Океан у краплі води, або Вся техніка в одній скельця

Леонід Ашкіназі

Розглянуто історія електронних вакуумних приладів (сіткових ламп та НВЧ-приладів), принципи їхньої роботи, основи конструкції і технології.

Оповідання про будь-якому об'єкті техніки повинно складатися з розповіді про його теорії, конструкції, технології та застосування. Ось, наприклад, велосипед: його теорія з'єднує техніку з фізикою (гіроскоп), конструкція і технологія - з усією технікою (конструкція - з самописцем: ланцюгова передача, технологія - з метальним зброєю: гума), застосування з'єднує велосипед з психологією (прогулянки з дівчиною), соціологією (збут), біологією (мозочок). Причому все це повинно розглядатися в розвитку, в історії, і закінчуватиметься прогнозом - чи буде кататися і як саме кіборгізірованний і клонований людина XXII століття? Я вважаю, що з морозивом у руці.

Зрозуміло, що послідовне і глибоке втілення такої програми - «це річ на століття, як Баальбекская платформа ». І воно вимагає абсолютно нереального обсягу публікації. Спробуємо втілити цю програму послідовно, охопивши всі аспекти, але встановивши таку глибину захоплення, щоб укластися в статтю. При цьому читач отримує загальну картину, а уточнювати деталі йому доведеться - якщо виникне інтерес - самому.

Ці дві статті будуть про електронні лампи. У першій ми розглянемо теорію, конструкцію, історію та роль у цивілізації приблизно до середини минулого століття. У другій - їх роль у другій половині століття, технологію та перспективи. Для такого поділу матеріалу є кілька причин, головна з них така: у другій половині століття у ламп виник конкурент - напівпровідниковий прилад, транзистор. Це суттєво вплинуло на розвиток ламп, а конкуренція між лампами і транзисторами і поділ ними сфер впливу найсильнішим чином вплинули на техніку взагалі і на розвиток цивілізації в цілому. Досить сказати, що без транзисторів ми б не мали сучасних комп'ютерів, а без ламп - радіо і телебачення.

Почнемо з визначення і декількох принципових тез. Електронна лампа - це один з приладів, призначених для перетворення електричних сигналів, і він використовує вплив електричного і магнітного поля на електрони, рухаються у вакуумі. Від напівпровідникових і газорозрядних приладів лампу відрізняє те, що в ній вакуум. Отже, потрібний балон, що відокремлює вакуум від атмосфери. Раз ми збираємося працювати із світлом, потрібен катод - електрод, з якого ми будемо отримувати електрони. Найчастіше це термокатодом, тобто енергію, необхідну електронам для виходу з катода у вакуум, ми будемо повідомляти ним шляхом нагріву. Для нагрівання буде потрібно нагрівач. Раз ми витягнули електрони, треба буде їх повернути (дотримуючись закон збереження заряду), тобто буде потрібно анод - електрод, який візьме електрони з вакууму і поверне їх у електричний ланцюг. І нам буде потрібно якийсь електрод, за допомогою якого ми будемо керувати електронами. У найпростішому варіанті такий електрод буде один, його називають сіткою, він дійсно на неї схожий, і саме крізь неї пролітають електрони, тримаючи шлях від катода до анода. При зміні напруги на сітці змінюється потік електронів: негативна напруга на сітці, негативний заряд відштовхує електрони, позитивний притягує. Сіток може бути кілька, напруга на кожній буде впливати на тік, і ми отримаємо змішувач - лампу, на якій сигнали будуть «змішуватися». Все це називається «Лампи з електростатичним управлінням.

Якщо ми спробуємо посилювати такою лампою сигнал все більш високої частоти, то виникне проблема. Електрон потрібен якийсь час, щоб долетіти від катода до сітки, і якщо за час його польоту напруга на сітці встигне змінити знак, вплив напруги на струм втомиться Він, і в результаті зникне зовсім. Для роботи в області таких частот застосовуються лампи «з протяжним електронним пучком». Існує кілька типів таких ламп, а основні принципи їх роботи були запропоновані в передвоєнні роки - стимулом став розвиток радіолокації. Саме такі лампи застосовуються для космічного зв'язку і в телебаченні, і в доступному для огляду майбутньому вони не будуть витіснені напівпровідниковими приладами, оскільки є принципові фізичні обмеження на створення високочастотних і потужних напівпровідникових приладів. В області ж низьких частот електронні лампи в значною мірою поступилися місцем напівпровідників, за винятком високовольтних і сільноточних приладів і ламп для високоякісного посилення звуку. У першу випадку напівпровідникова експансія обмежена відносно низьким - не більше декількох кіловольт - робочою напругою і відносно невеликим - не більше кілоампер - струмом, у другому випадку - нелінійністю залежностей струмів від напруг, прикладених до приладів. Ще дві області застосування, в яких напівпровідникові прилади не можуть змагатися з лампами, - це високі температури і радіація.

Якщо у визначенні електронної лампи викинути слово «електричних», то доведеться вважати лампою і кінескоп (в телевізорі і комп'ютері), який перетворює електричний сигнал в оптичний, і фотоелемент, який здійснює зворотний операцію, і електронно-оптичний перетворювач, який робить і те, і це. Відносити їх до електронних ламп чи ні - справа смаку. Ми так вчиняти не будемо з простої причини - інакше в статтю вже точно не впораємося.

Електронна лампа виникла з електричної. Створив першу електронну лампу Т.А. Едісон, і сталося це так. Світло в електричних лампа випромінює в ті часи напруженій вугільної ниткою. Від нитки летіли на всі боки не тільки фотони, але й щось, осідає на балоні і викликало його потемніння. Едісон припустив, що летять негативно заряджені вугільні пилинки. Якщо ввести в лампу додатковий електрод, - вирішив він, - і подати на нього позитивний щодо нитки потенціал, то пилинки будуть притягатися до цього електрода і не потраплятимуть на балон.

Але балони все одно темнішали. Прикро; зате Едісон виявив, що в ланцюзі додаткового електрода протікає струм. Так у 1883 році він відкрив два нових явища: протікання струму через вакуум і термоеміссію - випускання заряджених частинок нагрітими речовинами. Пізніше ця два явища разом були названі «ефектом Едісона ». Як практично мисляча людина (автор понад 1000 патентів), він придумав і прилад на основі цих ефектів. Оскільки струм, поточний в ланцюзі додаткового електрода, сильно залежав від напруги, доданої до нитки (званого напругою напруження), Едісон запропонував використовувати цей ефект для виявлення малих змін напруги. А ось кінці батареї він не перекинув, і те, що в його умовах вакуум пропускає струм тільки в одному напрямку, не виявив. Доданий ефект був відкритий лише через 21 рік!

Між тим в 1887 році (за деякими джерелами - в 1886-му) Дж.Дж. Томсон встановив, що струм у лампі Едісона переносять саме електрони, а не іони. Але, можливо, це властивість саме вугілля? Ні, якщо нитка була металевою, електронний струм виникало теж. Він ставав особливо великий, якщо нитка покривали порошком окису кальцію (ну, тобто зубним порошком). Так в 1904 році А. Венельт відкрив оксидний катод, який мав через півстоліття завоювати світ електронних ламп. У тому ж році Дж.А. Флемінг нарешті перекинув кінці від батареї, подав на додатковий електрод мінус щодо нитки і негайно виявив, що струм не йде. Він і створив вакуумний діод.

Однак цей діод був не зовсім вакуумним. У 1908 році Ф. Содді виявив, що при поліпшення вакууму струм зменшується. Виникло природне - хоча й, на щастя, невірне - припущення, що в абсолютному вакуумі струму не буде зовсім. Вакуумна електроніка була готова померти, не народившись. З'ясувалося, що зменшення струму при поліпшенні вакууму викликане освітою в лампі негативного заряду. А чому він не впливав раніше? Адже вже летять через зазор катод-анод електрони мають негативний заряд, відштовхують електрони, тільки-тільки вилетіли з катода, і зменшують цим струм, поточний через зазор. Але за наявності газу електрони іонізуют його, причому нові електрони починають рухатися разом зі старими до анода, а позитивні іони, що мають у середньому в 60 000 разів більшу масу, йдуть з зазору повільно і тому створюють в ньому позитивний заряд, що компенсує заряд електронів. Тому за наявності газу сумарний заряд виявляється менше, а струм більше. Але й без іонної компенсації рух електронів у вакуумі виявилося цілком можливо. Перший справжній саме вакуумний діод був створений в 1913 році У. Кулідж і в 1915 році С. Дешманом. Для отримання у вакуумних лампах того ж струму, що і в лампах з частковою компенсацією просторового заряду, були потрібні великі напруги між катодом та анодом, але зате ці лампи працювали стабільніше. Бо хоч гарний вакуум і важче отримати, ніж поганий, але для роботи лампи з компенсацією потрібен не просто поганий вакуум, а стабільно поганий.

Основна формула, що описує роботу електронних ламп, була отримана І. Ленгмюра в 1915 році. Називають її чомусь не формулою Ленгмюра, а «законом 3/2». Втім, людина, яка зробила для фізики і хімії стільки, скільки зробив Ленгмюр, не став б витрачати час на суперечки про пріоритет. Закон звучить так: струм, який протікає через вакуумний зазор, пропорційний площі електродів, напрузі на зазорі в ступені 3/2 і обернено пропорційний квадрату ширини зазору. Це при позитивному напрузі на аноді щодо катода, коли анод притягує електрони. При негативному напрузі струм не йде. Тому діод може бути застосований в якості випрямляча, тобто приладу, що пропускає струм в один бік і не пропускає в іншу, як «нелінійного Едісона - для контролю малих змін напруги. З цих трьох ідей радіотехніка використовувала перший - активно, другий - слабше, а третій, здається, не використовувала зовсім.

Однак діод навіть не цілком лампа - в ньому немає незалежного способу управління рухом електронів. Чи існують інші, крім зміни температури катода і напруги на аноді, способи управління рухом електронів? Рух електронів залежить від електричних полів, створених наявністю зарядів і потенціалів на будь-яких електродах, що стоять на шляху електронного потоку або поруч з ним.

В 1906 Лі де Форест поставив на шляху електронів сітку. Тепер керуючий сигнал треба було подавати на неї, а вихідним сигналом як і раніше був анодний струм. На рух електронів в лампі, і, отже, на ток анода, тепер впливають дві напруги - на аноді і на сітці. Причому сіткове впливає набагато сильніше -- вона ближче до катода. Величину, яка говорить, у скільки разів зміна напруги на сітці впливає на ток сильніше, ніж зміна напруги на аноді, називають посиленням. Відношення змін струму до зміни напруги на сітці -- крутизною (не в сучасному розумінні, в у сенсі - крутизна характеристики, графіка). Крутизна визначає здатність лампи посилювати радіосигналів, коефіцієнт підсилення - здатність лампи посилювати низькочастотне (звукове) напруга. Тому в залежності від призначення лампи треба боротися (як і слід було очікувати) за різні параметри. Зауважимо, що це були лампи «з поганим вакуумом», тобто з частковою компенсацією заряду. Справжній саме вакуумний тріод був створений І. Ленгмюром і Г. Арнольдом в 1915 році.

Для роботи першого тріодів потрібно було анодна напруга близько 100 вольт. Бідні радіоаматори тримали під столами батареї по кілька десятків банок, і несло від них кислотою ... Пізніше, коли радіоапаратура стала харчуватися в основному від мереж змінної напруги, що допускають його зміна шляхом трансформації, гострота проблеми зменшилася. Але не зникла зовсім, а, крім того, на шляхах зменшення анодного напруги було знайдено і вирішення проблеми великого посилення.

Чому тріода потрібно мати велике анодна напругу? Тому, що при цьому виходить великий анодний ток. Якщо анодна напругу зменшити, то зменшиться струм і, отже, крутизна. Як розірвати цей ланцюжок? Як отримати великий анодний ток при малій напрузі? Здавалося б, відповідь прямо випливає з формули Ленгмюра - наблизивши анод до катода. Так, але при цьому анодна напруга починає сильніше діяти на струм і, отже (дія-то сітки залишається таким ж!), зменшується посилення. Тобто добре б і наблизити анод до катода, і не наблизити його ... Напевно, приблизно так міркували В.І. Коваленков в 1911 році і той же І. Ленгмюр в 1913 році, які запропонували ввести в тріод додаткову сітку, що знаходиться найближче до катода, і подати на неї позитивне напругу. Ці лампи були названі «двухсеткамі», і вони дійсно працювали при менших анодних напругах - близько 10 ... 20 В. Але з роками отримувати високі напруги стало легше, і, здавалося, століття двухсеток скінчився.

Друге народження другої сітки сталося, коли В. Шотткі і А. Холл, за одними джерелами - В 1919, а за іншими - в 1926 році, запропонували розташувати другий сітку не ближче до катода, а навпаки - ближче до анода. Пріанодная сітка екранувала катод від анода, зменшувала його вплив на тік, і, отже, збільшувала посилення. Ця лампа була названа Тетрод. Так було вирішено проблему малого посилення тріода. В. Шотткі і А. Холл ще увійдуть в історію фізики - відкриттям ефекту Шотткі і ефекту Холла, але поки вони цього не знають.

Втім, і крутизну хочеться збільшити. З формули Ленгмюра видно, як її збільшити -- наблизити сітку до катода. На цьому шляху за двадцять років (з початку сорокових до кінця п'ятдесятих років) зазор сітка-катод було зменшено в 10 разів: з 200 до 20 мікрон. Але це вимагало створення технології виготовлення дроту діаметром 7 мікрон (у 7 разів тонше волосся) і радикальної зміни технології і конструкції ламп. Адже мало виготовити цей дріт, треба ще зробити з неї сітку, на щось намотати, якось закріпити. Все це було зроблено, але лампи з такими сітками були складні у виробництві та дороги. Інший шлях - це був знову шлях двох сіток: прікатодная сітка з позитивним потенціалом збільшувала струм і крутизну.

В 1926 фірмою «Філіпс» був випущений пентод - лампа з п'ятьма електродами або трьома сітками. Третя сітка перебувала між другим і анодом. На неї подавалося напруга, більш низьке і чим на другій сітці, і чим на аноді, частіше за все її просто з'єднували з катодом. Третя сітка була призначена для боротьби з «дінатронним ефектом "- попаданням на другому сітку електронів, вибитих з анода (цей ефект називається вторинної електронної емісією). Вона їх відштовхувала і повертала додому - на анод.

Друга сітка була введена для отримання більшого посилення, третій - для позбавлення від дінатронного ефекту. Але нізвідки не випливає, що їх не можна застосовувати і для чого-небудь іншого. Наприклад, якщо на одну сітку подати змінну напругу з частотою f1, а на іншу - з частотою f2, то в ланцюзі анода лампи протікати струми з частотами nf1 ± mf2, де n і m = 0, 1, 2, 3 ... (результат повинен бути більше нуля). Фільтрами, налаштованими на відповідні частоти, ці струми можна розділити. На «змішуванні» частот і виділення різницевої частоти f1 - f2, де f1 - частота сигналу, а f2 - сигналу, що генерується в приймачі спеціальним генератором (гетеродином), заснована радіозв'язок. Лампа, в якій змішуються сигнали, що називається «змішувачем». Існують лампи з чотирма сітками (гексод), п'ятьма (гептод) і шістьма (октод). У деяких випадках частина лампи виконує роль «лампи гетеродина», а частина - «лампи змішувача». У цьому випадку передача сигналу з гетеродина в змішувач відбувається не за проводів, а шляхом потрапляння електронів з однієї частини лампи в іншу, тобто струмом у вакуумі.

Як працює звичайний тріод при подачі на нього високочастотного змінного напруги? Поки напруга на сітці більше середнього, на електрони, які летять від катода, діє велика прискорює поле. Якщо напруга менше середнього, прискорює поле теж менше. Якщо, поки електрон летів, пройшов період змінної напруги, то підсумкове вплив на електрон відсутній -- полперіода його штовхали, полперіода гальмували. Отже, на частоті, на якій період змінної напруги дорівнює часу прольоту електрона, лампа працювати вже зовсім не може. Кращі СВЧ-лампи працюють на частотах до 10 гігагерц. Досягається це зменшенням зазору між катодом і сіткою до 10 мікрон - з відповідним зростанням складності виготовлення і вартості, а також зменшенням надійності та потужності.

З збільшенням робочої частоти виникають і інші проблеми. Оскільки напруга на сітці змінюється, електрони влітають в зазор сітка-анод з різними швидкостями. Час прольоту від сітки до анода теж не дорівнює нулю, і електрони можуть «перепутиваться» - Влетіла пізніше, але з великими швидкостями, можуть обганяти що влетіла раніше, але з меншими швидкостями. У результаті буде спотворюватися форма імпульсу, якщо лампа працює в імпульсному режимі. Нарешті, резонансна частота контуру зростає зі зменшенням індуктивності і ємності. Якщо лампа працює на деякій частоті, звичайно в її сіткової і анодного ланцюгах застосовуються контури, налаштовані на цю частоту. Але лампа має власну ємність (між електродами) і власну індуктивність (вводів). Ні менше цієї ємності, ні менше цієї індуктивності ємність і індуктивність контуру зроблені бути не можуть.

Це проблеми, пов'язані з частотою. Є ще проблеми, пов'язані з потужністю. Дальність дії радіолокатора і радіопередавача і здатність працювати в умовах перешкод залежать від потужності. Її можна збільшити або шляхом збільшення струму лампи, або шляхом збільшення напруги. Оскільки максимальна щільність струму, відібраного з катода, обмежена, треба або збільшувати площу катода, або напруга. І те й інше означає збільшення розмірів лампи, оскільки при збільшенні напруги доводиться збільшувати зазори між електродами у уникнути електричного пробою.

Іноді - І це найцікавіше - рішення буває проміжним, коли нова лампа не є просто збільшеною старої, а складається як би з декількох ламп в загальній вакуумної оболонці. Іноді ці лампи мають і ще якісь спільні деталі. Наприклад, стандартним рішенням є наявність у лампі декількох катодів при одній сітці і одному аноді. Іноді межа між «загальним» і «приватним» проходить так хитро, що не відразу і розберешся. Наприклад, у багатопроменевий лампі, яка була запропонована В.Ф. Коваленко у 1940 році і А.П. Федосєєвим в 1941 році, катод нагрітий весь, але покриття, емітує електрони, заповнює не всю його поверхню, а тільки ділянки між стрижнями сітки. Тому електрони пролітають в основному повз сітки навіть при позитивному напрузі на ній.

Одним з напрямків розвитку конструкцій ламп були спроби зменшення кількості деталей. У 1934 році Ю.А. Кацман і А.А. Шапошников запропонували конструкцію «Штабельні лампи». На керамічних рамках закріплювалися окремі електроди, потім рамки складалися штабелем, стопкою. Така лампа могла бути маленькою, її збірку можна було механізувати. Вона була термостійкої (рамки з кераміки) і високочастотного (малі зазори).

В електронної лампи електрони пролітають крізь сітки. Уявіть собі електронний потік, що пронизує дві близько розташовані сітки. Поки між сітками немає напруги, отже, в зазорі між ними немає поля, кожен електрон вилітає з зазору з тією ж швидкістю, з якою влітає в нього. Коли напруга між сітками є, швидкість електронів буде збільшуватися, якщо полі між сітками прискорює, і зменшуватися, якщо гальмівний. Що станеться, якщо напруга змінюється синусоїдально? Електрони, що перетинають зазор при прискорює полі, будуть рухатися швидше тих, які перетинали зазор при гальмуючим поле. У результаті електрони почнуть збиратися в згустки, що складаються з електронів, що пролетів зазор раніше, але при гальмуючим полі, і пролетів пізніше, але при прискорює поле. Так утворюється електронний прибій - електронні хвилі, накочуються на берег ... Електронні згустки - це щось потужне, серйозне, майже відчутне. Так що начебто можна мале напруга перетворити на щось більше. Але у що?

Модуляція швидкості ми створили, пропустивши електронний потік між двома сітками. Спробуємо використовувати ту ж систему для відбору енергії від електронних згустків. Якщо, скажімо, електронні згустки пролітають через зазор між сітками, в якому є гальмівний поле, то з зазору електрони вийдуть з меншими енергіями -- значна частина енергії ми у них відібрали. Треба б це поле створити ... Зараз ми введемо дуже важливе для техніки електровакуумних приладів поняття - «наведений струм ». Нехай всередині зазору, від лівого електрода до правого, летить електрон (хоч один, хоч згусток). У міру польоту напруженість поля між лівим електродом і згустком зменшується, а між згустком і правим електродом зростає. Значить, змінюються і щільності зарядів на електродах і, отже, протікає струм в ланцюга, що сполучає ці електроди. Це і є наведений струм. Зверніть увагу -- електрон не потрапляє на електрод, а струм у ланцюзі йде.

Цей струм і несе енергію, віддану електронами. Він може заряджати акумулятор, виділяти тепло в опорі або використовуватися як-небудь інакше. Якщо електроди з'єднані опором, то на ньому, відповідно до закону Ома, при протіканні струму виникне напруга. Ця напруга має таку полярність, що поле гальмує електрони. Інакше й бути не могло - якби полярність напруги була б іншою, пучок сам собою б прискорювався. Як тоді бути з законом збереження енергії? А так все в порядку - енергія, втрачена пучком, надходить в навантаження і, якщо це просте опір, перетворюється в тепло. Отже, з допомогою двухсеточного зазору можна створити у електронного пучка модуляцію по швидкості, потім вона перетвориться в модуляцію по щільності, і за допомогою двухсеточного ж зазору у такого пучка можна забрати енергію. Цей прилад винайшли в 1939 році брати Р. та З. Варіано і, незалежно, В. Хан і Г. Меткалф. Назвали вони його «клістрон» - від грецького слова, що означає бити або обливали хвилею. Пізніше його стали називати пролітний клістрон, щоб відрізняти від іншого приладу, про який ми розповімо трохи нижче. Обидва ці приладу можуть працювати на частотах, в 100 разів більш високих, ніж найкращі лампи з електростатичним управлінням.

Уявіть собі, що треба передавати інформацію та є передавач, що працює на деякій частоті f. З якою швидкістю можна передавати інформацію за наявності такого передавача? Нехай ми можемо управляти переданим сигналом, вирізаючи з нього окремі періоди коливань. Таким способом можна передавати інформацію зі швидкістю f біт/с (1 біт - це один вибір з двох ситуацій: є напівхвиль або немає; для передачі літерного тексту треба 5 біт на букву (якщо різних букв -- 32)). Існує багато видів модуляції, і швидкості передачі інформації з їх допомогою різні. Але порядок величини буде таким, як ми отримали. Чим більше інформації ми хочемо передати, тим вище потрібна робоча частота, тому телевізійні передачі ведуть на частотах метрового діапазону і навіть на більше коротких хвилях. Крім того, високочастотні електромагнітні коливання використовуються в радіолокації, для живлення прискорювачів і для багатьох інших цілей, в тому числі для нагрівання продуктів у мікрохвильових печах.

Згадаймо про проблеми ламп. Ось якими вони були: час прольоту катод - сітка, час прольоту сітка-анод, ємність/індуктивність лампи. Як вчинив з цими проблемами клістрон? Зменшити час прольоту можна збільшенням швидкості електрона. Це і зроблено в клістроне. Спочатку електрон прискорюється щодо високою напругою і лише потім вводиться в двухсеточний керуючий зазор. Час прольоту сітка-анод звернена на користь - саме в цей час швидкісна модуляція перетвориться в модуляцію по щільності. А що робити з ємностями і індуктивності? Уявімо собі контур, настроєний на дуже високу частоту. Конденсатор в ньому - дві пластини, індуктивність - шматок дроту, їх з'єднує. У такого контуру є недолік - він буде сильно випромінювати в навколишній простір. Як з цим боротися? Відомо як - екрануванням. Прокрутіть подумки провід, який з'єднує пластини конденсатора, навколо осі -- отримаємо щось, схоже на тор ( «бублик»). Разом з пластинами він утворює те, що називається «об'ємний резонатор». Ємність в нього пов'язана з пластинами, а індуктивність - з іншою оболонкою. А як добре він поєднується з двухсеточним зазором! Треба тільки зробити зазор з двох сіток, або на лампу з двухсеточним зазором надіти зовні (можна вже поза вакууму) «індуктивного» частину резонатора - тор. Для неозброєного ока він виглядає порожнім зсередини. Але ми-то знаємо - всередині у нього магнітне поле. Пролітний клістрон можна легко перетворити в генератор. Для цього треба вивести частину сигналу з вихідного резонатора і повернути її у вхідній. Якщо зсув фаз у самому клістроне і в колі зворотного зв'язку такий, що частина вихідного сигналу, повертаючись на вхід, збігається за фазою з вхідним сигналом, підсилювач може перетворитися в генератор.

Зауважимо, що сигналом є і сам електронний потік, точніше - що поширюються в ньому електронні згустки. Що, якщо змусити їх повертатися у вхідний резонатор? Нехай, наприклад, замість другого резонатора стоїть «відбивач» -- електрод, на який подано негативна напруга. Згусток підлетить до нього, розвернеться і полетить назад, до вхідного зазору. Проходячи через вхідний зазор, такий згусток викличе появу електричного поля. Якщо фаза цього поля така, що воно буде посилювати модуляцію електронного потоку, з кожним прольотом сигнал буде наростати, прилад почне генерувати електромагнітне поле. Змінюючи напругу на відбивачі, можна керувати часом польоту згустку між першим і другим проходами через резонатор. Чим більше негативне напруга на відбивачі, тим на більшій відстані від себе він зупинить згусток і змусить повернутися його в зазор. Тому в відбивної клістрона частота генеруються коливань змінюється при зміні напруги на відбивачі. Природно - він генерує на тій частоті, на якій виконується умова збігу фаз, а час польоту згустку і фаза його прибуття залежать від напруги на відбивачі. Але звідки береться найперший згусток, найперша неоднорідність потоку, з якої починається лавинної наростання сигналу, що переходить у генерацію? Найперші неоднорідності - це флуктуації електронного потоку, випадкові неоднорідності, які є завжди. Хоча б тому, що потік заряду не безперервний - він складається з окремих електронів.

відображальний клістрон був створений в 1940 році В.Ф. Коваленко і, незалежно від нього, Н.Д. Девяткова, Е.Н. Данільцевим, І.В. Піскуновим. Протягом десятиліть він був основним типом генератора надвисокочастотних (НВЧ) коливань. Пізніше напівпровідникові прилади склали відбивної клістрону серйозну конкуренцію. Однак у діапазоні міліметрових довжин хвиль ЕВП як і раніше, «дають фору »напівпровідників.

Тут ми повинні зробити невелике чисто людське відступ. У багатьох книгах про винахід відбивної клістрона писали, що він був винайдений академіком Девяткова. І все. І не брехали, і правди не говорили. Успішно замовчувалася роль Вадима Коваленко і в інших випадках. А він зробив великий внесок у розвиток радянської вакуумної електроніки: досить сказати, що в деякі роки половина статей в журналі «Електроніка НВЧ» - головному журналі галузі -- містила або посилання на його роботи, або подяки йому «за корисне обговорення »,« за критику »і т.п. І це при тому, що своїх оригінальних публікацій у нього було небагато. Він разюче умів вгадувати важливі проблеми, успішно вирішував їх і писав ясні статті - в сенсі методики викладання багато його роботи залишаються неперевершеними. Ми всі робили одну справу, звідки ж бралася заздрість? Невже тому, що він - розумна людина і чудовий оповідач -- користувався великим успіхом у жінок? Ми всі рівні перед історією, вона все розставить по своїх місцях, суперечки про пріоритет не потрібні тим, кого все одно давно немає з нами, а коли-то вони не будуть потрібні і нам. Наша чесність - в цих питаннях теж - потрібна нам самим і зараз.

Проблем в області конструкції і технології ЕВП СВЧ виявилося чимало. Простіше сказати, що там все - проблема. По-перше, сітки, що утворять зазор в резонаторі. Якась частка електронів осідає на цих сітках, миттю перетворюючи всю свою кінетичну енергію в теплову. Сітки робили і тугоплавкі, і з тонкими високими ребрами (щоб вони краще передавали тепло на охолоджувану частина резонатора), але все одно - у потужних приладах сіток як таких немає. Електронний пучок летить через отвір - як би через сітку з одним великим вікном.

Наступна проблема - «вікно для виведення енергії». Потужні електромагнітні коливання генеруються у вакуумі, а чи потрібні вони нам зовні приладу, в повітрі. Здавалося б, особливої проблеми немає - будь-яке скло або кераміка прозорі для електромагнітного випромінювання і «не прозорі» для повітря. Але частина електромагнітного випромінювання поглинається склом або керамікою і нагріває її. Кераміка - матеріал сам по собі термостійкий, однак при нагріванні збільшується її провідність, вона починає сильніше поглинати електромагнітне випромінювання, ще сильніше нагріватися і так далі. Цей процес називається тепловим пробоєм, а закінчується він наскрізним проплавлення отвором, що з'єднує вакуумний обсяг приладу і атмосферу.

Багато ЕВП СВЧ працюють в імпульсному режимі. Це означає, що електронний потік обрушується на поверхню колектора імпульсами - скажімо, 1 мкс струм йде, а потім 1 мс струму немає. Тут, на колекторі, кінчається коротка, але яскрава біографія електрона - у вакуумі він прискорювався, гальмувався і генерував, а в металі є тільки безликий електронний газ, там електрони не відрізняються один від одного. Але наостанок електрон мстиво робить ось що - віддавши залишок енергії на нагрів колектора, він сприяє його руйнування. Дійсно, коли струм йде, поверхня колектора нагрівається, у паузі - остигає. При нагріванні й охолодженні виникають термічні напруги, у матеріалі колектора потроху накопичуються дислокації, потім виникають тріщини, і в підсумку колектор починає руйнуватися.

Що Щодо вікон для виводу енергії, то вони перегріваються і руйнуються через поглинання в них енергії електромагнітної хвилі. Здавалося б, створенням діелектриків з дуже малою провідністю це завдання можна вирішити. На жаль, електрон, б'ючись про будь-який матеріал, вибиває з нього вторинні електрони. Ну і що? Нехай навіть шалений електрон вдарився в керамічне вікно виводу енергії - ну виб'є він скільки-то вторинних електронів, ну розлетяться вони куди попало, і все. Але, по-перше, виб'є він вторинних електронів досить багато - кілька штук. По-друге, раз вікно це призначене для виводу енергії, то, значить, навколо нього і в ньому самому завжди є сильне електромагнітне поле. Вторинні електрони прискоряться цим полем, наберуться від нього енергії, вріжуть в кераміку, виб'ють з неї ще більше вторинних електронів, які знову прискоряться полем, і пішло-поїхало. Електронна лавина наростає, енергія віднімається від електромагнітної хвилі і йде на нагрів вікна. Такого знущання - а воно називається високочастотним вторинно-електронним розрядом - не витримує сама високотемпературна кераміка. Рішення було знайдено, але про це - пізніше. А поки поговоримо про інший прилад.

Можливо, що винахідник лампи біжить хвилі Р. Компфнер придумав її в 1944 році, піднімаючись з якої-небудь сходах. Особливо зручно було б зробити це винахід, якби в середині сходового отвору повільно рухався ліфт, а людина, швидко піднімалася по сходах, міг би заглядати в кабіну. Звичайно, відновити, як саме було зроблено винахід, важко. Технічний детектив в чем-то, мабуть, сильно відрізняється від просто детектива, бо хороших детективів багато, а хороших технічних детективів мало.

Уявіть собі, що ліфт рухається трохи швидше людини і з нього підштовхують що біжить гвинтовими сходами людини - швидше, швидше! Згідно з третім законом Ньютона, на ліфт буде діяти сила, спрямована проти руху, він буде гальмуватися і віддавати свою енергію людині, що біжить по сходах. У результаті їх швидкості зрівняються. Чи не обвивається сходи навколо шахти ліфта, нічого б не вийшло - людина рухається по прямій сходах швидше ліфта. А якщо вона обвивається, довжина її збільшується. Можна підібрати кут нахилу витків спіралі ( «Сходи») та швидкість електронів ( «ліфта») так,щоб електромагнітна хвиля, біжить по спіралі, мала ту ж швидкість переміщення уздовж осі спіралі, що і електрони.

Візьмемо дріт, звернемо її в спіраль і запустимо в один її кінець електромагнітну хвилю. По осі ж пропустимо електронний пучок і почнемо варіювати енергію (швидкість) електронів. Коли енергія електронів буде така, що швидкість їх стане трохи більше швидкості хвилі ( «осьовий» швидкості), почнеться перекачування енергії від електронів до хвилі, і з вихідного кінця спіралі ми отримаємо більше потужну хвилю і кволі - зі зменшеною енергією - електрони. У лампі біжить хвилі, як і в клістроне, відбувається перетворення модуляції за швидкістю в модуляцію по щільності. Тільки напруженість поля у спіралі менше, ніж у резонаторі (в резонаторі є резонанс). Тому потрібен великий шлях - і електронам і хвилі треба пройти багато витків спіралі, щоб виникла помітна модуляція, а потім, після перетворення модуляції, хвиля почала посилюватися, відбираючи енергію від збираються в згустки електронів. Збираються електрони в ті місця хвилі, де поле змінює знак - ззаду воно прискорює, спереду гальмівний, -- як люди перед входом в метро в час пік.

Можна зробити з клістрона і ЛБХ гібридний прилад, узявши один кінець від одного приладу, а інший - від іншого. Якщо створювати вихідну модуляцію, як у LBV, потім давати електронам подрейфовать, а знімати сигнал з пучка резонатором, як у клістроне, вийде один гібридний прилад. Якщо ж створювати вихідну модуляцію, як у клістроне, а знімати сигнал з пучка, як у ЛБХ, вийде інший гібридний прилад. Всі ці прилади вже придумані. Як би дізнатися, які прилади ще не придумані? Нижче повернемось ми до цього цікавого питання.

Ми почали з аналогії між сходами і спіральної сповільнює системою. Раніше всіх в ЛБХ була використана як сповільнює системи спіраль. Але час йшло, вимоги до потужності і робочій частоті ЛБХ збільшувалися. А спіраль важко охолоджувати - вона закріплюється на діелектричних опорах, які проводять тепло погано. При довжині хвилі менше 5 мм зробити спіраль стає важко. Для роботи в області великих потужностей і малих довжин хвиль застосовуються інші сповільнюють системи. Такі системи складаються з окремих резонаторів, пов'язаних отворами, через які електромагнітне поле проникає з одного в інший.

LBV, як і клістрон, можна перетворити на генератор. По спіралі хвиля може поширюватися в обидві сторони. Йдучи в один бік, вона посилюється, подкачіваясь від пучка, а в іншу біжить сама по собі, потроху затухаючи. Чи не можна зробити якусь подобу LBV, в якій буде посилюватися зворотна хвиля? Тоді замикання ланцюга зворотного зв'язку буде автоматичним, навіть без урахування відображень на кінці: в один бік енергія буде переноситися електронами, а назад - хвилею. І ми отримаємо генератор. Але чи можна зробити так, щоб електрони віддавали енергію хвилі, що поспішає назустріч їм? Уявіть собі, що електронний пучок летить з одного сторони від металевого екрана з вікнами, а віл