряжение изменяется синусоидально? Электроны, пересекающие зазор при ускоряющем поле, будут двигаться быстрее тех, которые пересекали зазор при тормозящем поле. В результате электроны начнут собираться в сгустки, состоящие из электронов, пролетевших зазор раньше, но при тормозящем поле, и пролетевших позже, но при ускоряющем поле. Так образуется электронный прибой – электронные волны, накатывающиеся на берег... Электронные сгустки – это что-то мощное, серьезное, почти осязаемое. Так что вроде бы можно малое напряжение преобразовать во что-то большее. Но во что?