Жестокая борьба за существование
Появление полупроводников поначалу не посеяло паники среди создателей электровакуумных приборов. Электрические параметры первых транзисторов из-за несовершенства технологии сильно отличались от экземпляра к экземпляру. А среди радиоламп и в то время были свои «лилипуты».
Еще в 1934 году Ю. А. Кацман и А. А. Шапошников предложили конструкцию «штабельной лампы»: на керамических рамках крепились отдельные электроды, потом рамки складывались штабелем. Специалистам американской фирмы «Дженерал электрик» удалось, идя по этому пути, создать лампы диаметром 1 мм. Затем попытались создать так называемые планарные лампы, все электроды которых находились в одной плоскости: на участки подложки наносили слой металла, и электроны летели с пленки-катода на пленку-анод над пленкой-сеткой. Интересным оказался гибрид штабельной и планарной ламп: пленочный анод наносили на одну керамическую пластину, а катод и сетку — на другую. Их можно было разместить на подложках с высокой плотностью, а работали они при температурах до 500°С.
Но полупроводниковая технология шла семимильными шагами, и электронные лампы стали вымирать, как динозавры.
Кстати, между судьбами древних ящеров и радиоламп можно провести забавную параллель. Если среди выживших пресмыкающихся оказались лишь маленькие (самым крупным, пожалуй, является крокодил), то в случае с радиолампами все получилось с точностью до наоборот. Востребованными оказались электронные монстры метровых размеров. Почему это произошло?
Физические принципы работы транзисторов не позволяют создать мощные полупроводниковые приборы, работающие на сверхвысоких частотах. Для отвода тепла нужно иметь довольно большую площадь р—n-перехода. Это в свою очередь увеличивает емкость, и на высоких частотах коэффициент усиления падает. Кроме того, чем больше мощность, тем больший заряд возникает в области р—n-перехода, и за время периода колебаний он не успевает рассасываться, то есть носители его — электроны и дырки — не успевают, говоря на профессиональном языке, рекомбинировать.
А вот среди радиоламп 30—40-х годов были такие, которые оказались способны генерировать и усиливать сигналы с частотой в сотни мегагерц. Эти очень необычные устройства предназначались для радиолокаторов.
У обычных электровакуумных триодов, как и у транзисторов, верхняя рабочая частота ограничена. Ведь несмотря на высокую скорость электронам требуется какое-то время, чтобы пролететь от катода до сетки. Если это время больше периода изменения напряжения на сетке, то электрон не успеет добраться до анода. Кроме того, на высоких частотах начинают играть роль межэлектродные емкости и индуктивности выводов, искажая сигнал.
Традиционный способ модуляции электронного пучка по интенсивности на определенном этапе себя исчерпал. Требовалось нетривиальное решение.
Электронный прибой
Выход нашли изобретатели братья Р. и З. Варианы, В. Хан и Г. Метклаф, наблюдая на море за накатывающими на берег волнами прибоя. Поэтому придуманную ими лампу они назвали клистроном, что в переводе с греческого означает «удар волны».
По законам физики переменный электрический ток возбуждает в пространстве электромагнитное поле, которое в свою очередь наводит эдс в расположенном поблизости проводнике. На явлении электромагнитной индукции построена вся радиосвязь. Это же явление положено в основу работы клистрона.
Здесь нам придется вспомнить еще об одном явлении — резонансе. Резонанс электромагнитных колебаний возникает в колебательном контуре, состоящем из индуктивности и емкости. Чем меньше индуктивность и емкость, тем выше резонансная частота контура. Для очень высоких частот контур состоит из двух пластин, соединенных проводником. Правда, такой контур сильно излучает энергию в пространство. Однако если его закрыть со всех сторон металлом (экранировать), то излучение уменьшится. Представим, что к одному проводу добавился второй, третий, четвертый и так далее, — в конце концов получится фигура, напоминающая тор, и она сможет играть роль экрана.
Этот контур, называемый объемным резонатором, не только не излучает, но и не возбуждается внешним полем. Но стоит проделать в пластинах центральные отверстия и пустить сквозь них электрон, как на пластинах появится напряжение (хотя и очень-очень маленькое). Вот если бы электронов было сразу много, то и напряжение оказалось бы высоким.
Теперь вообразите электровакуумный прибор, в котором, как в кинескопе, есть электронная пушка, формирующая пучок электронов. На его пути поместим объемный резонатор, соединенный с источником высокочастотных колебаний. Пролетая сквозь него, электроны будут либо ускоряться, либо тормозиться — это зависит от направления поля в зазоре в данный момент времени.
Проследим, что происходит с электронным пучком дальше. Чтобы наглядно представить себе это, достаточно сравнить летящие электроны с забегом на длинную дистанцию с раздельным стартом, причем в этом забеге среди бегунов есть мастера, разрядники и начинающие. Очень скоро участники разобьются на группы, состав которых будет постоянно меняться, а численность групп будет оставаться примерно постоянной. Так же ведут себя электроны, промодулированные по скорости в зазоре резонатора. Они летят не равномерным потоком, а сгустками. Чем не переменный электрический ток? Другими словами, модуляция по скорости превратилась в модуляцию по плотности.
Осталось поместить на пути пучка еще один резонатор, в котором электроны будут наводить теперь уже весьма значительные напряжения. Это и есть клистрон. Лампа работает как усилитель с коэффициентом усиления 40—65 дБ, а мощность выходного сигнала в импульсе может достигать десятков мегаватт.
Если на пути пучка электронов оставить один резонатор, а за ним поместить отрицательно заряженный отражательный электрод, возвращающий электроны в зазор резонатора, то получится генератор. Инициировав колебания в резонаторе, мы модулируем пучок по скорости, электроны собираются в группы, которые окончательно формируются при возвращении пучка к резонатору (фазу можно регулировать, изменяя потенциал отражательного электрода) и поддерживают колебания.
Такой тип клистрона, названный отражательным (в отличие от усилительного, который называют пролетным), изобрели в 1940 году советские инженеры В. Ф. Коваленко, Н. Д. Девяткин, Е. Н. Данильцев и И. В. Пискунов. Он развивает небольшую мощность (несколько ватт), и в ряде случаев вместо него можно использовать полупроводниковые приборы, но в диапазоне миллиметровых волн отражательный клистрон до сих пор дает фору полупроводникам.
Наперегонки с электромагнитной волной
Родовое свойство клистронов состоит в том, что они хорошо усиливают колебания той частоты, на которую настроены объемные резонаторы. А можно ли сделать лампу, которая, как обычный триод, усиливала бы колебания сверхвысоких частот в некотором диапазоне? Рудольфу Компфнеру, сотруднику Лаборатории Белла это удалось. В 1944 году он изобрел лампу, в которой электронный пучок модулировался бегущей электромагнитной волной. На первый взгляд это невозможно: волна бежит со скоростью света, а электроны, даже разогнавшись в поле напряжением в несколько тысяч вольт, движутся по крайней мере в 10 раз медленнее.
Компфнер сумел «замедлить» волну: его лампа представляет длинную колбу, вдоль которой идет спираль. По ней волна несется действительно со скоростью 300 000 км/с, а вот скорость ее распространения вдоль оси гораздо меньше, а именно во столько раз, во сколько длина витка спирали больше ее шага. В нижней части лампы, где располагается входной конец спирали, находится электронная пушка. Создаваемый ею пучок электронов взаимодействует с полем волны, которое модулирует электроны по скорости: половину периода волна ускоряет электроны, а другую половину периода тормозит.
Как и в клистроне, электроны собираются в группы и, продолжая дрейфовать вдоль спирали, наводят в ней ток, подпитывающий волну; сами электроны при этом постепенно теряют энергию. Чем длиннее спираль, тем выше мощность волны на выходе и соответственно коэффициент усиления лампы. Здесь большие размеры не только не мешают, а даже помогают усиливать сигнал.
Если подать на спираль волну другой длины, то по сути ничего не изменится, только расстояние между электронными сгустками будет другое, то есть коэффициент усиления мало зависит от частоты сигнала.
Лампы бегущей волны (ЛБВ) работают на частотах от 300 МГц до 300 ГГц, а их коэффициент усиления достигает 50 дБ.
Помимо «чистых» конструкций клистрона и ЛБВ в технике применяются их гибриды. В одном из них пучок модулируют бегущей волной, а выходной сигнал снимают с резонатора. В другом, наоборот, модуляция происходит в зазоре резонатора, а потом сгустки электронов наводят волну в спирали.
От радара к микроволновой печи
Область применения клистронов и ЛБВ не очень велика: это УКВ- и телевизионные передатчики, радиолокаторы, устройства спутниковой связи. Их изготавливают в незначительных количествах. Но есть тип мощных СВЧ-приборов, ежегодный выпуск которых достигает десятков миллионов. Речь идет о магнетронах — главной детали микроволновых печей. Реализация технических идей, комплекс которых позже воплотился в конструкции магнетрона, шла поэтапно. В этом процессе принимали участие начиная с начала 20-х годов А. Холл, Яга и Окабе, Г. Бут, Дж. Рендалл, М. С. Нейман. Сам прибор появился в 1939 году усилиями Н. Ф. Алексеева, Д. Е. Малярова и В. П. Илясова.
По своей сути магнетрон — это диод. В нем всего два электрода — концентрически расположенные анод и катод. Однако параллельно их оси приложено сильное магнитное поле. Вылетающие с катода электроны испытывают влияние электрического поля анода и постоянного магнитного поля. Анод тянет их к себе, а сила Лоренца изгибает траекторию. Если индукция очень велика, то электроны, круто повернув, вынуждены будут вернуться на катод. При меньшей индукции под действием этих скрещенных полей они начинают двигаться по расширяющейся спирали и, будь анод простой цилиндрической формы, через некоторое время попали бы на его поверхность. Однако в медном аноде вырезаны полости, представляющие собой объемные резонаторы.
Электроны, минуя щели резонаторов, наводят в них ток, теряя при этом часть энергии. Возникающие электромагнитные колебания модулируют, как в клистроне, электроны по скорости, и те образуют сгустки. Но в клистроне электроны движутся по прямой, а в магне-троне — по довольно сложной траектории. Если правильно подобрать размеры деталей, индукцию магнитного поля и анодное напряжение, то сгустки будут проходить мимо щелей резонатора, отдавая максимум энергии и поддерживая колебания.
Магнетрон отличается от клистрона и ЛБВ еще тем, что в нем все «переплетено» — катод, входной резонатор, дрейфовое пространство, выходной резонатор и коллектор. В ЛБВ средние три элемента соединены в спирали: входная ее часть в основном модулирует пучок, выходная в основном снимает сигнал с пучка и вся она — пролетное пространство. В магнетроне все сечения эквивалентны, каждое содержит кусочек катода, кусочек пролетного пространства, коллектора и замедляющей системы.
В 1957 году физик Г. И. Бабат и писательница А. Л. Гарф написали в жанре беллетристики книгу под названием «Магнетрон». В ней рассказывалось о временах, когда физики Америки и Англии мучились проблемой: как обнаружить на экранах радаров перископы нацистских подводных лодок. Сейчас это знает каждый школьник, а тогда вопрос стоил десятки тысяч жизней.
Кстати, первые промышленные микроволновые печи, изобретателем которых был американец П. Спенсер (см. «Наука и жизнь» № 2, 2003 г.), начали делать в Японии с 1952 года. И дело не только в том, что в то время там быстро развивалась электроника, но и в особенностях японской кухни, где почти не употребляют жареного. В Японии предпочитают вареные и пареные блюда, а в СВЧ-печах продукты (главное, чтобы в них присутствовала влага) прогреваются изнутри и их температура не превышает точку кипения воды.
Меломания — удовольствие дорогое
Не только электровакуумные СВЧ-приборы смогли оказать достойную конкуренцию транзисторам. Обычные лампы со статическим управлением тоже не забыты. Они нашли применение в звуковоспроизводящей аппаратуре класса «хай-энд». Причина опять же в физических принципах работы полупроводников. Вольт-амперная характеристика транзистора имеет экспоненциальную форму. Поэтому, чтобы гармонический (синусоидальный) сигнал усиливался без искажений, усилительный каскад нужно охватить глубокой отрицательной обратной связью (ООС). Но ООС, снижая нелинейные искажения, добавляет искажения фазовые: гармоники различных частот сдвигаются относительно друг друга. Ухудшаются и динамические характеристики, поскольку не удается передать крутой фронт сигнала при резком, «взрывном» увеличении громкости. В результате звук, кажущийся чистым, теряет «прозрачность», естественность.
У ламп на характеристике есть почти прямолинейный участок, и при работе на нем требуется совсем незначительная ООС. Качество звука оказывается очень высоким, но и по цене такие усилители сравнимы с автомобилями.
Что и говорить, былое могучее войско радиоламп поредело. Сейчас даже кинескопы вынуждены потесниться перед плазменными и жидкокристаллическими панелями. Но с уважением отнесемся к тем приборам, которым удалось выжить, и уж тем большее уважение проявим к людям, которые создали не только эти, но и канувшие в Лету приборы.
