Загадки в пятницу (№ 174)

Такая штука, только поменьше и с другими характеристиками, есть в микроволновке. А еще была в ламповых радиоприемниках и телевизорах.

На фото — одна из электронно-лучевых 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.

Еще более высокочастотная версия кольцевой трубки используется в радаре с фазированной антенной решеткой на удаленном острове Шемя, примерно в 1900 км от побережья Аляски. 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 "бегемоте", известна как кольцевая полоса, состоящая из круглых колец, соединенных чередующимися полосами или полосами, повторяющимися по всей длине. Эта установка обеспечивает более высокую напряженность поля поперек электронного луча трубки, чем обычная ЛБВ, в которой радиочастотные волны распространяются по спиральному проводу. Более высокая напряженность поля трубки с кольцевым стержнем приводит к более высокому коэффициенту усиления мощности и хорошему КПД. Показанная здесь трубка была разработана компанией Raytheon в начале 1970-х годов; сейчас он производится компанией L3Harris Electron Devices

Далее слегка "причесанный" гуглоперевод:

ВЕК, ПОДДЕРЖИВАЕМЫЙ квинтиллионами твердотельных устройств, cтоит ли вообще думать о вакуумных электронных приборах в наши дни? Определенно "да"! 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 на всякий случай, вы также найдете здесь несколько трубок, которые слишком уникальны, круты или странны, чтобы томиться 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

ФОТО: ТЕЛЕДАЙН E2V

Когда дело доходит до эффективной генерации когерентной радиочастотной мощности в компактном корпусе, вы не можете превзойти магнетрон.

Магнетрон впервые прославился во время Второй мировой войны для питания британских радаров . В то время как использование магнетрона в радарах пошло на убыль в 1970-х годах, трубка обрела новую жизнь в промышленных, научных и медицинских приложениях, которая продолжается и сегодня.

Именно для этого последнего применения светится медицинский магнетрон. В линейном ускорителе он создает высокоэнергетический электронный пучок. Когда электроны в пучке отклоняются ядрами мишени, состоящей из материала с высоким атомным номером, такого как вольфрам, производится обильное рентгеновское излучение, которое затем можно направить на уничтожение раковых клеток в опухолях. Первый клинический ускоритель для лучевой терапии был установлен в лондонской больнице Хаммерсмит в 1952 году. Ускоритель длиной 3 метра питался от магнетрона мощностью 2 мегаватта.

Магнетроны высокой мощности продолжают разрабатываться для удовлетворения потребностей радиационной онкологии. Показанный здесь медицинский магнетрон производства компании e2v Technologies (теперь Teledyne e2v) генерирует пиковую мощность 2,6 МВт при средней мощности 3 киловатта и КПД более 50 процентов. Всего 37 сантиметров в длину и вес около 8 килограммов, он достаточно мал и легок, чтобы поместиться во вращающемся плече аппарата лучевой терапии.

Гиротрон

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 ядерному синтезу, таких как ИТЭР , который в настоящее время строится на юге Франции. Для этих экспериментальных реакторов может потребоваться температура до 150 миллионов °C.

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

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

Помимо нагрева термоядерной плазмы, гиротроны используются в обработке материалов и спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Они также были исследованы для 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, создавая ощущение жжения, но не проникая в ткани под ней и не повреждая их.

Мини-трубка 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 текущим электронным пучком. [Более подробное описание работы TWT см. в The Quest for the Ultimate Vacuum Tube , IEEE Spectrum , декабрь 2015 г.]

Большинство ЛБВ 20-го века были разработаны для чрезвычайно высокого усиления мощности с коэффициентом усиления 100 000 и более. Но вам не всегда нужна такая большая прибыль. Введите мини TWT, показанный здесь на примере от L3Harris Electron Devices . С коэффициентом усиления около 1000 (или 30 децибел) мини-ЛБВ предназначен для приложений, в которых требуется выходная мощность в диапазоне от 40 до 200 Вт, а также там, где желательны небольшой размер и более низкое напряжение. Например, мини-ЛБВ мощностью 40 Вт, работающая на частоте 14 гигагерц, умещается на ладони и весит менее полкилограмма.

Как оказалось, военные службы остро 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 разработчики устройств начали интегрировать мини-ЛБВ с компактным высоковольтным источником питания для питания устройства и полупроводниковым усилителем для его управления. Комбинация создала то, что известно как 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 беспилотников, таких как Predator и Global Hawk, а также в средствах радиоэлектронного противодействия.

Ускоритель Клистрон

ФОТО: УПРАВЛЕНИЕ АРХИВОВ И ИСТОРИИ/НАЦИОНАЛЬНАЯ УСКОРИТЕЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ SLAC.

Клистрон помог открыть 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 трубный бизнес Вариана живет в Communications and Power Industries .

Внутри клистрона электроны, испускаемые катодом, ускоряются к аноду, образуя электронный пучок. Магнитное поле удерживает пучок от расширения, когда он проходит через отверстие в аноде к коллектору луча. Между анодом и коллектором находятся полые структуры, называемые объемными резонаторами. На ближайший к катоду резонатор подается высокочастотный сигнал, создающий внутри резонатора электромагнитное поле. Это поле модулирует электронный пучок, когда он проходит через резонатор, вызывая изменение скорости электронов и группировку электронов по мере их движения к другим резонаторам полости ниже по потоку. Большинство электронов замедляются, проходя через последний резонатор, который колеблется с большой мощностью. Результатом является выходной сигнал, который намного больше, чем входной сигнал.

В 1960-х годах инженеры разработали клистрон для использования в качестве РЧ-источника для нового 3,2-километрового линейного ускорителя частиц , строящегося в Стэнфордском университете. Клистрон SLAC, работающий на частоте 2,856 гигагерца и использующий электронный пучок на 250 киловольт, производил пиковую мощность 24 МВт. Их требовалось более 240 для достижения энергии частиц до 50 миллиардов электрон-вольт.

Клистроны SLAC проложили путь к широкому использованию электронных ламп в качестве РЧ-источников 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 трубка бегущей волны

.

Убитрон

ФОТО: РОБЕРТ ФИЛЛИПС

За пятнадцать лет до того, как был придуман термин «лазер на свободных электронах», существовала электровакуумная лампа, работавшая по тому же основному принципу — « убитрон» , что означает «волнообразное взаимодействие лучей».

Изобретение убитрона в 1957 году произошло случайно. Роберт Филлипс, инженер лаборатории микроволнового излучения General Electric в Пало-Альто, штат Калифорния, пытался объяснить, почему одна из лабораторных ламп бегущей волны колеблется, а другая нет. Сравнивая две трубки, он заметил различия в их магнитной фокусировке, из-за чего луч в одной трубке колебался. 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 радиочастотной мощности. Так родился Убитрон.

С 1957 по 1964 год Филлипс и его коллеги построили и испытали множество убитронов. На представленной здесь фотографии 1963 года коллега из GE Чарльз Эндерби держит в руках убитрон без магнита-вигглера. Работая при напряжении 70 000 вольт, эта лампа давала пиковую мощность 150 кВт на частоте 54 ГГц, что является рекордным уровнем мощности за более чем десятилетие. Но армия США, которая финансировала работу над убитроном, остановила исследования и разработки в 1964 году, потому что не было антенн или волноводов, которые могли бы работать с такими высокими уровнями мощности.

Сегодняшние лазеры на свободных электронах используют тот же основной принцип, что и убитрон. Фактически, в знак признания своей новаторской работы над убитроном Филлипс получил премию за лазер на свободных электронах в 1992 году. ЛСЭ, установленные в настоящее время в больших источниках света и рентгеновского излучения на ускорителях частиц, производят мощное электромагнитное излучение, которое используется для исследования динамику химических связей, понять фотосинтез, проанализировать, как лекарства связываются с мишенями, и даже создать теплую, плотную материю, чтобы изучить, как формируются газовые планеты.

Карцинотрон

ФОТО: КСФ

Французская трубка , называемая карцинотроном, — еще один захватывающий пример, рожденный во времена холодной войны. Связанный с магнетроном, он был задуман Бернардом 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 источник колебаний был прослежен до мощности радиочастотного контура, идущей назад, в направлении, противоположном направлению электронного луча трубки. Эпштейн обнаружил, что частота колебаний может изменяться в зависимости от напряжения, что привело к патенту на перестраиваемую по напряжению лампу «обратной волны» .

Около 20 лет электронные глушилки в США 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 S-диапазоне, который простирается от 2 до 4 ГГц.

Учитывая уровень мощности, с которой 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 чуть меньше обувной коробки.

И странное имя? Филипп Тувенин , специалист по вакуумной электронике в Thales Electron Devices, сказал мне, что это происходит от греческого слова karkunos , что означает рак. А раки, конечно, плывут задом наперёд.

Двухрежимная лампа бегущей волны

ФОТО: НОРТРОП ГРУММАН

Двухрежимная ЛБВ представляла собой странную микроволновую лампу, разработанную в Соединенных Штатах в 1970-х и 80-х годах для электронного противодействия радарам. Эта лампа, способная работать как с маломощными непрерывными, так и с мощными импульсами, следовала старой пословице о том, что два лучше, чем один: у нее было два луча, две цепи, две электронные пушки, два фокусирующих магнита и два коллектора — все заключены в единую вакуумную оболочку.

Основным преимуществом трубки было то, что она расширяла возможности использования данного приложения - например, система противодействия могла работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах, но с одним передатчиком и простым антенным фидером. Управляющая сетка в электронной пушке в более короткой секции импульсной мощности может быстро переключать лампу с импульсной на непрерывную волну или наоборот. Поговорите о том, чтобы упаковать много возможностей в небольшой пакет. Конечно, если вакуум протечет, вы потеряете обе функции трубки.

Показанная здесь трубка была разработана подразделением Power Tube компании Raytheon, которое было приобретено компанией Litton Electron Devices в 1993 году. начало 2000-х.

Многолучевой клистрон

ФОТО: ФАЛЕС

Мощность, как многие из нас усвоили в детстве, равна напряжению, умноженному на силу тока. 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 нужно убедиться, что устройство может поддерживать более высокий ток и что требуемое магнитное поле может безопасно транспортировать электронный пучок по цепи трубки, то есть по той части трубки, которая взаимодействует с электронным лучом.

Проблема усугубляется тем, что эффективность лампы обычно падает по мере увеличения тока луча, потому что страдает группировка электронов, необходимая для преобразования энергии.

Все эти предостережения применимы, если вы говорите об обычной вакуумной лампе с одним электронным пучком и одной цепью. Но что, если вы используете несколько лучей, исходящих из нескольких катодов и проходящих через общую цепь? Даже если токи отдельных пучков умеренные, общий ток будет высоким, в то время как общая эффективность устройства не пострадает.

Такое многолучевое устройство изучалось в 1960-х годах в США, Советском Союзе и других странах. Работы в США прекратились, 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 пример MBK, произведенный в 2001 году французской фирмой Thomson Tubes Electroniques (ныне часть Thales ). Этот MBK был разработан для немецкой установки электронного синхротрона (DESY) . Более поздняя версия используется в Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах . Трубка имеет семь лучей, обеспечивающих общий ток 137 ампер, пиковую мощность 10 МВт и среднюю мощность 150 кВт; его эффективность превышает 63 процента. Напротив, однолучевой клистрон, разработанный Thomson, обеспечивает пиковую мощность 5 МВт и среднюю мощность 100 кВт с КПД 40 процентов. Так что по своей усиливающей способности один МБК эквивалентен двум обычным клистронам.

Коакситрон

ФОТО: РКА

Все лампы, которые я описал до сих пор, относятся к тому, что специалисты называют устройствами лучевой волны (или потоковой волны в случае магнетрона). Но до того, как появились эти устройства, в трубках были решетки, представляющие собой прозрачные металлические электроды, похожие на экраны, вставленные между катодом и анодом трубки для контроля или модуляции потока электронов. В зависимости от того, сколько сеток имеет лампа, ее называют диодной (без сеток), триодной (с одной сеткой), тетродной (с двумя сетками) и т. д. Лампы малой мощности назывались «приемными лампами», потому что они обычно использовались в радиоприемниках или в качестве переключателей. «клапан»).

Были, конечно, и более мощные сетевые лампы . Передающие трубки использовались, как вы уже догадались, в радиопередатчиках. Позже мощные сетчатые трубки нашли применение в широком спектре интересных промышленных, научных и военных приложений.

Все триоды и сеточные лампы 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, окруженной 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, а многочисленные нагретые нити накала служат источником электронов. Каждая нить формирует свой собственный маленький пучок электронов. Поскольку бимлет течет радиально к аноду, магнитное поле (или магнит) не требуется для удержания электронов. Таким образом, коакситрон очень компактен, учитывая его выдающийся уровень мощности около мегаватта.

Коакситрон мощностью 1 МВт и частотой 425 МГц весил 130 фунтов (59 кг) и имел высоту 24 дюйма (61 см). Хотя усиление было скромным (от 10 до 15 дБ), он по-прежнему представлял собой компактный усилитель мощности сверхвысоких частот. RCA предполагала, что коакситрон станет источником для управления РЧ-ускорителями, но в конечном итоге он нашел применение в высокомощных УВЧ-радарах. Хотя коакситроны недавно уступили место твердотельным устройствам, некоторые из них все еще используются в устаревших радиолокационных системах.

Телефункен Аудио Трубка

ФОТО: THUMP/SOUNDGAS

Важная традиционная трубка с сетками находится на противоположном конце спектра мощности / частоты от мегаваттных зверей, таких как клистрон и гиротрон. Почитаемый аудиоинженерами и музыкантами, Telefunken VF14M использовался в качестве усилителя в легендарных микрофонах Neumann U47 и U48, которые предпочитали Фрэнк Синатра и продюсер The Beatles сэр Джордж Мартин. Забавный факт: в студии Abbey Road в Лондоне выставлен микрофон Neumann U47 . Буква «M» в обозначении лампы VF14M указывает на то, что она подходит для использования в микрофоне, и была присуждена только лампам, прошедшим скрининг в Neumann.

VF14 является пентодом, то есть имеет пять электродов, включая три сетки. Однако при использовании в микрофоне он работает как триод с двумя сетками, связанными вместе и подключенными к аноду. Это было сделано, чтобы использовать якобы превосходные звуковые качества триода. Цепь нагревателя VF14, которая нагревает катод, так что он испускает электроны, работает при напряжении 55 В. Это напряжение было выбрано таким образом, чтобы две лампы можно было подключить последовательно к сети 110 В для снижения затрат на электропитание, что было важно в послевоенная Германия.

В настоящее время вы можете купить полупроводниковую замену VF14M, которая даже имитирует 55-вольтовую схему нагревателя лампы. Но сможет ли он воспроизвести этот теплый, приятный ламповый звук? С этим аудио-снобы никогда не согласятся.

Эта статья появилась в печатном выпуске за ноябрь 2020 года под названием «9 величайших электронных ламп, о которых вы никогда не слышали».

Источник: https://spectrum.ieee.org/amp/the-11-greatest-vacuum-tubes-youve-never-heard-of-2650233014