Эти устройства стояли на страже во время Холодной войны, способствовали прогрессу в физике частиц, лечили больных раком, и улучшали звук записей Beatles
Кому вообще могут быть интересны электронные лампы в эпоху, основанную на работе квинтиллионов твердотельных устройств? На самом деле, это очень интересно! По драматизму, насыщенности и гениальности изобретений мало какие технические периоды могут сравниться со 116-ю годами истории электронных ламп (истории, которая и не думает заканчиваться).
В качестве доказательства я сделал список ламповых устройств, которые вне всякого сомнения изменили мир в последние 60-70 лет.
И просто для коллекции я дополнил его несколькими лампами, которые оказались достаточно уникальными, крутыми или странными, чтобы просто так сгинуть в безвестности.
Естественно, каждый раз, когда кто-нибудь составляет список чего-нибудь – самых удобных кроссовок, самых аутентичных итальянских ресторанов в Кливленде, фильмов, превзошедших книгу, на которой они основаны – кто-нибудь обязан вставить своё слово, возразить или дополнить список. Поэтому, повторю очевидное: это мой список электронных ламп. Но мне было бы интересно увидеть и ваш список. Добавляйте своё мнение в комментариях.
Я не старался сделать список всеобъемлющим. Вы не найдёте здесь заполненных газом стеклянных колб типа Nixie, или тиратронов, или микроволновых импульсных устройств, или электронно-лучевых трубок. Я пропустил хорошо известные лампы, типа спутниковых ламп бегущей волны или магнетронов из микроволновых печей. И в списке участвуют только радиочастотные лампы, поэтому я проигнорировал огромный паноптикум из аудиочастотных ламп – за одним примечательным исключением.
Но даже в рамках выбранных мною параметров существует столько потрясающих устройств, что было сложно выбрать из них всего одиннадцать. Поэтому вот мой список ламп, изменивших нашу жизнь, представленных без особой сортировки.
Медицинский магнетрон
Teledyne e2v
В задаче эффективной генерации когерентных волн на радиочастоте в компактном корпусе у магнетрона нет конкуренции.
Впервые магнетроны прославились на Второй мировой войне в качестве основы британских радаров. К 1970-м в радарах они уже почти не использовались, однако нашли своё применение в промышленности, науке и медицине, и трудятся там по сей день.
Именно последний пример использования магнетрона особенно ярок. Он создаёт высокоэнергетический электронный луч в линейном ускорителе. Когда электроны из луча отражают ядра мишени — состоящей из материала с большим атомным числом, например, вольфрама – появляется обилие рентгеновских лучей. Затем эти лучи можно направлять на опухоли, чтобы убивать в них раковые клетки. Первый клинический ускоритель, предназначенный для радиотерапии, установили в лондонском госпитале Хаммерсмита в 1952 году. Трёхметровый ускоритель питал магнетрон на два мегаватта.
Магнетроны высокой мощности разрабатывают и сегодня, удовлетворяя спрос со стороны радиотерапии. На фото показан медицинский магнетрон производства компании e2v Technologies (ныне Teledyne e2v). Его пиковая мощность составляет 2,6 МВт, средняя – 3 кВт, а эффективность – более 50%. Его длина – 37 см, вес – 8 кг, он достаточно мелкий и лёгкий, чтобы помещаться в поворотный кронштейн аппарата радиотерапии.
Гиротрон
Гиротрон изобрели в 1960-х в научно-исследовательском радиофизическом институте в СССР. Это вакуумное устройство высокой мощности, использующееся в основном для разогрева плазмы в экспериментах ядерного синтеза – например, в ITER, который сейчас строят на юге Франции [международный экспериментальный термоядерный реактор, который будет работать по схеме токамак, тоже изобретённой в СССР / прим. перев.]. В подобных экспериментах может потребоваться разогрев до температур в 150 млн °C.
Как работает мегаваттный гиротрон? Он использует лучи электронов высокой энергии, вращающиеся в полости в сильном магнитном поле [gyrate, англ. – вращаться по кругу]. Взаимодействие между вращающимися электронами и электромагнитным полем полости генерирует высокочастотные радиоволны, которые направляют в плазму. Волны ускоряют электроны в плазме, тем самым разогревая её.
Лампа, выдающая в среднем 1 МВт энергии, мелкой не будет. Гиротроны для синтеза обычно имеют 2 – 2,5 м в высоту, и весят порядка тонны – в частности, благодаря 6-7 сверхпроводящим катушкам Теслы.
Кроме разогрева плазмы гиротроны используются для обработки материалов и в спектроскопии ядерного магнитного резонансна. Также американская армия пыталась применять их для разгона толп (система Active Denial System). Система выдаёт относительно широкий луч миллиметровых волн диаметром около полутора метров. Луч должен разогревать кожу человека, вызывая ощущение ожога, но не проникая в ткани и не вызывая их повреждение.
Мини-лампа бегущей волны
Как следует из названия, лампа бегущей волны (ЛБВ) усиливает сигналы путём взаимодействия между электрическим полем бегущей, или распространяющейся в цепи электромагнитной волны и электронным лучом.
Большая часть ЛБВ XX века были разработаны с чрезвычайно большим коэффициентом усиления, 100 000 или более. Однако такой коэффициент нужен не всегда. Тут пригодятся мини ЛБВ, такие, как лампа на фото в начале раздела производства L3Harris Electron Devices. Её коэффициент усиления составляет порядка 1000 (30 дБ). Она нужна для случаев, когда выходная энергия находится в промежутке от 40 до 200 Вт, и требуется небольшой размер и напряжение. К примеру, мини ЛБВ мощностью 40 Вт, работающая на частоте 14 ГГц, уместится в руке и будет весить меньше 500 г.
Оказывается, у военных на мини ЛБВ есть большой спрос. Вскоре после их появления в 1980-х, мини ЛБВ приняли на вооружение в электронной войне, и начали использовать на самолётах и кораблях в качестве защиты от ракет с активным радиолокационным самонаведением. В начале 1990-х разработчики начали интегрировать мини ЛБВ в компактные высоковольтные источники питания. Эта система стала известной как микроволновый модуль питания (microwave power module, MPM). MPM-усилители сразу нашли применение в радарах и передатчиках военных дронов, таких, как Predator и Global Hawk, а также в системах электронной защиты.
Клистрон
Клистрон помог ускорить прогресс в физике высоких энергий. Клистрон преобразуют кинетическую энергию луча электронов в энергию радиоволн. Выходная мощность устройства серьёзно превышает таковую у ЛБВ или магнетронов. Клистрон придумали братья Рассел и Сигурд Вариан в 1930-х, и основали в компании с другими инженерами Varian Associates для продажи приборов. Сегодня этот бизнес живёт в рамках компании Communications and Power Industries.
В клистроне электроны, испущенные катодом, ускоряются по направлению к аноду, формируя луч. Магнитное поле не даёт лучу расширяться, пока тот проходит через отверстие в аноде и попадает на коллектор. Между анодом и коллектором находятся полые структуры, объёмные резонаторы. На ближайший к катоду резонатор подаётся высокочастотный сигнал, что приводит к появлению внутри полости электромагнитного поля. Поле модулирует луч электронов, проходящий через резонатор, из-за чего скорости электронов начинают различаться, и те, по мере продвижения через резонаторы, группируются в сгустки. Большая часть электронов, проходя через последний, активно колеблющийся резонатор, замедляются. В итоге выходной сигнал получается гораздо сильнее входного.
В 1960-х инженеры разработали клистрон для работы в качестве источника радиоволн в новом 3,2-километровом линейном ускорителе частиц в Стэнфорде. Он работал на частоте 2,856 ГГц и использовал электронный пучок на 250 кВ. Его пиковая мощность составляла 24 МВт. Всего для получения энергий частиц в районе 50 млрд эВ потребовалось установить 240 таких клистронов.
Эти клистроны проложили путь к масштабному использованию электронных ламп в качестве источников радиоволн в физике частиц. До сих пор производится вариант такого клистрона на 65 МВт. Также клистроны используются для просвечивания багажа, стерилизации еды и радиотерапии.
Лампа бегущей волны с кольцевым стержнем
Одна из ламп времён Холодной войны, остающаяся в строю до сих пор – это огромная лампа бегущей волны с кольцевым стержнем. В этой высокоэнергетической лампе расстояние от катода до коллектора составляет более 3 м, что делает её крупнейшей в мире ЛБВ.
128 ЛБВ с кольцевым стержнем обеспечивают мощные импульсы радиосигналов для чрезвычайно мощного радара с фазовой решёткой, находящегося на базе ВВС Кавалер в Северной Дакоте. Этот радар, работающий на частоте 440 МГц, называется «Система определения характеристик радиолокационных атак по периметру» [Perimeter Acquisition Radar Attack Characterization System, PARCS]. Он высматривает баллистические ракеты, летящие в сторону Северной Америки. Также он отслеживает запуски космических ракет и движущиеся по орбите объекты, выходя в сеть наблюдения за космосом. PARCS, построенный в 1972-м, отслеживает более половины всех объектов, находящихся на орбите Земли. Говорят, что он способен обнаружить объект размером с баскетбольный мяч на расстоянии в 3200 км.
Ещё более высокочастотный вариант лампы с кольцевым стержнем используется в радаре с фазовой решёткой на удалённом острове Шемья, расположенном в 1900 км от побережья Аляски. Это радар Cobra Dane, отслеживающий запуски баллистических ракет, не принадлежащих США. Он также собирает данные наблюдения за космическими запусками и спутниками, находящимися на низкой околоземной орбите.
Схема этого гиганта известна как кольцевой стержень. Он состоит из концентрических колец, соединённых перемежающимися отрезками, или стержнями, расположенными через равные промежутки по всей его длине. Такая схема даёт большую интенсивность поля вдоль луча электронов по сравнению с заурядными ЛБВ, у которых радиоволны распространяются по спиральному проводу. Более высокая интенсивность даёт больший коэффициент усиления и хорошую эффективность. Лампа на фото была разработана компанией Raytheon в начале 1970-х; сегодня их производит L3Harris Electron Devices.
Убитрон
Чарльз Эндерби с убитроном
За пятнадцать лет до изобретения термина «лазер на свободных электронах» существовала электронная лампа, работающая на том же базовом принципе – убитрон [ubitron], аббревиатура от undulating beam interaction [волнообразное взаимодействие пучков].
Убитрон изобрели в 1957 году случайно. Роберт Филипс, инженер из микроволновой лаборатории General Electric в Пало-Альто, Калифорния, пытался понять, почему в одной из ЛБВ в лаборатории наблюдались осцилляции, а в другой – нет. Сравнивая две лампы, он заметил вариации в их магнитной фокусировке, из-за которой в одной из ламп луч извивался. Он понял, что эти волнообразные колебания могут вызывать периодические взаимодействия с электромагнитной волной в волноводе. А это может оказаться полезным для получения чрезвычайно высоких пиковых мощностей радиоволн. Так и появился убитрон.
В период с 1957 по 1964 Филипс с коллегами собрали и испытали множество убитронов. Фотография в начале раздела сделана в 1963, и на ней Чарльз Эндерби держит убитрон без магнита. Лампа работала под напряжением в 70 000 В и в пике выдавала 150 кВт на частоте 54 ГГц – это были рекордные значения, продержавшиеся десять лет. Однако в 1964 году армия США прекратила финансировать эти исследования, поскольку тогда не существовало антенн или волноводов, способных работать с такими энергиями.
Сегодня лазеры на свободных электронах используют тот же базовый принцип, что и убитрон. Филипс за свои разработки даже получил премию в 1992 году, вручаемую за исследования в области таких лазеров. Сегодня эти лазеры устанавливаются в крупных источниках света и рентгеновских лучей в ускорителях частиц, и выдают мощное электромагнитное излучение. Оно используется для изучения динамики химических связей, фотосинтеза, анализа работы лекарственных препаратов, и для создания тёплой плотной материи, подходящей для исследования процессов формирования газовых гигантов.
Карцинотрон
Французская лампа под названием карцинотрон – ещё один интересный пример устройства, родившегося во время Холодной войны. Она приходится родственником магнетрону. Придумал её в 1951 году Бернард Эпштейн из компании Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF), сейчас входящей в Thales.
Карцинотрон, как и убитрон, появился в результате попытки решить проблемы с осцилляцией обычной лампы. В данном случае источником осцилляции оказалась волна питания, идущая в направлении, обратном направлению электронного луча. Эпштейн обнаружил, что частоту осцилляций можно регулировать напряжением, в результате чего появился патент на лампу обратной волны, регулируемую напряжением [идея создания ЛОВ была высказана в 1948 г. советским ученым М. Ф. Стельмахом / прим. перев.].
20 лет электронные глушилки, используемые в США и Европе, использовали карцинотрон в качестве источника радиоволн. Лампа на фото стала одной из первых, произведённых CSF в 1952-м. Она выдавала 200 Вт в диапазоне S, от 2 до 4 ГГц.
Карцинотроны довольно компактные, если учесть их выходную мощность. Вместе с постоянным фокусирующим магнитом модель на 500 Вт весит 8 кг и имеет размеры 24×17×15 см, чуть меньше обувной коробки.
Странное имя связано с греческим словом karkunos, обозначающим речного рака – так объяснил мне Филиппе Тувенин, специалист по вакуумной электронике из Thales Electron Devices. Ведь раки движутся задом наперёд.
Двухрежимная лампа бегущей волны
Двухрежимная ЛБВ была странной микроволновой электронной лампой, разработанной в США в 1970-е и 1980-е в качестве меры противодействия радарам. Лампа могла выдавать непрерывную волну малой мощности и прерывистую волну большой мощности, и всего у неё было по два: два луча, две цепи, две электронные пушки, два фокусирующих магнита, два коллектора – и всё это в едином корпусе лампы.
Главным её преимуществом было расширение возможностей приборов – к примеру, система противодействия могла работать в двух режимах, с непрерывной волной малой мощности и прерывистой волной большой мощности, но с единственным передатчиком и простым облучателем антенны. Управляющая решётка электронной пушки в короткой секции лампы, отвечавшей за прерывистые волны, могла быстро переключать режимы работы лампы. Естественно, если корпус лампы повреждался, переставали работать обе функции.
Лампа на фото была разработана подразделением Raytheon, которую в 1993 году купила Litton Electron Devices. Raytheon/Litton и Northrop Grumman производили двухрежимные ЛБВ, однако их производство было слишком сложным для массового выпуска, поэтому в начале 2000-х его свернули.
Многолучевой клистрон
Мощность, как многие из нас узнали студентами, это напряжение, умноженное на ток. Чтобы извлечь из электронных ламп больше мощности, можно увеличить напряжение на электронном луче, однако придётся увеличивать размер лампы и усложнять подачу питания. Также можно поднять ток луча, но и с этим хватает проблем. Нужно будет убедиться, что устройство выдержит более высокий ток, а магнитное поле может безопасно перемещать электроны по цепи – по той части лампы, что взаимодействует с лучом электронов.
Кроме того, эффективность лампы обычно падает с ростом тока, поскольку ухудшается группирование электронов, необходимое для преобразования энергии.
Все эти недостатки проявляются в обычной электронной лампе с единственным электронным лучом и единственной цепью. А что, если организовать несколько лучей, исходящих с нескольких катодов, но проходящих через общую цепь? Даже если отдельные лучи будут иметь среднюю мощность, общий ток будет большим, а эффективность устройства не пострадает.
Такие многолучевые устройства изучали в 1960-х годах в США, СССР и много где ещё. В США с этим не вышло, а в СССР работы продолжались, и привели к успешному внедрению многолучевых клистронов, или МЛК. В России множество таких ламп применялось и применяется в различных областях, в т.ч., для радаров.
На фото показан современный пример МЛК, изготовленный в 2001 году французской компанией Thomson Tubes Electroniques (сейчас входящей в Thales). Его разработали в немецкой лаборатории Electron Synchrotron (DESY). Более новая его версия используется в европейской лаборатории рентгеновских лазеров на свободных электронах. В лампе используется семь лучей, дающих общий ток в 137 А, с пиковой мощностью в 10 МВТ, и средней – в 150 кВт. Её эффективность превышает 63%. Для сравнения, клистрон с единым лучом, разработанный в Thomson, даёт пиковую мощность в 5 МВт, и среднюю в 100 кВт, обладая эффективностью в 40%. Получается, что в плане усиления сигнала один МЛК эквивалентен двум обычным клистронам.
Коакситрон
Все описанные мною лампы используют лучи электронов. Однако до появления таких устройств в лампах использовались сетки – электроды в виде прозрачных металлических экранов. Их помещали между катодом и анодом для управления или модулирования потока электронов. В зависимости от количества таких сеток лампы назывались диодами (без сеток), триодами (с одной сеткой), тетродами (две сетки) и т.п. Лампы низкой мощности называли «принимающими лампами», поскольку они обычно использовались в радиоприёмниках или в качестве переключателей (стоит отметить, что в США лампы называют «трубками», а в Британии – «клапанами»).
Конечно, делали и лампы с управляющими сетками, поддерживающие высокие мощности. Передающие лампы использовались – да, да – в радиопередатчиках. Позднее такие лампы стали применяться в разнообразных интересных областях в промышленности, науке и военном деле.
В триодах и лампах с ещё большим количеством сеток стоял катод, управляющая током сетка, и анод или коллектор (или пластина). Большая их часть имела цилиндрическую форму с центральным расположением катода – обычно это была нить, окружённая электродами.
Коакситрон, разработанный RCA в начале 1960-х, представляет собой уникальную модификацию цилиндрического дизайна. Электроды идут по радиусу, от цилиндрического коаксиального катода к аноду. Однако у катода коакситрона эмиттер электронов не единственный – он расположен сегментами по всей окружности, и множество подогреваемых нитей служат источниками электронов. Каждая нить даёт свой небольшой луч электронов. Поскольку этот луч перемещаются к аноду радиально, магнитного поля для ограничения потока электронов не требуется. Поэтому коакситрон получается очень компактным, учитывая значительный уровень его мощности, порядка мегаватта.
Коакситрон на 1 МВт и 425 МГц весил 59 кг и имел 61 см в длину. Хотя у него был довольно скромный коэффициент усиления, от 10 до 15 дБ, как компактный и ультравысокочастотный усилитель он был уникальным устройством. В RCA хотели сделать ускоритель на таких устройствах, но в итоге они прижились в UHF-радарах. И хотя место коакситронов в последнее время заняли твердотельные устройства, некоторые из них до сих пор трудятся в старых радарных системах.
Аудиолампа Telefunken
Важный пример лампы, сетки которой находятся на противоположном конце спектра мощности и частоты по сравнению с мегаваттными монстрами типа клистрона или гиротрона. Telefunken VF14M уважали аудиоинженеры и музыканты, поскольку она использовалась в качестве усилителя в легендарных микрофонах Neumann U47 и U48. Их предпочитали Фрэнк Синатра и продюсер Beatles Джордж Мартин. Кстати, в музее студии Эбби Роуд в Лондоне хранится микрофон Neumann U47. Буква M в названии лампы говорит о том, что она подходит для использования в микрофонах. Такой артикул получали только лампы, прошедшие проверку в Neumann.
VF14 – это пентод, то есть, у неё есть пять электродов, три из которых – сетки. Однако в микрофоне она работает как триод, а две из трёх сеток соединяются вместе и подключаются к аноду. Это сделано по причине якобы лучшего качества звучания триодов. Разогревающая цепь VF14, нагревающая катод для испускания электронов, работает при напряжении в 55 В. Это сделано специально, чтобы две лампы можно было последовательно подключать к сети в 110 В, уменьшая стоимость источника питания – в послевоенной Германии это был важный фактор.
Сегодня можно купить чипы, заменяющие VF14M, и даже эмулирующие разогревающую цепь на 55 В. Но заменят ли они тёплый ламповый звук? Снобы от аудио, конечно, никогда с этим не согласятся.
