Леонид Ашкинази
Рассмотрена история электронных вакуумных приборов (сеточных ламп и СВЧ-приборов), принципы их работы, основы конструкции и технологии.
Повествование о любом объекте техники должно состоять из рассказа о его теории, конструкции, технологии и применении. Вот, к примеру, велосипед: его теория соединяет технику с физикой (гироскоп), конструкция и технология – со всей техникой (конструкция – с самописцем: цепная передача, технология – с метательным оружием: резина), применение соединяет велосипед с психологией (прогулки с девушкой), социологией (сбыт), биологией (мозжечок). Причем все это должно рассматриваться в развитии, в истории, и кончаться прогнозом – будет ли кататься и как именно киборгизированный и клонированный человек XXII века? Я полагаю, что с мороженым в руке.
Понятно, что последовательное и глубокое воплощение такой программы – «это вещь на века, как Баальбекская платформа». И оно требует совершенно нереального объема публикации. Попробуем воплотить эту программу последовательно, охватив все аспекты, но установив такую глубину захвата, чтобы уложиться в статью. При этом читатель получает общую картину, а уточнять детали ему придется – если возникнет интерес – самому.
Эти две статьи будут об электронных лампах. В первой мы рассмотрим теорию, конструкцию, историю и роль в цивилизации примерно до середины прошлого века. Во второй – их роль во второй половине века, технологию и перспективы. Для такого деления материала есть несколько причин, главная из них такова: во второй половине века у ламп возник конкурент – полупроводниковый прибор, транзистор. Это существенно повлияло на развитие ламп, а конкуренция между лампами и транзисторами и разделение ими сфер влияния сильнейшим образом повлияли на технику вообще и на развитие цивилизации в целом. Достаточно сказать, что без транзисторов мы бы не имели современных компьютеров, а без ламп – радио и телевидения.
Начнем с определения и нескольких принципиальных тезисов. Электронная лампа – это один из приборов, предназначенных для преобразования электрических сигналов, и он использует воздействие электрического и магнитного поля на электроны, движущиеся в вакууме. От полупроводниковых и газоразрядных приборов лампу отличает то, что в ней вакуум. Стало быть, нужен баллон, отделяющий вакуум от атмосферы. Раз мы собираемся работать с электронами, нужен катод – электрод, из которого мы будем извлекать электроны. Чаще всего это термокатод, то есть энергию, необходимую электронам для выхода из катода в вакуум, мы будем сообщать им путем нагрева. Для нагрева потребуется нагреватель. Раз мы извлекли электроны, надо будет их вернуть (соблюдая закон сохранения заряда), то есть потребуется анод – электрод, который примет электроны из вакуума и вернет их в электрическую цепь. И нам потребуется какой-то электрод, посредством которого мы будем управлять электронами. В простейшем варианте такой электрод будет один, его называют сеткой, он действительно на нее похож, и именно сквозь нее пролетают электроны, держа путь от катода к аноду. При изменении напряжения на сетке изменяется поток электронов: отрицательное напряжение на сетке, отрицательный заряд отталкивает электроны, положительный притягивает. Сеток может быть несколько, напряжение на каждой будет влиять на ток, и мы получим смеситель – лампу, в которой сигналы будут «смешиваться». Все это называется «лампы с электростатическим управлением».
Если мы попробуем усиливать такой лампой сигнал все более высокой частоты, то возникнет проблема. Электрону требуется какое-то время, чтобы долететь от катода до сетки, и если за время его полета напряжение на сетке успеет сменить знак, влияние напряжения на ток ослабеет и в итоге исчезнет совсем. Для работы в области таких частот применяются лампы «с протяженным электронным пучком». Существует несколько типов таких ламп, а основные принципы их работы были предложены в предвоенные годы – стимулом стало развитие радиолокации. Именно такие лампы применяются для космической связи и в телевидении, и в обозримом будущем они не будут вытеснены полупроводниковыми приборами, поскольку есть принципиальные физические ограничения на создание высокочастотных и мощных полупроводниковых приборов. В области же низких частот электронные лампы в значительной мере уступили место полупроводникам, за исключением высоковольтных и сильноточных приборов и ламп для высококачественного усиления звука. В первом случае полупроводниковая экспансия ограничена относительно низким – не более нескольких киловольт – рабочим напряжением и относительно небольшим – не более килоампер – током, во втором случае – нелинейностью зависимостей токов от напряжений, приложенных к приборам. Еще две области применения, в которых полупроводниковые приборы не могут тягаться с лампами, – это высокие температуры и радиация.
Если в определении электронной лампы выкинуть слово «электрических», то придется считать лампой и кинескоп (в телевизоре и компьютере), который преобразует электрический сигнал в оптический, и фотоэлемент, который осуществляет обратную операцию, и электронно-оптический преобразователь, который делает и то, и это. Относить их к электронным лампам или нет – дело вкуса. Мы так поступать не будем по простой причине – иначе в статью уж точно не уложимся.
Электронная лампа возникла из электрической. Создал первую электронную лампу Т.А. Эдисон, и произошло это так. Свет в электрических лампах излучался в те времена накаленной угольной нитью. От нити летели во все стороны не только фотоны, но и нечто, оседавшее на баллоне и вызывавшее его потемнение. Эдисон предположил, что летят отрицательно заряженные угольные пылинки. Если ввести в лампу дополнительный электрод, – решил он, – и подать на него положительный относительно нити потенциал, то пылинки будут притягиваться к этому электроду и не будут попадать на баллон.
Но баллоны все равно темнели. Обидно; зато Эдисон обнаружил, что в цепи дополнительного электрода протекает ток. Так в 1883 году он открыл два новых явления: протекание тока через вакуум и термоэмиссию – испускание заряженных частиц нагретыми веществами. Позже эта два явления вместе были названы «эффектом Эдисона». Как практически мыслящий человек (автор более 1000 патентов), он придумал и прибор на основе этих эффектов. Поскольку ток, текущий в цепи дополнительного электрода, сильно зависел от напряжения, приложенного к нити (называемого напряжением накала), Эдисон предложил использовать этот эффект для обнаружения малых изменений напряжения. А вот концы батареи он не перекинул, и то, что в его условиях вакуум пропускает ток только в одном направлении, не обнаружил. Диодный эффект был открыт лишь через 21 год!
Между тем в 1887 году (по некоторым источникам – в 1886-ом) Дж.Дж. Томсон установил, что ток в лампе Эдисона переносят именно электроны, а не ионы. Но, быть может, это свойство именно угля? Нет, если нить была металлической, электронный ток возникал тоже. Он становился особенно велик, если нить покрывали порошком окиси кальция (ну, то есть зубным порошком). Так в 1904 году А. Венельт открыл оксидный катод, которому предстояло через полвека завоевать мир электронных ламп. В том же году Дж.А. Флеминг наконец-то перекинул концы от батареи, подал на дополнительный электрод минус относительно нити и немедленно обнаружил, что ток не идет. Он и создал вакуумный диод.
Однако этот диод был не совсем вакуумным. В 1908 году Ф. Содди обнаружил, что при улучшении вакуума ток уменьшается. Возникло естественное – хотя и, к счастью, неверное – предположение, что в абсолютном вакууме тока не будет совсем. Вакуумная электроника была готова умереть, не родившись. Выяснилось, что уменьшение тока при улучшении вакуума вызвано образованием в лампе отрицательного заряда. А почему он не влиял раньше? Ведь уже летящие через зазор катод-анод электроны имеют отрицательный заряд, отталкивают электроны, только-только вылетевшие из катода, и уменьшают этим ток, текущий через зазор. Но при наличии газа электроны ионизуют его, причем новые электроны начинают двигаться вместе со старыми к аноду, а положительные ионы, имеющие в среднем в 60 000 раз большую массу, уходят из зазора медленно и поэтому создают в нем положительный заряд, компенсирующий заряд электронов. Поэтому при наличии газа суммарный заряд оказывается меньше, а ток больше. Но и без ионной компенсации движение электронов в вакууме оказалось вполне возможно. Первый настоящий именно вакуумный диод был создан в 1913 году У. Кулиджем и в 1915 году С. Дэшманом. Для получения в вакуумных лампах того же тока, что и в лампах с частичной компенсацией пространственного заряда, требовались большие напряжения между катодом и анодом, но зато эти лампы работали стабильнее. Ибо хотя хороший вакуум и труднее получить, чем плохой, но для работы лампы с компенсацией нужен не просто плохой вакуум, а стабильно плохой.
Основная формула, описывающая работу электронных ламп, была получена И. Ленгмюром в 1915 году. Называют ее почему-то не формулой Ленгмюра, а «законом 3/2». Впрочем, человек, сделавший для физики и химии столько, сколько сделал Ленгмюр, не стал бы тратить время на споры о приоритете. Закон звучит так: ток, который протекает через вакуумный зазор, пропорционален площади электродов, напряжению на зазоре в степени 3/2 и обратно пропорционален квадрату ширины зазора. Это при положительном напряжении на аноде относительно катода, когда анод притягивает электроны. При отрицательном напряжении ток не идет. Поэтому диод может быть применен в качестве выпрямителя, то есть прибора, пропускающего ток в одну сторону и не пропускающего в другую, в качестве «нелинейного сопротивления», не подчиняющегося закону Ома и, наконец, в соответствии с идеей Эдисона – для контроля малых изменений напряжения. Из этих трех идей радиотехника использовала первую – активно, вторую – слабее, а третью, кажется, не использовала вовсе.