7. К истории вакуумной электроники

Рассказ о начале вакуумной электроники может послужить введением к теме "Электрический ток в вакууме". Необходимо напомнить, что электрон был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 г., но физики осваивали новую идею более пяти лет. Еще труднее было инженерам. Они еще долгое время оперировали понятием ион.

Начало было положено открытием термоэлектронов. В 1884 г. известный американский изобретатель Томас Альва Эдисон в поисках рациональной конструкции лампы накаливания обнаружил эффект, названный его именем. Вот его первое описание: "Между ветвями нити лампочки накаливания, на одинаковом расстоянии от обеих, помещена платиновая пластинка, представляющая собой изолированный электрод... Если включить между этим электродом и одним из концов нити гальванометр, то при горении лампы наблюдается ток, который меняет свое направление, смотря по тому, присоединен ли к инструменту положительный или отрицательный конец угольной нити. Кроме того, его интенсивность возрастает вместе с силой тока, проходящего через нить".

Далее следует объяснение: "по-видимому, в этой лампе частицы воздуха (или угля) разлетаются от нити по прямым линиям, уносят электрический заряд".

Эдисон - изобретатель, он не занимается анализом явления. Цитированными фразами, по существу, ограничивается содержание заметки. Это не больше как заявка на приоритет. Попытки Эдисона найти практическое применение эффекта успеха не имели.

Новый факт сразу же привлекает внимание исследователей. Вильям Прис подвергает его тщательному экспериментальному обследованию. Но факт этот оказывается трудным. И хотя Прис в заключение своей работы говорит: "Совершенно очевидно, что эффект Эдисона обусловлен образованием дуги между угольной нитью и металлической пластиной, укрепленной в эвакуированной колбе лампы", - эффект остается для физиков загадкой.

В 1890 г. известный английский инженер и физик Джон Флеминг (1849-1945) сделал важный шаг к объяснению этого явления. Он связал эффект Эдисона, с фактами разряда в газах. "Исследованиями сэра Крукса, - писал Флеминг,- по-видимому, окончательно доказано, что первопричиной электрического разряда в высоком вакууме является поток заряженных частиц, исходящих из отрицательного электрода. Если это действительно так, то начальная электродвижущая сила, необходимая для возбуждения разряда через столь разреженный газ, естественно должна снизиться при нагревании отрицательного электрода, так как оно способствует отделению заряженных молекул от этого электрода" (курсив мой.- В. Д.).

Мысль Флеминга была уже подготовлена предыдущими исследованиями. Так, В. Гитторф одновременно с Эдисоном отмечает тот факт, что нагревание отрицательного электрода облегчает разряд в вакууме.

В следующем году Гольдштейн, узнав об открытии Эдисона, изучает газовый разряд в трубке с накаливаемой угольной нитью. Он устанавливает, что разряд наступает при меньшем напряжении, если угольная нить находится в накаленном состоянии.

Флеминг изучает изменения, происходящие в угольной нити, накаливаемой током, и находит очевидные следы эрозии. Все это ведет к гипотезе о том, что причиной эффекта Эдисона является выбрасывание заряженных молекул углерода из накаленного проводника.

Флеминг продолжает изучение эффекта. В 1896 г. он публикует большую работу "Дальнейшее исследование эффекта Эдисона в лампах накаливания". В ней представлены результаты опытов с лампами 12 типов со всевозможными вариациями форм, размеров и расположения электродов. Но дело кончается все же полным непониманием сути явлении. Об этом свидетельствует заключение. "Эксперименты, - пишет Флеминг, - подтверждают мнение проф. Дж. Дж. Томсона, что газы, или по крайней мере некоторые газы в разреженном состоянии, являются очень хорошими проводниками, и это показывает, что большая часть препятствия проводимости через вакуумную лампу находится у электродов и может быть существенно изменена нагреванием катода до белого каления".

Дж. Дж. Томсон в 1889 г. использовал эффект для доказательства существования электронов. Эффект Эдисона стал средством исследования электронов. Это не могло не настроить на мысль, что при нагревании катода из него вылетают электроны.

В начале XX в. начала развиваться радиотехника. Наиболее важной проблемой с первых ее шагов была проблема детектора высокочастотных электромагнитных колебаний. Первым детектором был когерер. Но когерер был ненадежным устройством, и изобретатели искали другие возможности. На помощь пришел эффект Эдисона.

В 1889 г. немецкие исследователи Эльстер и Гейтель установили, что газоразрядная трубка с накаливаемым катодом обладает односторонней проводимостью. Это исследование развил Флеминг. В следующем году он сформулировал общее заключение: "Вакуумное пространство между двумя электродами, один из которых накален, а другой находится в холодном состоянии, обладает односторонней проводимостью для электрического разряда при условии, что эти электроды находятся на расстоянии среднего свободного пробега тех молекул, которые вырываются приложенным напряжением и уносятся с горячего отрицательного электрода".

"Молекулы", о которых говорит Флеминг, - электроны, или, как мы теперь говорим, термоэлектроны. Но до понимания механизма процессов в электронной лампе еще далеко. Только после работ Ирвинга Лэнгмюра (1915) радиофизики начнут разбираться в сути. дела.

Естественно, что выпрямляющее действие вакуумного диода явилось предметом особенно пристального внимания радиоинженеров.

В 1904 г. Флеминг увенчал свои многолетние исследования эффекта Эдисона изобретением вакуумного диода. В технике появилась первая электронная лампа - детектор электромагнитных колебаний.

Рис 8. Первая трехэлектродная лампа

Независимым путем шел к той же цели американский изобретатель Ли де Форест (1873-1951). После продолжительных поисков он нашел наиболее перспективным для приема радиосигналов вакуумный диод. В 1903 г. он сконструировал лампу с угольной нитью и платиновой пластинкой, расположенной вблизи от нити. Если присоединить пластинку к источнику высокого напряжения, рассуждал де Форест, то ток через лампу будет проходить в соответствии с ее внутренним сопротивлением, Последнее должно измениться, если лампа находится в поле электромагнитных волн, так как, по мысли де Фореста, радиоволны должны ионизировать газ, находящийся между электродами. Изменения эти должны зависеть от качества радиосигнала, поэтому ток в анодной цепи должен изменяться в такт с сигналом.

Эти наивные рассуждения привели, однако, к гениальному изобретению.

С мыслью увеличить воздействие радиоволн на газ де Форест обернул баллон лампы в кусок фольги и соединил обкладку с антенной. Затем он сообразил, что устройство будет более эффективным, если третий электрод поместить внутрь лампы, расположив его между катодом и анодом.

При этом изобретатель рассуждал так. Угольная нить испускает электроны. Они должны бомбардировать атомы газа и создавать ионы (физика уже хорошо подготовила такое представление). Поток этих ионов под действием электрических сил должен направляться к аноду. Если на пути этого потока поставить электрод, соединенный с антенной, то радиосигнал будет воздействовать на поток, и ток в цепи будет изменяться в такт с сигналом.

Чтобы пропустить поток ионов через электрод, де Форест сначала перфорировал платиновую пластинку множеством отверстий; затем он перешел к сетке в виде проволочной решетки.

Так появился вакуумный триод, сделавший революцию в радиотехнике,

В 1907 г. Ли де Форест взял патент на свое изобретение, которое он назвал аудноном^* (термин до сих пор сохраняется в американской и немецкой радиотехнической литературе).

^*(По-видимому, от лат. audio - слышать и греч. ion - идущий.)

Первая схема родоначальника миллиардов электронных ламп изображена на рисунке 8.

Появление триода открыло возможность усиления слабых, радиосигналов. Первый усилитель построил Либен в 1910 г. В 1913 г. Э. Армстронг предложил метод регенеративного усиления сигналов, а в 1918 г. он создал первый супергетеродин. Генераторы незатухающих колебаний на электронных лампах появились в 1913 г., и уже в 1915 г. была осуществлена радиосвязь на 8000 км между Парижем и Гонолулу.

Особое значение для физики и техники имело изобретение злектронно-лучевой трубки. Биография ее начинается с 1897 г. когда Ф. Браун построил катодную трубку, в которой электронный пучок, управляемый магнитным полем, падал на люминесцирующий экран. Трубка прошла долгий путь усовершенствований и дала начало многочисленному семейству осциллографов - главных приборов при исследовании быстропротекающих процессов.

Более глубокие исследования эффекта Эдисона провел Оуэн Ричардсон. Начиная с 1900 г. он ставил эксперименты с целью выяснения зависимости силы тока, проходящего через диод, от температуры катода. Ричардсон впервые установил, что ток через диод не подчиняется закону Ома и при некотором напряжении достигает насыщения.