Конструкторских и технологических проблем в магнетроне много. Одна из них – задача обеспечения малых размеров и малых допусков (т.е. одинаковых размеров). Эта тема общая для многих ЭВП, однако, согласитесь, намотать спираль диаметром 1 мм для ЛБВ легче, чем сделать анодный блок для магнетрона диаметром тоже 1 мм. Используют пайку (для резонаторов лопаточного вида), выдавливание, электроискровую и электрохимическую обработку, резку и сверление электронным лучом и, наконец, все обычные виды металлообработки. Выдавливанием удается делать системы с толщиной лопаток 0,1 мм, а допуски на размеры при электроискровой обработке составляют 1 мкм. Когда же размеры анодного блока становятся менее 1 мм, идут, к примеру, на такое ухищрение – занимаются специальные пластины из фольги толщиной 10…20 мкм и складывают анодный блок из таких пластин. Отверстия же причудливой формы в фольге делают методами, заимствованными из полупроводниковой техники (к примеру, фотолитографией). Впрочем, все это принадлежит скорее к технологии, и скоро мы к ней обратимся.

Выше мы рассказали историю электровакуумных приборов и их конструкции, доведя свое повествование до появления транзисторов. Сейчас посмотрим, как реагировали лампы на транзисторную экспансию, и расскажем о технологии ламп, их нынешнем состоянии и перспективах.

Первые транзисторы были не очень крепкие, с плохими параметрами, однако небольшие по сравнению с лампами. Помимо того, их можно было изготавливать «групповыми методами» – сейчас много приборов. А когда необходимы миллионы приборов, технологичность может стать решающим фактором. Посмотрим, как лампы ответили на вызов.

Реакция ламп на появление транзисторов, улучшение их параметров и расширение сферы их использования носила тройственный образ. 1-й, наименее сложный путь – предоставить место. И во многих примерах так и происходило. Сегодня, после полувека совместного проживания, можно говорить, что транзисторы вытеснили лампы из области низких частот и малых мощностей – за некоторым исключением. В области сверхвысококачественного воспроизведения звука, «High End», лампы все-таки были лучше транзисторов. Им присуща высокая линейность характеристик, позволяющая снизить искажения. Сегодня данный рынок не очень велик, однако существует он стабильно.

Второй этап – уменьшение размеров. Путь к данному открыла указанная выше «штабельная лампа». Позднее компания «General Electric» зажгла лампы диаметром и высотой около 1 мм. Электроды в данных лампах делались из титана, который здорово спаивается с керамикой. Света была из чередующихся керамических и титановых дисков: керамические служили изоляторами и определяли промежуток между электродами, а титановые диски одновременно исполняли роль выводов и несли в своей обычной части электроды лампы. В 1959 году компания «RCA» начала массовый выход прибора, названного «нувистором» (от nuevo vista – новый тип). В данных лампах все электроды крепились пайкой к керамической пластине, которая впаивалась в металлический стаканчик, служивший оболочкой. Установка была механизирована, лампы успешно действовали до температуры 550 по Цельсию.

В работающем магнетроне в каждый час времени заряды и потенциалы участков грани между входами в резонаторы чередуются. При этом происходит электрическое поле, которое направлено от положительно заряженных участков к отрицательным. А так как магнитное поле под прямым углом электрическому, появляется сила Лоренца, которая ускоряет и тормозит электроны, попавшие в области действия по-разному направленного электрического поля и, значит, собирает (замечаете аналогию с работой ЛБВ?) электроны в сгустки, протянутые от катода к аноду и называемые «спицами».

Классический магнетрон имеет цилиндрический катод и цилиндрический, коаксиальный ему анодный блок с резонаторами – т.е. замедляющая система свернута в кольцо и электронные траектории тоже замкнуты. Поэтому магнетрон – генераторный прибор: сигнал в нем «возвращается». Однако, разомкнув или одно, или другое, или и то и это вместе (итого 4 варианта), можно обратить магнетрон в усилитель. Не говоря уж о том, что магнетрон может служить на прямой и на обратной волне (как ЛБВ) и умеет обращаться сформированный своим катодом или введенный извне («инжектированный») электронный пучок. Худо-бедно 4×2×2×2 = 32 варианта приборов со скрещенными электрическим и магнитным полем. И не все они реализованы…

Еще некоторое главное отличие магнетрона от клистрона и ЛБВ – «переплетенность». В клистроне все отдельно – катод, входной резонатор, дрейфовое пространство, выходной резонатор и коллектор. В ЛБВ средние три типа соединены в спирали: входная ее часть в основном модулирует пучок, выходная в основном получает сигнал с пучка и вся она – пролетное пространство. В магнетроне переплетено все – все его сечения эквивалентны, все они содержат кусочек катода, кусочек пролетного пространства, коллектора и замедляющей системы.

О переплетении работы и жизни говорит единственная поэтическая книга, названная именем электровакуумного прибора. Книга «Магнетрон» была создана в 1957 году физиком Г.И. Бабатом и писательницей А.Л. Гарф. Это книга о временах, когда перед физиками Америки и Англии был вопрос: как сделать, чтобы на экранах радиолокаторов были видны перископы германских нацистских подводных лодок? Сейчас это вообще не вопрос – длина волны, которую порождает магнетрон, должна находиться меньше диаметра перископа. А тогда данный вопрос вставал – и не «64 тысячи долларов», как пошутил персонаж Ст. Лема, а десятки тысяч жизней.

Однако откуда в магнетроне взялось электромагнитное поле, почему появилась генерация? Как вы уже видите, электронные сгустки, проходя мимо резонаторов, вызывают появление в металле наведенного тока, а в резонаторе – поля. В случае, если период выступов выбран верно, то поля, возникающие при пролете сгустков, складываются, поле усиливается, и в итоге мы получаем мощную сверхвысокочастотную электромагнитную волну. Часть электронов, эмитированных катодом, возвращаются на него, причем будучи полностью хорошую скорость. Возврат таких электронов на катод влечет его нагрев. Порой власть, поступающая на катод, оказывается так велика, что его приходится не греть, а охлаждать. Электроны, попавшие на катод, выбивают из него вторичные электроны. Данный вид эмиссии называется вторичной электронной эмиссией. Часто вторичная электронная эмиссия оказывается достаточной, чтобы магнетрон работал только за ее счет.

Прибор, называемый магнетроном, был создан… о, это долгая история! Дело в том, что в отличие от ЛБВ и клистрона, изобретение магнетрона состояло из нескольких шагов – один тип, потом 2-й, третий и так далее. А.У. Холл – 1921 год, Яга и Окабе – 1928 год (это тот наиболее Яга, который «антенна Уда-Яги» – посмотрите на крышу любого дома), Г. Бут и Дж. Рэндалл – 1939 год, наконец – Н.Ф. Алексеев, Д.Е. Маляров и В.П. Илясов в 1939 году (еще разок о приоритете – во многих книгах насчет нового не упоминают, в некоторых – неправильно пишут его фамилию). Некоторые ЛБВ интересны тем, что изготавливаются лишь в нескольких десятках экземпляров (ЛБВ для спутников связи), а магнетрон интересен тем, что это 1-й в самом деле массовый СВЧ-прибор. Ибо те магнетроны, которые применяются в СВЧ-печах, впервые открыли выпускаться в Японии миллионами. Традиционная японская комната предпочитает думать, парить и тушить, а не жарить. Румяная корочка (содержащая, между другим, канцерогенные продукты термолиза низкосортных жиров) – не ее цель. Так вот, СВЧ-печи как раз и делают нечто похожее на варку, парку и тушение, так как электромагнитная волна высокой частоты поглощается всем размахом сразу.

Магнетрон – это прибор со «скрещенными полями»: с магнитным и электрическим полями, перпендикулярными друг дружку. Электрон вылетает из катода с небольшой скоростью и начинает идти к аноду. Пока электрон прошел немного и скорость его мала, сила, действующая со стороны магнитного поля, тоже мала, и электрон идет почти по прямой. По мере наступления к аноду скорость электрона растет, сила Лоренца растет, траектория изгибается. Возле маленькой индукции магнитного поля электрон отклонится от прямой, однако анода достигнет. Возле большой индукции поля траектория электрона анода не достигает, он описывает кривую и возвращается к катоду, ограничив свою скорость до нуля – согласно закону сбережения энергии.

Однако в случае, если в размере блока возбуждаются колебания электромагнитного поля, т.е. происходит генерация, то энергия, которая перекачивается в поле, должна отбираться от электронов. Значит, часть из них не возвращается к катоду – у них не хватает на это энергии. Они падают на анод, а полученную от постоянного электрического поля энергию частично отдают на генерацию электромагнитного поля, а частично – аноду. В лампе бегущей волны электрон падает на участке от катода до начала замедляющей системы. Падает в том же смысле, в котором идет камень, оторвавшийся от отвесной скалы – двигаясь по силе, уменьшая потенциальную энергию и увеличивая кинетическую. Электроны входят в замедляющую систему, набрав скорость, и уже в ней отдают кинетическую энергию электромагнитной волне.

В магнетроне поведение электронов описывается 2-мя процессами – сортировкой и фазировкой. Электрон, который отправился из катода в такой момент, что потом он должен платить энергию волне, падает на анод, падает и отдает энергию. Электрон, который отправился из катода в такой момент, что волна должна возвращать ему энергию, тут же заключает свою биографию, врезавшись в катод. Это и есть сортировка – затем множество электронов отдает энергию волне, а не забирают ее у нее. Помимо того, электроны «фазируются», собираются в сгустки, как в ЛБВ.

Мы начали с аналогии между лестницей и спиральной замедляющей системой. Раньше всех в ЛБВ была употреблена в качестве замедляющей системы спираль. Однако время происходило, требования к мощности и оперативной частоте ЛБВ увеличивались. А спираль сложно охлаждать – она закрепляется на диэлектрических опорах, которые живут тепло плохо. При длине волны меньше 5 мм сделать спираль становится невыносимо. Ради работы в зоны крупных мощностей и малых длин волн существуют другие замедляющие системы. Такие теории состоят из отдельных резонаторов, связанных отверстиями, сквозь которые электромагнитное поле проникает из одного в другой.

ЛБВ, как и клистрон, можно обратить в генератор. По спирали волна может идти в обе руки. Идя в одну руку, она усиливается, подкачиваясь от пучка, а в другую бежит сама по себе, понемногу затухая. Нельзя ли сделать одно подобие ЛБВ, в которой будет развиваться обратная волна? Тогда замыкание цепи задней лапы будет автоматическим, даже без учета отражений на концах: в одну руку деятельность будет переноситься электронами, а обратно – волной. И мы получим генератор. Однако можно ли сделать так, чтобы электроны отдавали энергию волне, спешащей навстречу им? Нарисуйте себе, что электронный пучок летит с самой земли от металлического экрана с окнами, а волна бежит с другой. Пусть электронный сгусток, проходя мимо окна, застал там тормозящее поле, притормозился, дал очередь энергии и двинулся дальше. У следующего окна он снова посмотрел тормозящее поле и снова потерял. Вы сразу же видите, что таким образом можно утверждать волну, не в любом случае имеющую ту же скорость, что и электронный сгусток. Важно лишь, чтобы электрон, проходя мимо окон, видел в них похожие фазы колебаний.

Сгусток будет в следующем окне видеть не то место волны, с которым взаимодействовал в прежнем расстоянии, а другое. Однако что с того? Он будет платить энергию, а волна будет развиваться. При этом электрону безразлично, куда шла эта волна – с ним или навстречу.

Конструирование – всегда компромисс. В случае, если больше нагрузка – то меньше диапазон частот, а в случае, если нет – то короче срок работы или дороже прибор. И так одно за другое, другое за третье, пятое и девяносто девятое… При определенной длине волны резонаторы в клистроне и спираль в ЛБВ должны быть точные размеры. Какая-то часть электронного пучка перехватывается сеткой в зазоре резонатора или спиралью. Пучок перехватывается – энергия выделяется – деталь нагревается – металл испаряется или плавится. В случае, если плавится, то все ясно. А в случае, если испаряется, то пары оседают или на изоляторах, превращая их в проводники, или на катоде, изменяя его состав до потери трудоспособности.

Что-то делать? Во-первых, можно исследовать конструкции, в которых менее концентрация энергии, выделяющейся на поверхностях электровакуумных приборов. Ну естественно, электронный пучок не должен перехватываться тем, чем не должен. Однако при попытке сжать пучок посильнее он теряет ламинарность. Такой пучок не удается резко затормозить (рекуперировать) на коллекторе, кпд прибора падает. Не будем разматывать эти комки до девяносто девятого слоя, однако поверьте – цифра не преувеличена. В лампе бегущей волны все связано одно с другим. Как и в других инструментах. Жизнь вообще так устроена. И не ситуация в ЛБВ – самая опасная для понимания.

Здесь мы должны допустить небольшое совершенно человеческое отступление. Во многих книгах об изобретении отражательного клистрона писали, что он был создан академиком Девятковым. И все. И не врали, и правды не говорили. Успешно замалчивалась роль Вадима Коваленко и в иных случаях. А он внес огромный вклад в развитие советской вакуумной электроники: достаточно бросить, что в многие годы половина статей в журнале «Электроника СВЧ» – главном журнале отрасли – содержала или ссылки на его работы, или благодарности ему «за полезное обсуждение», «за критику» и т.п. И это при том, что своих настоящих публикаций у него было немного. Он великолепно умел угадывать большие трудности, успешно решал их и писал определенные части – в смысле методологии изложения многие его вещи остаются непревзойденными. Мы все создавали некое дело, откуда же бралась зависть? Разве потому, что он – разумный человек и прекрасный рассказчик – обладал большим успехом у женщин? Мы все равны перед историей, она все расставит по своим местам, споры о приоритете не ценны тем, кого все равно давно нет с нами, а когда-то они не понадобятся и нам. Наша честность – в этих предметах тоже – нужна нам самим и сейчас.

Проблем в области конструкции и технологии ЭВП СВЧ было немало. Легче сказать, что там все – проблема. Во-первых, сетки, образующие зазор в резонаторе. Какая-то часть электронов оседает на этих таблицах, мигом превращая всю нашу кинетическую энергию в тепловую. Сетки делали и тугоплавкие, и с тонкими высокими ребрами (чтобы они лучше передавали тепло на охлаждаемую часть резонатора), однако все равно – в мощных приборах сеток как таковых нет. Электронный пучок проходит через отверстие – как бы сквозь решетку с одним гигантским окном.

Следующая задача – «окно для вывода энергии». Очень мощные электромагнитные колебания генерируются в вакууме, а необходимы они нам снаружи прибора, в воздухе. Казалось бы, особой трудности нет – любое стекло или керамика прозрачны для электромагнитного излучения и «не прозрачны» для воздуха. Однако часть электромагнитного излучения поглощается стеклом или керамикой и нагревает ее. Керамика – материал сам по себе термостойкий, тем не менее при нагреве повышается ее проводимость, она начинает больше поглощать электромагнитное излучение, еще больше нагреваться и так далее. Данный процесс называется тепловым пробоем, а кончается он сквозным проплавленным отверстием, соединяющим вакуумный размер блока и атмосферу.

Многие ЭВП СВЧ работают в импульсном режиме. Это значит, что электронный луч обрушивается на поверхность коллектора импульсами – скажем, 1 мкс ток идет, а потом 1 мс тока нет. Здесь, на коллекторе, кончается достаточно короткая, однако яркая биография электрона – в вакууме он ускорялся, тормозился и генерировал, а в металле есть только безликий электронный газ, там электроны не кричат друг от друга. Однако напоследок электрон зло причиняет вот что – передав остаток энергии на нагрев коллектора, он помогает его разрушению. В самом деле, когда ток идет, поверхность коллектора нагревается, в паузе – остывает. При нагреве и охлаждении появляются температурные напряжения, в материале коллектора понемногу накапливаются дислокации, потом начинаются трещины, и в итоге коллектор начинает портиться.

Нарисуйте себе, что надо объяснять информацию и имеется передатчик, работающий на некоторой частоте f. С какой скоростью можно давать информацию при существовании такого передатчика? Пусть мы умеем управлять передаваемым сигналом, вырезая из него отдельные моменты колебаний. Таким образом можно давать информацию со скоростью f бит/с (1 бит – это один выбор из двух картин: есть полуволна или нет; для передачи буквенного текста надо 5 бит на букву (в случае, если различных букв – 32)). Есть много видов модуляции, и скорости пересылки информации с их помощью различны. Однако порядок величины будет таковым, как мы получили. Чем-то больше информации мы хотим показать, тем выше нужна рабочая частота, поэтому телевизионные передачи ведут на частотах метрового диапазона и даже на более низких волнах. Помимо того, высокочастотные электромагнитные колебания применяются в радиолокации, для питания ускорителей и для многих иных целей, в том количестве для нагрева продуктов в микроволновых печках.

Вспомним относительно трудности ламп. Вот какими они были: время перегона катод – сетка, время перегона сетка-анод, емкость/индуктивность лампы. Ровно пошел с этими задачами клистрон? Сократить время пролета можно увеличением скорости электрона. Это и сделано в клистроне. Сначала электрон ускоряется относительно большим напряжением и лишь потом вводится в двухсеточный менеджер зазор. Время перегона сетка-анод обращено на пользу – именно в это время скоростная модуляция преобразуется в модуляцию по плотности. А что делать с емкостями и индуктивностями? Вообразим себе контур, настроенный на слишком большую частоту. Конденсатор в нем – две доски, индуктивность – кусок кабеля, их соединяющий. У такого профиля есть изъян – он будет больно излучать в окружающее пространство. Как с данным бороться? Известно как – экранированием. Прокрутим мысленно провод, соединяющий пластины конденсатора, вокруг оси – получим нечто, похожее на тор («бублик»). Вместе с пластинами он образует то, что называется «объемный резонатор». Емкость у него связана с пластинами, а индуктивность – с остальной оболочкой. А как прекрасно он сочетается с двухсеточным зазором! Надо только сделать зазор из 2-х сеток, либо на лампу с двухсеточным зазором надеть снаружи (можно уже выше вакуума) «индуктивную» часть резонатора – тор. Для невооруженного глазки он смотрится пустым внутри. Однако мы-то понимаем – внутри у него магнитное поле. Пролетный клистрон можно свободно превратить в генератор. Ради этого надо написать часть сигнала из выходного резонатора и вернуть ее во входной. В случае, если сдвиг фаз в самом клистроне и в цепи задней лапы такой, что часть выходного сигнала, возвращаясь на вход, совпадает по фазе со входным сигналом, усилитель может обернуться в генератор.

Заметим, что сигналом является и сам электронный луч, точнее – распространяющиеся в нем электронные сгустки. Что, в случае, если заставить их возвращаться во входной резонатор? Пусть, к примеру, вместо второго резонатора стоит «отражатель» – электрод, на который подано меньшее усилие. Сгусток подлетит к нему, развернется и поедет назад, к входному зазору. Продираясь сквозь входной зазор, такой сгусток вызовет появление электрического поля. В случае, если страница этого поля такова, что оно будет утверждать модуляцию электронного потока, с каждым пролетом сигнал будет возрастать, прибор начнет производить электромагнитное поле. Изменяя напряжение на отражателе, можно регулировать временем года сгустка между первым и 2-м путями через резонатор. Чем-то больше меньшее усилие на отражателе, тем на большом расстоянии от себя он остановит сгусток и заставит возвратиться его в зазор. Поэтому у отражательного клистрона частота генерируемых колебаний изменяется при изменении напряжения на отражателе. Естественно – он генерирует на той частоте, на которой делается условие единства фаз, а время года сгустка и фаза его прибытия зависят от напряжения на отражателе. Однако откуда берет наиболее 1-й сгусток, самая первая неоднородность потока, с которой появляется лавинное нарастание сигнала, переходящее в генерацию? Самые первые неоднородности – это флуктуации электронного потока, случайные неоднородности, какие есть всегда. Хотя бы потому, что поток заряда не непрерывен – он состоит из отдельных электронов.

Отражательный клистрон был построен в 1940 году В.Ф. Коваленко и, независимо от него, Н.Д. Девятковым, Е.Н. Данильцевым, И.В. Пискуновым. В течение десятилетий он был существом типом генератора сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. Позднее полупроводниковые приборы составили отражательному клистрону тяжелую борьбу. Тем не менее в диапазоне миллиметровых длин волн ЭВП как всегда «дают фору» полупроводникам.

Это проблемы, связанные с частотой. Есть еще раны, связанные с мощностью. Дальность действия радиолокатора и радиопередатчика и способность делать в условиях помех зависят от мощности. Ее можно поднять либо путем развития тока лампы, либо путем развития напряжения. Поскольку большая плотность тока, отбираемого с катода, ограничена, надо либо увеличивать площадь катода, либо напряжение. И то и другое определяет развитие размеров лампы, так как при увеличении сила требуется увеличивать промежутки между электродами в целях предупреждения электрического пробоя.

Порой – и это самое забавное – решение бывает промежуточным, когда новая лампа не есть просто увеличенной старой, а состоит как бы из нескольких ламп в общей вакуумной камере. Порой эти лампы имеют и еще какие-то равные части. К примеру, стандартным намерением является наличие в лампе нескольких катодов при самой решетке и одном аноде. Порой грань между «общим» и «частным» проходит так хитро, что не сразу и разберешься. К примеру, в многолучевой лампе, которая находилась предложена В.Ф. Коваленко в 1940 году и А.П. Федосеевым в 1941 году, катод нагрет весь, однако покрытие, эмитирующее электроны, заполняет не всю его поверхность, а только узлы между стержнями сетки. Поэтому электроны пролетают в основном мимо решетки даже при определенном усилии на ней.

Одним из направлений развития конструкций свет истины попытки сокращения числа деталей. В 1934 году Ю.А. Кацман и А.А. Шапошников предложили конструкцию «штабельной лампы». Отдельные электроды закреплялись на керамических рамках, потом рамки складывались штабелем, стопкой. Такая лампа могла существовать небольшой, ее установку можно было механизировать. Она была термостойкой (рамки из керамики) и высокочастотной (малые промежутки).

В электронной лампе электроны пролетают сквозь решетки. Нарисуйте себе электронный луч, пронизывающий 2 близко находящиеся сетки. Пока между решетками нет напряжения, стало жить, в промежутке между ними нет поля, каждый электрон вылетает из зазора с той же скоростью, с которой влетает в него. Когда напряжение между решетками есть, скорость электронов будет возрастать, в случае, если земле между сетками ускоряющее, и уменьшаться, в случае, если тормозящее. Что-то случится, в случае, если напряжение изменяется синусоидально? Электроны, пересекающие зазор при ускоряющем поле, будут развиваться быстрее тех, которые разделяли зазор при тормозящем поле. В результате электроны начнут думать в сгустки, состоящие из электронов, пролетевших зазор раньше, однако при тормозящем поле, и пролетевших позднее, однако при ускоряющем поле. Так образуется электронный прибой – электронные волны, накатывающиеся на берег… Электронные сгустки – это что-то большое, серьезное, почти осязаемое. Так что вроде бы можно малое усилие преобразовать во что-то большое. Однако во что?

Модуляцию скорости мы создали, пропустив электронный луч между 2-мя сетками. Попытаемся использовать ту же систему для отбора энергии от электронных сгустков. В случае, если, скажем, электронные сгустки пролетают через промежуток между решетками, в котором имеется тормозящее поле, то из зазора электроны выйдут с меньшими энергиями – значит, единица мощности мы у них отняли. Надо бы это земле выстроить… Сейчас мы введем очень большое для техники электровакуумных приборов понятие – «наведенный ток». Пусть среди зазора, от левого электрода к правому, летит электрон (пусть один, хоть сгусток). По мере года интенсивность поля между левым электродом и сгустком убывает, а между сгустком и правым электродом возрастает. Значит, изменяются и плотности зарядов на электродах и, значит, проходит ток в цепи, соединяющей эти электроды. Это и есть наведенный ток. Обратите внимание – электрон не попадает на электрод, а ток в цепи идет.

Данный ток и несет энергию, отданную электронами. Он может снабжать аккумулятор, выделять тепло в сопротивлении или применяться как-либо иначе. В случае, если электроды соединены сопротивлением, то на нем, согласно закону Ома, при протекании тока возникнет напряжение. Это напряжение есть такую полярность, что поле тянет электроны. Иначе и быть не могло – в случае, если бы полярность сила была бы иной, пучок сам собой бы ускорялся. Ровно тогда быть с законом сбережения энергии? А так все в порядке – энергия, потерянная пучком, поступает в нагрузку и, в случае, если это простое сопротивление, преобразуется в тепло. Итак, с помощью двухсеточного зазора можно привести у электронного пучка модуляцию по скорости, потом она преобразуется в модуляцию по плотности, и с помощью двухсеточного же зазора у такого пучка можно решить энергию. Данный прибор изобрели в 1939 году братья Р. и З. Вариан и, независимо, В. Хан и Г. Меткалф. Назвали они его «клистрон» – от греческого слова, обозначающего ударять или окатывать волной. Позднее его стали звать пролетный клистрон, чтобы отличать от другого аппарата, о котором мы расскажем немного внизу. Оба эти прибора могут служить на частотах, в 100 крат более высоких, чем лучшие лампы с электростатическим управлением.

В 1926 году фирмой «Филипс» был опубликован пентод – лампа с пятью электродами или тремя сетками. Третья решетка была между 2-й и анодом. На нее подавалось напряжение, более тонкое и чем на второй таблице, и чем на аноде, наиболее часто ее просто составляли с катодом. Третья решетка была предназначена для борьбы с «динатронным эффектом» – попаданием на вторую сетку электронов, выбитых из анода (данный эффект называется вторичной электронной эмиссией). Она их отталкивала и возвращала домой – на анод.

Другая таблица была назначена для получения большого усиления, третья – для избавления от динатронного эффекта. Однако ниоткуда не нужно, что их нельзя использовать и для чего-нибудь иного. К примеру, в случае, если на одну сетку подать переменное напряжение с частотой f1, а на другую – с частотой f2, то в цепи анода лампы будут идти токи с частотами nf1 ± mf2, где n и m = 0, 1, 2, 3… (ответ должен жить больше нуля). Фильтрами, настроенными на соответствующие частоты, эти токи можно разбить. На «смешивании» частот и выделении разностной частоты f1 – f2, где f1 – частота принимаемого сигнала, а f2 – сигнала, генерируемого в приемнике дополнительным источником (гетеродином), основана радиосвязь. Лампа, в которой смешиваются сигналы, называется «смесителем». Существуют лампы с четырьмя сетками (гексод), пятью (гептод) и шестью (октод). В иных случаях часть лампы исполняет роль «лампы гетеродина», а часть – «лампы смесителя». В этом эпизоде передача сигнала из гетеродина в смеситель происходит не по проводам, а путем проникновения электронов из некоторой части лампы в другую, т.е. током в вакууме.

Как делает очередной триод при подаче на него высокочастотного переменного напряжения? Пока напряжение на сетке больше обычного, на электроны, летящие от катода, работает большое ускоряющее поле. В случае, если напряжение меньше обычного, ускоряющее поле тоже меньше. В случае, если, пока электрон летел, прошел час переменного напряжения, то суммарное воздействие на электрон отсутствует – полпериода его толкали, полпериода тормозили. Итак, на частоте, на которой период переменного напряжения равен времени пролета электрона, лампа делать уже совсем не может. Лучшие СВЧ-лампы работают на частотах до 10 гигагерц. Достигается это уменьшением промежутка между катодом и сеткой до 10 микрон – с соответствующим ростом трудности изготовления и стоимости, а также уменьшением надежности и мощности.

С увеличением рабочей частоты появляются и некоторые проблемы. Так как напряжение на сетке изменяется, электроны влетают в зазор сетка-анод с различными скоростями. Время перегона от сетки до анода тоже не равно нулю, и электроны могут «перепутываться» – влетевшие позднее, однако с большими скоростями, могут обгонять влетевшие раньше, однако с меньшими скоростями. В итоге будет искажаться форма импульса, в случае, если лампа коптит в импульсном режиме. Наконец, резонансная частота контура возрастает с уменьшением индуктивности и емкости. В случае, если лампа коптит на некоторой частоте, обычно в ее сеточной и анодной цепях применяются контуры, настроенные на эту частоту. Однако света есть личную емкость (между электродами) и личную индуктивность (вводов). Ни меньше этой емкости, ни меньше этой индуктивности емкость и индуктивность контура допущены быть не могут.

В 1906 году Ли де Форест поставил на пути электронов сетку. Теперь администратор сигнал надо было давать на нее, а выходным сигналом по-прежнему находился анодный ток. На движение электронов в лампе, и, стало жить, на ток анода, теперь действуют два напряжения – на аноде и на сетке. Причем сеточное действует гораздо сильнее – она ближе к катоду. Величину, которая выдает, во сколько раз изменение напряжения на сетке воздействует на ток сильнее, чем изменение напряжения на аноде, называют усилением. Отношение изменений тока к изменению напряжения на сетке – крутизной (не в современном духе, в в смысле – крутизна характеристики, графика). Крутизна выражает способность лампы усиливать радиосигналы, коэффициент усиления – способность лампы усиливать низкочастотное (звуковое) напряжение. Поэтому в зависимости от предназначения лампы надо сражаться (как и приходилось ждать) за различные размеры. Заметим, что это были лампы «с плохим вакуумом», т.е. с частичной компенсацией заряда. Настоящий именно вакуумный триод был построен И. Лэнгмюром и Г. Арнольдом в 1915 году.

Ради работы первых триодов необходимо было анодное напряжение около 100 вольт. Бедные радиолюбители держали под столами батареи по нескольку десятков банок, и несло от них кислотой… Позднее, когда радиоаппаратура была довольствоваться в основном от сетей переменного напряжения, допускающих его изменение путем трансформации, острота проблемы уменьшилась. Однако не исчезла навсегда, а, помимо того, на путях уменьшения анодного сила было найдено и решение задачи большого усиления.

Почему триоду нужно быть большое анодное напряжение? Потому, что при этом получается большой анодный ток. В случае, если анодное напряжение снизить, то уменьшится ток и, значит, крутизна. Как порвать эту цепочку? Как сорвать большой анодный ток при малом напряжении? Казалось бы, ответ просто следует из формулы Ленгмюра – приблизив анод к катоду. Да, однако при этом анодное напряжение начинает больше действовать на ток и, значит(действие-то сети есть таким же!), уменьшается усиление. Т.е. прекрасно бы и приблизить анод к катоду, и не приблизить его… Наверное, приблизительно так рассуждали В.И. Коваленков в 1911 году и тот же И. Ленгмюр в 1913 году, которые поставили ввести в триод дополнительную сетку, размещенную ближе всего к катоду, и подать на нее большее напряжение. Эти лампочки были названы «двухсетками», и они действительно занимались при меньших анодных напряжениях – порядка 10…20 В. Однако с годами зарабатывать большие напряжения стало лучше, и, казалось, век двухсеток кончился.

Второе появление 2-й сетки произошло, когда В. Шоттки и А. Холл, по некоторым источникам – в 1919, а по другим – в 1926 году, предложили расположить вторую сетку не ближе к катоду, а наоборот – ближе к аноду. Прианодная сетка экранировала катод от анода, уменьшала его воздействие на ток, и, значит, увеличивала усиление. Эта лампочка была указана тетродом. Действительно была решена загадка малого усиления триода. В. Шоттки и А. Зал еще войдут в историю физики – открытием эффекта Шоттки и эффекта Холла, однако пока они этого не знают.

Впрочем, и крутизну хочется прибавить. Из формулы Ленгмюра видно, как ее увеличить – приблизить сетку к катоду. На данном пути за 20 лет (с начала сороковых до конца пятидесятых годов) зазор сетка-катод был ограничен в 10 раз: с 200 до 20 микрон. Однако это потребовало возникновения технологии производства проволоки диаметром 7 микрон (в 7 раз уже волоса) и полного превращения технологии и конструкции ламп. Ведь мало сделать эту проволоку, надо еще совершить из нее сетку, на что-то намотать, как-то укрепить. Все это было выполнено, однако лампы с такими сетками были тяжелы в производстве и дороги. Остальной путь – это был снова путь 2-х сеток: прикатодная сетка с большим запасом увеличивала ток и крутизну.

Между тем в 1887 году (по одним источникам – в 1886-ом) Дж.Дж. Томсон установил, что ток в лампе Эдисона переносят именно электроны, а не ионы. Однако, существовать может, это свойство именно угля? Нет, в случае, если связь была металлической, электронный поток возникал тоже. Он был особенно велик, в случае, если нить покрывали порошком окиси кальция (ну, т.е. зубным порошком). Так в 1904 году А. Венельт открыл оксидный катод, которому светило сквозь полвека покорить мир электронных ламп. В том же году Дж.А. Флеминг наконец-то перекинул концы от батареи, подал на дополнительный электрод минус насчет связи и мгновенно узнал, что ток не идет. Он и выполнил вакуумный диод.

Тем не менее данный диод был не совсем вакуумным. В 1908 году Ф. Содди обнаружил, что при улучшении вакуума ток уменьшается. Появилось естественное – хотя и, к счастью, неверное – предположение, что в полном вакууме тока не будет вполне. Вакуумная электроника была готова умереть, не родившись. Выяснилось, что уменьшение тока при улучшении вакуума вызвано образованием в лампе негативного потенциала. А почему он не влиял раньше? Фактически уже проходящие через зазор катод-анод электроны обладают отрицательный потенциал, отталкивают электроны, только-только вылетевшие из катода, и уменьшают данным ток, текущий сквозь зазор. Однако при наличии газа электроны ионизуют его, причем новые электроны начинают идти вместе со старыми к аноду, а положительные ионы, имеющие в среднем в 60 000 раз огромную толпу, уходят из зазора медленно и затем вызывают в нем хороший заряд, компенсирующий заряд электронов. Поэтому при наличии газа полный заряд оказывается меньше, а ток больше. Однако и без ионной компенсации движение электронов в вакууме было совсем очевидно. Первый чистый именно вакуумный диод был построен в 1913 году У. Кулиджем и в 1915 году С. Дэшманом. Ради получения в вакуумных лампах того же тока, что и в лампах с частичной компенсацией пространственного заряда, требовались большие усилия между катодом и анодом, однако зато эти лампы работали стабильнее. Ибо хотя большой недостаток и труднее принять, чем плохой, однако для работы лампы с компенсацией нужен не просто дурной вакуум, а стабильно плохой.

Основная теорема, изображающая функцию электронных ламп, была принята И. Ленгмюром в 1915 году. Называют ее почему-то не формулой Ленгмюра, а «законом 3/2». Впрочем, человек, сделавший для физики и химии столько, сколько сделал Ленгмюр, не стал бы терять время на споры о приоритете. Закон звучит так: ток, который идет через вакуумный зазор, пропорционален площади электродов, напряжению на зазоре в степени 3/2 и обратно пропорционален квадрату ширины зазора. Это при определенном усилии на аноде относительно катода, когда анод притягивает электроны. При отрицательном напряжении ток не идет. Поэтому диод может существовать применен в качестве выпрямителя, т.е. прибора, пропускающего ток в одну руку и не пропускающего в другую, в качестве «нелинейного сопротивления», не подчиняющегося закону Ома и, наконец, в соответствии с идеей Эдисона – для контроля малых изменений напряжения. Из данных 3-х идей радиотехника использовала первую – активно, вторую – слабее, а третью, кажется, не использовала совсем.

Тем не менее диод даже не вполне лампа – в нем нет особого рода управления движением электронов. Существуют ли другие, помимо колебания температуры катода и напряжения на аноде, методы управления движением электронов? Движение электронов находится в зависимости от электрических полей, созданных наличием зарядов и потенциалов на любых электродах, стоящих на пути электронного потока или рядом с ним.