Электровакуумный триод,или Разные пути решения одной проблемы

Появление первой радиолампы, электровакуумного диода привело к значительному прогрессу в развитии техники приема радиосигнала. Однако вопрос усиления электрического сигнала, как высокочастотного, так и низкочастотного, оставался открытым. Над этой проблемой работали ученые разных стран, но наиболее ощутимые результаты были получены в Германии и США, немалый вклад в ее решение внесли и российские исследователи. Понятно, что все они шли к своей цели разными путями. Едва ли какое-нибудь другое изобретение повлияло на развитие радиосвязи более ощутимо, чем усилительная трехэлектродная электронная лампа. Спор о том, кто же первым подошел к ее созданию, продолжается до сих пор.

От катодной трубки — к катодному реле

Роберт фон Либен

Будущий изобретатель немецкой усилительной электронной лампы Роберт фон Либен (Robert von Lieben) появился на свет в Вене 5 сентября 1878 года в доме, расположенном недалеко от Венской оперы. Его отец, Леопольд фон Либен (Leopold von Lieben, 1835–1915), банкир, президент венской биржи, дал сыну неплохое образование, направив его учиться в физико-химическую школу. Интересно, что сам глава семьи в ту пору настолько увлекся электричеством, предметом всеоб щего внимания тех лет, что на короткое время устроился сотрудником без оплаты в компанию Siemens в Нюрнберге.


Вальтер Нернст

Полного университетского образования Роберт, однако, не получил, так как посещал лекции в Университете Вены по выбору, на правах вольного слушателя. Стремление заниматься наукой привело его в Геттингенский университет, где он проработал целый учебный год (1899/1900) помощником у известного немецкого физика и химика профессора Вальтера Нернста (Walther Hermann Nernst, 1864–1941), обратив на себя его внимание необыкновенным прилежанием и широтой научного кругозора. Очень скоро у них сложились дружественные отношения. В последующие годы В. Нернст называл молодого коллегу не просто своим любимым учеником, но и верным другом.

Лаборатория Роберта фон Либена в Вене.1900 г.

За время пребывания в университете Роберт фон Либен изучил особенности электрохимических фонографов, над усовершенствованием которых работал его наставник, и, проводя эксперименты, за интересовался проблемой усиления звуковых сигналов. Этот опыт весьма пригодился ему в дальнейшем, когда он вплотную занялся созданием приборов для усиления звуковых телефонных сигналов. В 1900 году молодой ученый возвращается в Вену и в доме родителей создает свою собственную лабораторию, где и проводит различные физико-технические опыты, в частности, по изучению электрических явлений в разряженных газах.


Карл Фердинанд Браун

В этот же период другой немецкий физик — Артур Венельт (Arthur Rudolph Berthold Wehnelt, 1871–1944) проводил целый комплекс экспериментов с катодными трубками Брауна. Трубка была названа по фамилии профессора Страсбургского университета Карла Фердинанда Брауна (KarlFerdinand Braun, 1850–1918), описавшего ее в 1897 году. Позже, после того как был открыт электрон,носитель элементарного электрического заряда, трубка стала называться «электронно-лучевой».Как известно, в трубке Брауна катодный луч с большим ускорением движется от катода к экрану, покрытому люминофором — веществом, светящимся при электронной бомбардировке.

Наибольший интерес среди работ,проводимых А. Венельтом, представляли эксперименты, относящиеся к усилению потока катодныхлучей в трубке Брауна, и изучениезаконов испускания электронов нагретыми телами. Для получениясильных катодных лучей при сравнительно низких потенциалах ученый воспользовался термоионнымитоками. В трубке, изготовленнойдля этой цели, катод состоял из платиновой пластинки, покрытой окисью какого-либо металла, а анод былсделан из алюминиевой проволочки.Пластинка накалялась посредствомтока вспомогательной батареи и соединялась с отрицательным полюсомисточника электричества, в то времякак положительный полюс был соединен с алюминиевой проволочкой.Из раскаленного катода уже при разности потенциалов в 100–200 вольтначинали исходить сильные катодные лучи. В проведенных экспериментах соответствующим изменением разности потенциалов удавалосьне только формировать направлениекатодных лучей, но и менять их скорость, в частности, в сторону ее увеличения.

Катодная трубка Ф. Брауна


Катодная трубка-выпрямитель
конструкции А. Венельта. 1904 г.

В 1902 году А. Венельт сделал важное усовершенствование катодной трубки: ввел в нее цилиндрический электрод, заряженный отрицательно, который потом стали называть «венельт-цилиндр», по-существу это был подогреваемый катод. Изменяя силу заряда на этом электроде, можно было усиливать или ослаблять электронный поток с катода, делая точку на экране то более яркой, то тусклой. В 1904 году ученый получил патент на катодную трубку-выпрямитель (диод), состоящий из подогреваемого катода и анода. К слову, именно Артур Венельт ввел в употребление слово «электроника».

Другим важным результатомисследований А. Венельта сталоизобретение в 1903 году оксидногокатода. Подвергнув проверке закониспускания электронов нагретымителами, открытый незадолго до этого английским физиком ОуэномУ. Ричардсоном (Owen WillansRichardson, 1879–1959), ученый выбрал для экспериментов образцыплатиновой проволочки. Первый жеопыт полностью подтвердил закон,но Венельт спустя некоторое времярешил повторить эксперимент ещес одним образцом. Каково же былоего удивление, когда платина началаиспускать поток электронов, во много раз более сильный, чем накануне(прибор, измерявший электронную эмиссию, едва не вышел из строя).Поскольку свойства металла не могли так резко измениться, оставалосьпредположить, что виновникомэлектронного «шквала» явилосьслучайно попавшее на поверхностьпроволочки вещество с более высокой способностью к эмиссии электронов, чем платина. Но что же этоза вещество? Ученый поочереднонаносил на платину различные материалы, «подозреваемые» в изменении электронного потока, но всеони без труда доказывали свою явную непричастность к этому делу.И когда Венельт уже совсем былоотчаялся докопаться до истины, онвдруг вспомнил, что в смазке насосной установки, принимавшейучастие в эксперименте, содержалась окись бария… Ученый вновьвключил приборы — и уже черезнесколько мгновений его радостьне знала границ. Так было открытовещество, которое по способностииспускать электроны при нагревене имеет себе равных.

Однако к такому выводу научный мир пришел не сразу. Послетого как А. Венельт опубликовалрезультаты своих опытов, многиефизики занялись их проверкой.Одно за другим в печати появлялисьсообщения, что эмиссионная способность окиси бария сильно преувеличена. Да и самому Венельту большене удавалось подтвердить свое открытие.

Между тем отец Роберта фонЛибена, всячески поддерживая увлечение сына техникой, в 1904 годупокупает ему телефонную фабрикув городе Махрен (ныне Оломоуц,Моравия, Чехия). Здесь Роберт познакомилсяс сотрудниками фабричной лаборатории Евгением Рейцем(Eugen Reisz) и Зигмундом Страусом(Siegmund Strauss, 1875–1942), своими будущими соавторами по созданию усилительных электронныхламп.

Анализируя надежность работытелефонных релейных усилителей,Роберт пришел к выводу о необходимости замены механическихреле другими, более совершеннымиприборами. Это было связано с тем,что релейный усилитель, хотя и могдать очень большой «коэффициентусиления» мощности, обеспечиваягальваническую развязку входаи выхода, но имел невысокое быстродействие и не мог усиливатьаналоговые плавно изменяющиесясигналы, каковыми являются звуковые телефонные сигналы. Для этойцели требовались другие устройства.Будучи физиком, Роберт был в курсепоследних достижений в области газоразрядных приборов и знал о работах своего соотечественника АртураВенельта. (Последний с 1904 годабыл профессором физики в Нюрнбергском университете, а после переезда в Берлин в 1906 году пребывал в той же должности в столичномуниверситете вплоть до 1934 года).


Катодно-лучевое реле Р. Ф он Либена.
Немецкий патент № 179807
от 4 марта 1906 г.

Поэтому не удивительно,что Р. Либен для усиления звуковых телефонных сигналов решилразработать прибор на основе катодной трубки Брауна-Венельта.В результате напряженных исследований Роберт фон Либен конструирует усилительную электронную ламторую получает немецкий патентза № 179807 от 4 марта 1906 года,где лампа названа «катодно-лучевымреле». Отсюда и пошло последующееназвание электронных ламп — «катодное реле», которое долгое времяиспользовалось в радиотехнике.Формулировка изобретения быласледующей: «Катодно-лучевое релеэлектрических волн для большихчастот, отличающееся тем, что медленные катодные лучи, исходящиев известной степени из катода с вогнутымотражателем, покрытогонакаливаемым металлическим оксидом, находятся под влиянием усиливаемых электроволн таким образом,что они вызывают в электрическойцепи (контуре) волны одинаковойчастоты, но более высокой амплитуды».

В патенте Р. Либена впервыесформулирован принцип усиленияэлектрического сигнала в вакуумнойэлектронной лампе. Заметим, что этапервая усилительная электронная вакуумная лампа имела, кроме катодапрямого накала, анода, управляющего электрода, еще и катушку индуктивности, что не позволяло назватьее трехэлектродной лампой, котораяпотом стала доминирующей в радиотехнике. Конструкцию лампыэтого типа немецкий ученый предложил позже, после того как сталоизвестно о работах американца Ли де Фореста.

Появившаяся усилительная лампаполучила название «трубка Либена»,но иногда ее называли и «лампойЛибена». При ее практическомвнедрении встретились некоторыетрудности но, невзирая на это, лампабыла опробована в качестве усилителя звукового сигнала в телефониивместо реле и, что важно, доказаласвою работоспособность.

От газовой горелки —к аудиону

Если отец изобретателя немецкой электровакуумной лампы Роберта фон Либена не чинил препятствий сыну в занятиях наукой, то родитель будущего американского изобретателя электровакуумной лампы Ли де Фореста (1873–1961) после окончания сыном школы настаивал на том, чтобы тот связал свою карьеру с получением духовного сана, поскольку сам был священником Первой конгрегационной церкви в городе Каунсил Блафс (штат Айова, США). Однако молодой человек настоял на своем и в 1893 году поступил в Шеффилдскую научную школу Йельского университета (Sheffield Scientific School of Yale University). Это было одно из немногих учебных заведений США, дающих первоклассное научное образование.

За время учебы в колледже Липроявил себя как скромный, трудолюбивый и очень способный к наукам студент. Такой склад характера, однако, не помешал ему в будущем стать большим жизнелюбоми жениться официально четыре раза.Примечательно, что последняя женаЛи де Фореста, Мария, увлекаласьрадиолюбительством и даже имеласобственный позывной (WB6ZJR).

Молодой де Форест, познакомившись с работами Герца и Маркони,увлекся изучением распространенияэлектромагнитных волн. В 1899 годуон защитил диссертацию по физике (Ph. D. in physics) на тему «Отражениегерцевых волн с концовдвухпроводной линии» («Reflectionof Hertzian Waves from the Ends ofParallel Wires»). Эта научная работасчитается первой в США диссертацией по радиосвязи.


Радиоприемник «Responder»
(электролитический детектор)
Ли де Фореста. 1900 г.

Через год Ли поступает на работу в чикагскую Western ElectricCompany, в отдел генераторов постоянноготока. Вслед за этим —в телефонный сектор, а потом —в экспериментальную лабораторию. В это время он разрабатываетконструкцию электролитическогодетектора герцевых волн (так тогда называли радиоволны), а такжепроектирует генератор переменноготока. Но затем, не проработав и года, уходит из компании и в 1901 годуосновывает собственную фирму — American De Forest WirelessTelegraph Co. (впоследствии UnitedWireless Telegraph Co.). Компания Лиде Фореста начинает изготовлениерадиоприемников с электролитическим детектором под названием«Responder», предназначенныхдля бизнесменов и военных. Вскорефирма обанкротилась — аппаратыоказались ненадежными и часто ломались. Кроме того, бизнесменом Либыл неважным и его неоднократнообманывали деловые партнеры.


Роберт Бунзен. 1850 г.

Однако попытку создать надежныйдетектор для качественного приемарадиоволн де Форест не оставили продолжал серию экспериментов,которые подтолкнули его к изобретению усилительной электровакуумной лампы. Придя к выводу о том,что детектор должен содержать нагревательный элемент, он еще болееутвердился в этой мысли, когда провел эксперименты с бунзеновскойгорелкой. Своим названием горелкаобязана немецкому химику Роберту Бунзену (Robert Wilhelm Bunsen,1811–1899, член-корреспондентПетербургской АН с 1862 г.), которыйизобрел ее в 1850 году. Особенностьгорелки заключалась в том, что газв ней смешивался с воздухом передсжиганием, а не в точке сжигания.Горелка не коптила и позволяла регулировать величину пламени.


Бунзеновская горелка
Роберта Бунзена

В 1903 году де Форест обнаружил,что детектором могут служить нагретые электроды, расположенныена некотором расстоянии другот друга. В этом его убедил эксперимент, в котором в пламя бунзеновской горелки поместили дваэлектрода. К одному электроду былаподключена антенна, а к другому —земля и, параллельно электродам,батарея с наушниками. При приемеантенной радиоволн в телефонах появлялся четко выраженный сигнал.В такой необычной схеме нагретыеэлектроды и батарея выполнялифункции детектора и усилителя.


Радиоприемник Ли де Фореста
с бунзеновской горелкой. 1903 г.

Удивительно, но этот прибор позволил принять радиосигналы с корабля, находившегося в бухте возлеНью-Йорка. Конечно, конструкцияустройства была еще весьма далека от совершенства — это понимали сам изобретатель. «Было очевидно,что для судовой радиостанции приспособление с газовым пламенемнеприемлемо, — записал он в дневнике, — поэтому я стал искать способ нагревать газ непосредственноэлектрическим током».

Скоро Ли де Форест установил,что нет нужды нагревать два электрода, достаточно делать это с одним,а другой сохранять холодным. Послеэтого он видоизменил устройство,поместив всю конструкцию в герметичный стеклянный баллон,из которого был откачан воздух.В качестве нагревательного электрода была использована угольнаянить, вблизи которой располагаласьплатиновая пластинка. Нагрев нитиосуществлялся от специальной электрической батареи. Для увеличениявоздействия радиоволн на газ экспериментатор обернул баллон лампыкуском фольги. А третий электродсоединил с антенной — именнона него подавался радиосигнал.Фольга и была тем третьим элементом, который привел Ли де Форестак великому изобретению.

Вот как об этом говорил сам ученый: «В этот момент я сообразил,что эффективность лампы можетбыть еще увеличена, если этот третий электрод поместить внутри ее…Третий электрод не должен быть сплошной пластиной. В соответствиис этим я снабдил Мак-Кэндлесса(Henry W. McCandless, владелецкомпании McCandless Lamp Co,которая изготовляла по заказу Лиде Фореста первые конструкцииламповых триодов в виде сферыс 1906 по 1916 год) небольшим куском платины, перфорированныммножеством маленьких отверстий.Эта лампа работала во много разлучше предшествующих, но чтобыупростить конструкцию, я решилизготовить третий электрод в формерешетки из простого куска проволоки, изогнутого в различных направлениях, и поместить его как можноближе к нити накаливания». Теперьнебольшие изменения напряженияна сетке приводили к большим изменениям тока в анодной цепи лампы.Форма колебаний тока в аноднойцепи была такая же, как и в случаеколебаний напряжения на сетке, —происходило усиление сигнала.В опытном образце лампы для нитинакаливания использовалась батарея напряжением 6 В, а для аноднойцепи — батарея на 22 В. Если теперьв анодную цепь лампы включаласьнагрузка (например, телефон, резистор, колебательный контурили трансформатор), то получалсяусилитель на электронной лампе.


Аудион — трехэлектродная лампа
Ли де Фореста. 1906 г.

В результате исследований Лиде Фореста была создана электровакуумная усилительная радиолампа,содержащая три электрода: анод,сетку и катод. Другими словами,в попытке обеспечить потребностьбеспроволочной телеграфии иметьпосле приема более сильный сигналрадиостанций в сравнении с существовавшимитогда конструкциями детекторов, ученый изобрел трехэлектродную лампу, в которой управление анодного тока осуществлялосьс помощью изменения электрического потенциала сетки. (Заметим,что созданная ранее «лампа Либена»для радиоприема не задумывалась,а предназначалась исключительнодля усиления звуковых сигналовтелефонных линий.)


Патент США № 841387
от 25.10.1906 г.,
выданный Ли де Форесту
на трехэлектродную лампу

25 октября 1906 года американскийинженер Ли де Форест подал заявкуна изобретение и 15 января следующего, 1907 года получил патентСША за № 841387 на «Устройстводля усиления слабых электрических токов» («Device for AmplifyingFeeble Electric Currents»). Автор назвал свое изобретение «аудион» (отлатинского слова «аудио» — «слушаю»). В № 1665 журнала «ScientificAmerican Supplement» за ноябрь того же года была опубликована егостатья «Аудион — новый приемникбеспроволочной телеграфии» («Theaudion — a new receiver for wirelesstelegraphy»).


Аудионный радиоприемник Ли де Фореста.
Патент США № 879532 от 18.02.1908 г.

Через две недели, 29 января1907 года, де Форест подает заявкуна следующее важное изобретение — аудионный радиоприемники 18 февраля 1908 года получает патент№ 879532. Нужно заметить, что онбыл очень плодовитым изобретателем, получив за свою жизнь более 300патентов. Конструкция этого приемника была запатентована и в России — под названием «Вибрационныйдетектор для приемной радиотелеграфной станции» («Привилегия№ 21046 от 29.02.1912»).

Первые конструкции аудионовлишь немного усиливали принимаемый сигнал, но все же радиоприемники на их основе давализначительно более громкий звук,чем с использованием «вентиляФлеминга». Новый тип лампы покаеще не годился для использованияв радиопередатчиках — аудионыбыстро изнашивались и дорого стоили, что на первых порах сдерживалоих внедрение в радиотехнику.

 

Идеи аудиона в развитии
Катодное реле конструкции Роберта фон
Либена, Е. Рейца и З. Страуса. Немецкий
патент № 236716 от 04.09.1910 г.

Аудионный радиоприемник. 1907 г.

Введение в двухэлектроднуюлампу всего лишь одного дополнительного электрода, сетки, произвело в радиотехнике настоящуюреволюцию и указало ученым путьпостроения новых усилительныхрадиоламп. Австрийский физикРоберт фон Либен, узнав об изобретении аудиона, пересмотрелсвои взгляды на построение электровакуумных усилительных лампдля телефонных линий и началвводить в свои новые конструкциикатодных реле сетки, отказавшисьот магнитных катушек для управления анодным током.

4 сентября 1910 года он вместес Е. Рейцем (Eugen Reisz) и З. Страусом (Siegmund Strauss) запатентовалсразу две новые конструкции катодных реле: «Relais fur undulierendeStrome, bei welchem durch die zuverstarkenden Stromschwankungen einlonisator beeinflubt wird» («Реле генерирующего тока, в котором усилениетока осуществляется ионизатором») —патент № 236716 и дополнение к предыдущему изобретению — патент№ 249142 на «Relais fur undulierendeStrome» («Реле генерирующего тока»).В частности, патентом № 249142 былаузаконена оригинальная конструкциятриода, отличного от конструкцииЛи де Фореста. В триоде немецкогоизобретателя сетка располагаласьв центре стеклянного баллона и былавыполнена в виде круга, изготовленного из перфорированного алюминиевого листа. Катод лампы покрывалсяслоем окиси бария для увеличениятока эмиссии. Его крепление былосделано на стеклянной ножке, подобно осветительным лампам тоговремени. Анод лампы представлялсобой спираль из алюминиевой проволоки. Впечатляют техническиехарактеристики триода фон Либена:длина — 22 см; диаметр — 8,5–10,5 см;коэффициент усиления — 3,5–4; времяжизни — около 400 часов. Кроме того,в баллон лампы вводились пары ртути, которые по замыслу должны былисоздавать дополнительную ионизациюи тем самым увеличивать анодный ток.Новая электронная лампа, согласно патенту 249142, хотя и предназначаласьдля усиления сигналов телефонныхлиний, но в самом описании патентабыло отмечено, что ее можно использовать и в радиотехнике.


Трехэлектродная лампа конструкции Роберта фон Либена, Е. Рейца и З. Страуса.
Немецкий патент № 249142 от 20.12.1910 г.


Трехэлектродная лампа Роберта
фон Либена (1910 г.) в сравнении
с современными радиолампами

Текст соглашения о
создании
«Консорциума Либена»

Дополнительным патентом фонЛибена заинтересовались немецкиерадиотехнические и электротехнические фирмы Siemens и Halske,AEG, Telefunken, Felten и Guillaume.И уже в 1912 году было подписано соглашение о создании консорциума, получившего название«Консорциум Либена», которым предусматривалась передача ему прав,принадлежавших физику Робертуфон Либену на изобретенную имусилительную лампу по патенту№ 249142. На следующий год, 10 апреля 1913 года, сотрудник компанииTelefunken Александр Мейсснер(Alexander Meissner, 1883–1958) запатентовал первый радиопередатчикнезатухающих колебаний на трехэлектродной лампе конструкции фонЛибена. 21 июня состоялась практическая демонстрация радиотелеграфной связи с использованием передатчика, изготовленного согласнопатенту. К великому сожалению, самизобретатель немецкой трехэлектродной лампы Роберт фон Либеноб этом уже ничего не знал, он ушелиз жизни 20 февраля 1913 года послетяжелой болезни.

Трехэлектродные вакуумные лампы конструкции фон Либена еще некоторое время имели применение,в основном в Германии, но все жеименно конструкция Ли де Фореста, оказавшись более технологичнойи перспективной, стала материальной основой, или элементной базой,первой «электронной революции».

Дальнейшеесовершенствованиетрехэлектроднойрадиолампы

Трехэлектродная лампа, став первой в ряду усилительных приборов,послужила основой для дальнейшего совершенствования электронныхламп и, как закономерный итог, привела к рождению новой области науки и техники — электроники.В 1910 году известный английский радиоинженер Уильям Икклз(William Henry Eccles, 1875–1966)предложил для трехэлектродной лампы название «триод». Ему жепринадлежит введение характеристики детектирования, то естьзависимости выпрямленного токаот приложенного напряжения.

Изобретатель вакуумного диода Дж. А. Флеминг (John AmbroseFleming, 1849–1945), узнав об изобретении Ли де Фореста, сказалследующее: «В октябре 1906 годад-р Форест описал прибор, названный им аудионом, который является простым повторением моего,описанного восемнадцатью месяцами раньше. Введенное изменениене дает существенного различияв действиях прибора как детектора».Вскоре, однако, между ними возникпатентный спор по поводу того, считать или нет третий электрод чем-тоновым по сравнению с «пустотнымреле» Флеминга.

На состоявшемся в 1916 году заседании американский суд признализобретение своего соотечественника лишь как изменение конструкции диода и тем самым подтвердилполный приоритет Флеминга визобретении электронной лампывообще. Время же распорядилосьпо-своему и сохранило приоритетсоздателя трехэлектродной лампыза Ли де Форестом. Это имя сегодня стоит в одном ряду с создателемрадиосвязи Александром Поповым,у которого тоже пытались отобратьпальму первенства. Любопытныйфакт. Сказать достоверно, что Попов и де Форест никогда не встречались, наверное, нельзя — по крайнеймере однажды судьба предоставилаим такую возможность. В 1893 годуАлександр Степанович Попов в составе российской делегации прибылна Всемирную выставку в Чикаго.В это же самое время здесь пребывали Ли де Форест, правда в иной, далеко не столь почетной роли. СтудентЙельского университета попроступодрабатывал, катая посетителейна специальном стуле с колесамипо залам выставки. И как знать,не предоставил ли тогда будущийтворец трехэлектродной лампывозможность воспользоваться этойуслугой будущему творцу радиосвязи?

Устройство «вентиля Флеминга» (а) и аудиона Ли де Фореста (б)

Создатель триода Ли де Форест,как и создатель вакуумного диодаДжон Флеминг, прожил долгую интересную жизнь и оставил потомкамнаучные мемуары под названием«Отец радио» (“Father Radio”), которые были изданы в 1950 году.

5 октября 1956 года в Париже состоялось награждение ЛиДе Фореста французским орденомПочетного легиона. При вручениинаграды один из создателей квантовой механики физик Луи де Бройль(Louis de Broglie, 1892–1987) в своейречи сказал: «Специалисты всех областей науки и техники выражаютпризнание и восхищение господинуде Форесту за его гениальное изобретение».

Вначале триод использовалсяв качестве детектора и усилителя, но в дальнейшем стал основой генераторов высокой частоты.На триодах были сделаны первыеусилители электрических токов.Благодаря аудиоусилителям удалось подключить к радиоприемнику громкоговоритель и прослушивать передачи целой аудиторией,в то время как на детекторномприемнике передачи прослушивались только через наушники и исключительно при полной тишине.В 1910 году де Форест провел первую музыкальную радиопередачуиз чикагского театра «МетрополитенХауз» — транслировалась операс участием великого итальянскогопевца Энрико Карузо.

В 1913 году Гульельмо Марконизапатентовал анод радиолампы в виде цилиндра, и электронная лампаприобрела тот вид, в котором мы наблюдаем ее по сей день. Дальнейшееразвитие электронных ламп шлов направлении усовершенствованиякатодов как источника электронов,достижения предельно возможноговакуума и увеличения дополнительных электродов сеток.

Катоды первых радиоламп быливольфрамовые и требовали много электроэнергии для разогрева,так как были заимствованы из осветительных ламп. В 1911 году американский физик-экспериментаторУильям Дэвид Кулидж (WilliamDavid Coolidge, 1873–1975) сделалоксидный катод, предложив использовать в ламповой промышленности вольфрамовую проволоку, покрытую окисью тория. Кроме того,ученый известен как изобретательновой формы рентгеновской трубки(трубка Кулиджа). Он был сотрудником General Electric Company (GE),а с 1905 до 1963 года бессменно возглавлял ее главную электрическуюнаучную лабораторию.

Ирвин Ленгмюр

Электронные лампы того времени были «мягкие», то есть с относительно невысоким разрежениемвнутри баллона, вследствие чегов работе прибора очень большуюроль играла вторичная ионизация.Большой вклад в разработку методов изготовления электронных лампс весьма высоким вакуумом («жестких»), работающих с чисто электронным разрядом, внес сотрудникнаучно-исследовательской лаборатории GE Company Ирвин Ленгмюр(Irving Langmuir, 1881–1957). Триодс высоким вакуумом он назвал«плиотроном» (plyotron).

Интерес Ленгмюра к явлениям,связанным с вакуумом, привел егок изобретению в 1916 году ртутноговысоковакуумного насоса, которыйбыл в 100 раз более мощным, чемлюбой из ранее существовавшихтогда для этих целей насосов. С егопомощью ученому удалось создатьнизкое давление, необходимоедля изготовления «жестких» радиоламп.

Приблизительно в это же время,занимаясь исследованием способности испускания электронов узкойпластинкой вольфрама, покрытойоксидом тория, Ленгмюр обнаружил новый эффект. Он состоял в том,что вольфрамовая нить «ведет себялучше всего», если она покрытаслоем оксида тория толщиной всего в одну молекулу. Применительнок радиолампам такое покрытие понижает температуру катода и способствует его нормальной работе.Это открытие заставило ученогообратиться к изучению поверхностных явлений — молекулярнойактивности, которая наблюдаетсяв тонких покрытиях или на поверхностях. И в 1932 году он удостоилсяНобелевской премии «за открытияи исследования в области химии поверхностных явлений».

В результате исследований, проведенных Ирвином Ленгмюром,удалось значительно повыситьэкономичность существовавшихкатодов, однако усовершенствование катода на этом не закончилось.В период своих исследований ученый скон струировал очень важнуюдля радиотехники двухэлектроднуюлампу, получившую название «кенотрон», которая нашла применениев выпрямителях источников питания.

Интересно заметить, что с 1903по 1906 год Ленгмюр занималсянаучной работой в Геттингенскомуниверситете под руководствомпрофессора В. Нернста, у которогодо этого работал будущий создательпервой усилительной электровакуумной лампы Роберт фон Либен.В университете Ленгмюр защитилдокторскую диссертацию (1906 г.),которую посвятил исследованиюзависимостей свойств металлических нитей от их способности горетьв различных газах. Только в результате исследований этого ученоготехника электронных приборов получила свой современный вид.

Первые триоды имели низкийкоэффициент усиления и большуюемкость между анодом и сеткой,что оказывало вредное влияниена работу лампы в диапазоне высоких частот. Изучением и устранением этих недостатков, а затем и возникших новых проблем занималисьученые в разных странах.

Вторая сетка в триоде заняла своенынешнее место в внутри лампыне сразу. По мере расширения знаний об особенностях работы триода становились известны и новыефизические явления, оказывающиенегативное воздействие на работулампы. В связи с этим ученые, которые работали над устранением недостатков триода с помощью установкивторой сетки, помещали ее в разныеместа внутри лампы, надеясь такимспособом улучшить ее работу.

Первым ввел новую сетку в триод Ирвин Ленгмюр. Случилось этов 1913 году. Ее он расположил околокатода и подал на нее небольшойположительный потенциал. Рольэтой сетки, названной катодной, заключалась в ослаблении действияотрицательного пространственногозаряда, что позволяло значительноуменьшить напряжение на аноделампы.


Усилитель на триоде
с экранной сеткой
конструкции
В. Шоттки, 1916 г.

В 1914 году научный сотрудниклаборатории Weak Current CableLaboratory компании Siemens andHalske Вальтер Шоттки (WalterSchottky, 1886–1976), кстати, ученикМакса Планка, работая над проблемой повышения коэффициентаусиления триода, обнаружил зависимость термоэлектронной эмиссииот внешнего электрического поля,ускоряющего электроны. В случаекогда эмиссирующая поверхностькатода неоднородна и на ней есть«пятна» с различной работой выхода электронов, над поверхностьювозникает электрическое «поле пятен». Это поле тормозит электроны,вылетающие из участков катодас меньшей, чем у соседних, работойвыхода, что и приводит к уменьшению усиления лампы. Открытое явление получило название «эффектаШоттки». Теоретически обосновавприроду этого эффекта, ученыйсделал вывод, что для увеличениякоэффициента усиления триода надоослабить влияние поля анода на катод по сравнению с влиянием полясетки при одновременном поддержании поля постоянного тока у катода.Одним из методов решения проблемыявилась установка второй сетки вблизи анода. В 1915 году ученый предложил конструкцию усовершенствованного триода лампы с экраннойсеткой, в котором влияние открытогоэффекта было несколько ослаблено.На эту радиолампу 17 июня 1916 годаВальтер Шоттки получил немецкийпатент № 304236. Запатентованнаялампа была названа «экранированной лампой», или «тетродом», по числу электродов («тетра» по-гречески«четыре»).

Исследования по усовершенствованию триода велись и в лаборатории американской компании GE научными сотрудниками А. В. Халлом (Albert W. Hull,1880 –1966) и Н. Х. Вильямсом(N. H. Williams). В 1924 году этиученые работали над исследованиемвлияния эффекта Шоттки на устойчивость усиления колебаний высокой частоты триодом. В результатеанализа полученных результатовони пришли к выводу о необходимости введения «экранирующей»сетки между анодом и управляющей сеткой триода, что позволило бы резко уменьшить проходнуюемкость (между анодом и управляющей сеткой) и тем самым получитьустойчивое усиление. Результатыисследований были опубликованыв американ ском журнале “PhysicsReview” № 25 в 1925 году и вскоренашли применение при конструировании радиоприемников.


Каптейн Раунд,
сотрудник Marconi
Company. 1926 г.

Тетрод S625
конструкции Раунда.
1927 г.

В 1926 году сотрудник MarconiCompany англичанин Каптейн Раунд(Captain H. J. Round, 1881–1966)запатентовал конструкцию радиолампы с двумя сетками, отличную от конструкции В. Шоттки.Вторая сетка в ней располагаласьуже между анодом и управляющейсеткой. На следующий год MarconiCompany изготовила промышленныйобразец тетрода под маркой S625 конструкции К. Раунда. Особенностьконструкции этого тетрода в том,что выводы анода и управляющейсетки внутри лампы тщательно экранированы и размещены на противоположных частях баллона (верхнейи нижней), что позволило дополнительно уменьшить проходную емкость. Заметим, что в тетроде конструкции В. Шоттки все выводы быливыведены на одну сторону — цокольлампы.

Введение дополнительной сеткипривело к уменьшению собственнойемкости «управляющая сетка —анод» (примерно в 100 раз), что позволило не только существенноулучшить работу лампы на высокихчастотах, но и увеличить (примернона порядок) коэффициент усилениялампы без уменьшения анодноготока и без сдвига рабочего участкаанодно-сеточной характеристикив сторону больших сеточных напряжений при заданном напряжении на аноде. Это в значительнойстепени позволило снять проблемунестабильной работы лампового каскада. Marconi Company и GE началипродажу тетродов в Англии на годраньше, чем в США.

Введение второй сетки, хотя и позволило получить очень большойкоэффициент усиления, доходящийдо 500–600, что во много раз больше, чем у триода, однако привелок появлению в лампе динатронного эффекта — явления выбиванияиз анода вторичных электронов.

В 1928 году специалисты голландской компании Philips Г. Хольст(G. Holst) и Б. Теллеген (В. D. Tellegen)ввели третью сетку между анодоми экранирующей сеткой, соединивее с катодом. Новая сетка, позволившая избавиться от динатронного эффекта, получила название защитнойили противодинатронной. Иногдаее называют пентодной. Созданнаялампа с пятью электродами (катод, анод и три сетки) была названапентодом (от греческого «пента» —«пять»). Она позволила значительноулучшить радиоприем и пользовалась популярностью при усилениикак высоких, так и низких частот.Компания Philips быстро наладиламассовое производство пентодов.


Профессор Ленинградского
политехнического института
А. А. Чернышев

Важным шагом в дальнейшемсовершенствовании катодов радиоламп стала предложеннаяв 1921 году конструкция подогреваемого катода с питанием от переменного тока, которую разработалпрофессор Ленинградского политехнического института АлександрАлексеевич Чернышев (1882–1940).Это свое изобретение автор защитил патентом СССР, полученным имв 1925 году. Использование подогреваемого катода с питанием от переменного тока явилось серьезным достижением в электронной технике.Интересно, что в 1923 году другойнаш ученый, Александр ЛьвовичМинц (1895–1974), получил патентна катодный усилитель с лампамипрямого накала, с питанием усилительной лампы от переменноготока.

Появление конструкций супергетеродинных приемников потребовало создания многосеточныхэлектронных ламп. В 1932 годуродился гексод («гекса» по-гречески «шесть»: лампа имела шестьэлектродов, четыре из которых —сетки). Гексоды использовалиськак смесительные лампы в супергетеродинных приемниках.Добавление к гексоду еще однойсетки дало возможность получитьпреобразовательную лампу, у которой в одном баллоне помещалисьсмеситель и гетеродин. Новинкуназвали гептодом («гепта» по-гречески «семь»). Гептоды выполнялись двух разновидностей, в зависимости от расположения сеток.Первый вариант: первая от катодасетка относится к управляющейгенераторной части, следующаяза ней — анод генераторной части, третья сетка — экранирующая. Остальные элементы лампыотносятся к ее смесительной части. Отечественные лампы этоготипа — 6А8 и СО-242. Второйвариант этой лампы появилсяв 1933 году и назывался «пентагрид», в нем экранирующая сеткаодновременно выполняла функциианода генератора, а сетка междуанодом и сигнальной сеткой являлась защитной. К лампам второготипа относятся 1А1П, 1А2П, 6А7,6А10С и 6А2П.

Наряду с многосеточными частотопреобразовательными радиолампами появились такие, у которыхв одном баллоне находился триод в комбинации с другим типомламп. Эти лампы стали называтьсякомбинированными. Тетроды через некоторое время практическибыли вытеснены пентодами и лучевыми тетродами. Первые лучевыететроды появились в 1936 году.Для подавления динатронного эффекта в них использовались специальные электроды, с помощью которых основной поток электроновфокусировался в узкие пучки —«лучи», и в результате этого вблизи анода создавался пространственный заряд, который препятствовалпопаданию вторичных электроновиз анода на экранирующую сетку.Лучевые тетроды хотя и не имелизащитной сетки, но обладали лучшими характеристиками, чем пентоды, так как позволяли развиватьбольшие анодные токи при сравнительно низком анодном напряжении. Лучевые тетроды нашли применение главным образом как генераторные лампы в передатчиках,а также в усилителях звуковойчастоты. Примером отечественныхламп этого типа являются выходные лучевые тетроды 6П1П, 6П3С,6П6С и др.

Устройство и принцип действия лучевого тетрода

Н. Д. Папалекси

Первая усилительная трехэлектродная электронная лампа былаизготовлена в России в конце августа — начале сентября 1914 года.Сконс т руирова л ее НиколайДмитриевич Папалекси (1880–1947),научный консультант лабораторииРусского общества беспроволочныхтелеграфов и телефонов (РОБТиТ)в Петрограде. История этого изобретения такова. В июле 1914 года,встревоженный обстановкой накануне первой мировой войны, ученый вернулся на родину из Германии, где в Страсбургском университете работал под руководствомнемецкого физика К. Ф. Брауна,и сразу принялся за работу над лампой, предназначенной для усилителей армейского радиотелеграфа.Конструкция получила название«лампа Папалекси». Из-за несовершенства высоковакуумных насосовоткачки в ее баллоне имелось некоторое количество воздуха с примесью паров ртути.

В начале тридцатых годоввспыхнул бум на автомобильныеприемники. Специально для нихв 1935 году были разработанытак называемые «металлические»лампы — с металлическим баллоном, так как обычные стеклянныене выдерживали вибрации и быстро выходили из строя. Новые лампыбыли рассчитаны на непосредственное питание от аккумуляторной батареи автомобиля, которая в то время состояла из трех последовательно соединенных аккумуляторовпо 2,1 В (сегодня автомобили имеют шесть таких батарей). Исходяиз этого и было выбрано напряжение для нитей накала радиоламп.(У всех современных электронныхламп напряжение накала нити6,3 В. ) Автомобильные ламповыерадиоприемники того времени весили 8,5–12 кг. Часто на приборномщитке размещался только пультуправ ления радиоприемником,а сам аппарат прятался где-нибудьв глубине салона. От ручек настройки и регулировки громкости к нему шли стальные тросы. Считалось,что антенны портят вид автомобиля, поэтому их тоже прятали, протягивая между крышей и потолкомна кабриолетах — в тенте или попросту под подножкой.


Магнитные системы
клистрона конструкции
ООО «НПК ММС»

В последние 30 лет ХХ векаэлектронные лампы подверглисьзначительному усовершенствованию. Были созданы миниатюрныеи сверхминиатюрные лампы высокого качества, которые и по сейдень продолжают во многих случаях удерживать свои позиции (неоставляя, например, никаких шансов полупроводникам в мощных радиопередатчиках). Так, памятнымдля телезрителей НТВ в Санкт-Петербурге оказался 1996 год, когда у их передатчика вышла из строяспециальная лампа — клистрон.Покупка этой лампы в то времяобошлась телекомпании почти в 80 млн рублей (примерно $16 тыс.).Причем изготовитель этой лампы московский завод «Титан»дает гарантию на ее работу всего1000 часов (1,5 месяца). И этопри такой высокой стоимости изделия. И когда лампа передатчикаНТВ, проработав 1900 часов, сновавышла из строя в 1997 году, былорешено демонтировать старый передатчик вовсе и установить вместонего другой, новейшей конструкции — на клистроне.

Последние два десятилетия отмечены электровакуумным ренессансом и в аудиотехнике. Проблемав том, что осталось очень малофирм, производящих радиолампы,причем сосредоточены они в основном в России. Таким неожиданно приятным образом нашетрадиционное технологическое10–20-летнее отставание обернулосьне недостатком, а преимуществом.А дело все в том, что современныеэлектронные приборы, основанныена транзисторах, не могут надежноработать в условиях экстремальных температур, сильных световых потоков и радиации, с подобной задачей могут справиться только вакуумные приборы.

Схема магнитной периодической фокусирующей системы лампы бегущей волны

Современные исследованияв развитии вакуумной радиотехники сосредоточились на применении так называемых иллотропныхструктур углерода 60. Свойстваэтих структур позволили, в частности, использовать их при создании жидких кристаллическихэкранов, аналогичных нынешнимвысококачественным телевизионным панелям. Один из саратовских радиозаводов уже готовится к производству подобнойпродукции. Второе направлениеразвития вакуумной радиотехники — создание ламп бегущейволны с конфигурацией в виденебольшого куба.

В заключение автор хотел бы выразить слова благодарности господину Гансу-Томасу Шмидту (Hans-Thomas von Schmidt) из Мюнхеназа участие в обсуждении некоторыхвопросов истории радиоэлектроники и высказанные им при этом полезные замечания, которые нашлиотражение в этой статье.

Литература

  • — сайт von H. -T. Schmidt.
  • Флеминг Д. А. Новые шаги в развитии телеграфирования с помощью электрических волн/ СПб. Сборник «Электрические колебания и волны». Вып. 1, 1910. С. 50–51.
  • Энциклопедический словарь «Гранат». Изд. 13-е, т. 24. М., 1914. Кинематограф // Приложение.
  • Robert von Lieben. Kathodenstrahlenrelais. Deutsche Patentschrift Nr. 179 807, vom 4. Marz 1906.
  • Robert von Lieben, Deutsche, Eugen Reisz und Siegmund Strauss. Relais fur undulierende Strome, bei welchem durch die zu verstarkenden Stromschwankungen ein lonisator beeinflubt wird. Patentschrift. Nr. 236 716, vom 4. September 1910.
  • Robert von Lieben, Deutsche, Eugen Reisz und Siegmund Strauss. Relais fur undulierende Strome. Deutsche Patentschrift. Nr. 249 142, vom 10. 20 Dezember, 1910.
  • Lee de Forest. Device for amplifying feeble electric currents. US Patent Nr. 841 387, eingereicht am 25. Oktober 1906, erteilt am 15. Januar 1907.
  • De Forest. The Audion. A New Receiver for Wireless Telegraphy (Parts I and II). Scientific American Supplement No. 1665, November 30, 1907, pp. 348–350; Scientific American Supplement No. 1666, December 7, 1907, pp. 354–356.
  • Lee de Forest. Space Telegraphy. US Patent Nr. 879 532, eingereicht am 29. Juni 1907, erteilt am 18. Februar 1908.
  • Митчелл Уилсон. Американские ученые и изобретатели. М.: Знание, 1964. С. 129.
  • Минц А. Л. Катодный усилитель с питанием усилительной лампы переменным током. Патент СССР № 685, кл. 21а. Заявл. 17.04.1923.
  • Чернышев А. А. Патент СССР № 266, кл. 21d, 13Q4. Способ нагрева эквипотенциального катода в электронных вакуумных реле. Заявл. 24.05.1921, № 74742 // Свод патентов на изобрет. 1925. Вып. 10. С.1
  • Статья опубликована в журнале «IT news» № № 20, 22 2006 г.
    Перепечатывается с разрешения редакции.
    Статья помещена в музей 17.05.2007






    Рекомендуемый контент




    Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.