Perangkat ini berjaga-jaga selama Perang Dingin, membantu memajukan fisika partikel, merawat pasien kanker, dan meningkatkan suara rekaman Beatles.
Siapa pada umumnya yang mungkin tertarik dengan tabung hampa udara di era yang didasarkan pada karya quintillion perangkat solid-state? Nyatanya, ini sangat menarik! Dalam hal drama, kekayaan dan kejeniusan penemuan, beberapa periode teknis dapat dibandingkan dengan 116 tahun sejarah tabung hampa (sebuah cerita yang bahkan tidak pernah berpikir untuk berakhir).
Sebagai bukti, saya telah menyusun daftar perangkat tabung yang tidak diragukan lagi telah mengubah dunia dalam 60-70 tahun terakhir.
Dan hanya untuk koleksinya, saya melengkapinya dengan beberapa lampu yang ternyata cukup unik, keren atau cukup aneh untuk menghilang begitu saja dalam ketidakjelasan.
Secara alami, setiap kali seseorang membuat daftar sesuatu - sepatu kets paling nyaman, restoran Italia paling otentik di Cleveland, film yang melampaui buku yang mereka buat - seseorang harus memberikan kata-kata, berdebat, atau menambah daftar. Jadi, ulangi yang sudah jelas: ini adalah daftar tabung vakum saya. Tapi saya juga tertarik untuk melihat daftar Anda. Tambahkan pendapat Anda di kolom komentar.
Saya tidak mencoba membuat daftar itu lengkap. Anda tidak akan menemukan lampu kaca berisi gas seperti Nixie , atau thyratron, atau gelombang mikro, atau tabung sinar katoda di sini. Saya melewatkan lampu terkenal, seperti lampu satelit gelombang keliling atau magnetron dari oven microwave. Dan hanya tabung RF yang ada di daftar , jadi saya mengabaikan pertunjukan besar tabung frekuensi audio - dengan satu pengecualian penting.
Tetapi bahkan dalam parameter yang saya pilih, ada begitu banyak perangkat luar biasa sehingga sulit untuk memilih hanya sebelas di antaranya. Jadi inilah daftar lampu saya yang telah mengubah hidup kita, disajikan tanpa banyak pemilahan.
Magnetron medis
Teledyne e2v
Dalam masalah pembangkitan gelombang koheren yang efisien pada frekuensi radio dalam kasus kompak, magnetron tidak memiliki persaingan.
Magnetron pertama kali menjadi terkenal dalam Perang Dunia II sebagai dasar radar Inggris. Pada 1970-an, mereka hampir tidak pernah digunakan dalam radar, tetapi mereka menemukan aplikasinya dalam industri, sains dan kedokteran, dan mereka bekerja di sana sampai hari ini.
Ini adalah contoh terakhir penggunaan magnetron yang sangat mencolok. Ini menciptakan berkas elektron berenergi tinggi dalam akselerator linier. Ketika elektron dari berkas memantul dari inti target - terbuat dari bahan dengan nomor atom tinggi, seperti tungsten - banyak sinar-X dihasilkan. Sinar ini kemudian dapat diarahkan ke tumor untuk membunuh sel kanker di dalamnya. Akselerator klinis pertama yang didedikasikan untuk radioterapi dipasang di Rumah Sakit Hammersmith di London pada tahun 1952. Akselerator tiga meter dialiri magnetron dua megawatt.
Magnetron daya tinggi masih dikembangkan hari ini untuk memenuhi permintaan radioterapi... Foto menunjukkan magnetron medis yang diproduksi oleh e2v Technologies (sekarang Teledyne e2v). Daya puncaknya adalah 2,6 MW, rata-rata 3 kW, dan efisiensinya lebih dari 50%. Panjangnya 37 cm, berat 8 kg, dan kecil serta cukup ringan untuk dimasukkan ke dalam lengan ayun mesin radioterapi.
Gyrotron
Gyrotron ditemukan pada 1960-an di Radiophysical Research Institute di Uni Soviet. Ini adalah perangkat vakum berdaya tinggi yang digunakan terutama untuk memanaskan plasma dalam eksperimen fusi nuklir - misalnya, di ITER , yang sekarang sedang dibangun di selatan Prancis [reaktor termonuklir eksperimental internasional yang akan beroperasi sesuai dengan skema tokamak , juga ditemukan di USSR / kira-kira. terjemahan.]. Dalam eksperimen semacam itu, pemanasan hingga suhu 150 juta ° C mungkin diperlukan.
Bagaimana cara kerja gyrotron megawatt? Ia menggunakan berkas elektron berenergi tinggi yang berputar dalam rongga dalam medan magnet yang kuat [gyrate, eng. - putar dalam lingkaran]. Interaksi antara elektron yang berputar dan medan elektromagnetik rongga menghasilkan gelombang radio frekuensi tinggi yang diarahkan ke plasma. Gelombang mempercepat elektron dalam plasma, sehingga memanaskannya.
Lampu yang menghasilkan energi rata-rata 1 MW tidak akan dangkal. Gyrotron fusi biasanya tingginya 2 hingga 2,5 m dan beratnya sekitar satu ton - khususnya, berkat kumparan superkonduktor 6-7 Tesla.
Selain pemanasan plasma, gyrotron digunakan untuk pemrosesan material dan spektroskopi resonansi magnetik nuklir . Juga, tentara Amerika mencoba menggunakannya untuk membubarkan massa (sistemSistem Penolakan Aktif ). Sistem ini memancarkan berkas gelombang milimeter yang relatif lebar dengan diameter sekitar satu setengah meter. Sinar tersebut harus menghangatkan kulit manusia, menyebabkan sensasi terbakar, tetapi tidak menembus jaringan atau menyebabkan kerusakan.
Perjalanan gelombang lampu mini
Seperti namanya, tabung gelombang perjalanan (TWT) memperkuat sinyal melalui interaksi antara medan listrik dari gelombang elektromagnetik yang merambat atau merambat dan berkas elektron.
Kebanyakan TWT abad kedua puluh dirancang dengan keuntungan yang sangat tinggi, 100.000 atau lebih. Namun, koefisien seperti itu tidak selalu dibutuhkan. Di sini TWT mini berguna, seperti lampu di foto di awal bagian produksi Perangkat Elektron L3Harris . Keuntungannya sekitar 1000 (30 dB). Ini diperlukan untuk kasus-kasus di mana energi keluaran berada dalam kisaran 40 hingga 200 W, dan diperlukan ukuran dan tegangan yang kecil. Misalnya, TWT mini 40 W yang beroperasi pada 14 GHz akan pas di tangan Anda dan beratnya kurang dari 500 g.
Ternyata militer memiliki permintaan yang besar untuk mini TWT. Tak lama setelah kemunculannya pada 1980-an, TWT mini diadopsi dalam peperangan elektronik, dan mulai digunakan di pesawat dan kapal sebagai perlindungan terhadap rudal dengan radar homing aktif . Pada awal 1990-an, pengembang mulai mengintegrasikan TWT mini ke dalam catu daya tegangan tinggi yang ringkas. Sistem ini kemudian dikenal sebagai modul daya gelombang mikro (MPM). Amplifier MPM segera menemukan aplikasi di radar dan pemancar drone militer seperti Predator dan Global Hawk, serta dalam sistem perlindungan elektronik.
Klystron
Klystron membantu mempercepat kemajuan dalam fisika energi tinggi. Klystrons mengubah energi kinetik berkas elektron menjadi energi gelombang radio. Daya keluaran perangkat jauh lebih tinggi daripada TWT atau magnetron. Klystron ditemukan oleh saudara Russell dan Sigurd Varian pada tahun 1930-an, dan didirikan di sebuah perusahaan dengan insinyur lain, Varian Associates untuk menjual instrumen. Saat ini bisnis ini hidup dalam kerangka Komunikasi dan Industri Tenaga.
Dalam klystron, elektron yang dipancarkan oleh katoda dipercepat menuju anoda, membentuk balok. Medan magnet mencegah sinar mengembang saat melewati lubang di anoda dan mengenai kolektor. Struktur berongga, rongga resonator terletak di antara anoda dan kolektor. Sinyal frekuensi tinggi diterapkan ke resonator yang paling dekat dengan katoda, yang mengarah pada munculnya medan elektromagnetik di dalam rongga. Medan memodulasi berkas elektron yang melewati resonator, yang karenanya kecepatan elektron mulai berbeda, dan saat bergerak melalui resonator, dikelompokkan menjadi tandan. Sebagian besar elektron, melewati resonator berosilasi aktif terakhir, melambat. Hasilnya, sinyal keluaran jauh lebih kuat daripada sinyal masukan.
Pada 1960-an, para insinyur mengembangkan klystron untuk beroperasi sebagai sumber gelombang radio di akselerator partikel linier 3,2 km baru milik Stanford. Ini beroperasi pada frekuensi 2.856 GHz dan menggunakan berkas elektron 250 kV. Daya puncaknya adalah 24 MW. Secara total, 240 klystron semacam itu harus dipasang untuk mendapatkan energi partikel di wilayah 50 miliar eV.
Klystron ini membuka jalan bagi penggunaan tabung vakum berskala besar sebagai sumber gelombang radio dalam fisika partikel. Versi 65 MW dari klystron semacam itu masih diproduksi. Klystron juga digunakan untuk menyaring koper, sterilisasi makanan, dan terapi radiasi.
Bepergian tabung gelombang dengan batang cincin
Salah satu lampu Perang Dingin yang masih berfungsi hingga hari ini adalah lampu gelombang keliling yang besar dengan batang cincin. Lampu berenergi tinggi ini memiliki jarak katoda-ke-kolektor lebih dari 3 m, menjadikannya TWT terbesar di dunia.
128 TWT batang cincin memberikan sinyal radio yang kuat untuk radar kisi fase yang sangat kuat di Pangkalan Angkatan Udara Cavalier di North Dakota. Radar ini, yang beroperasi pada 440 MHz, disebut Perimeter Acquisition Radar Attack Characterization System ( PARCS ). Dia mencari rudal balistik yang terbang menuju Amerika Utara. Ia juga melacak peluncuran roket luar angkasa dan objek yang bergerak di orbit, masukjaringan observasi ruang angkasa . PARCS, dibangun pada tahun 1972, melacak lebih dari separuh objek di orbit Bumi. Ia dikatakan mampu mendeteksi sebuah objek seukuran bola basket pada jarak 3200 km.
Versi frekuensi yang lebih tinggi dari lampu batang cincin digunakan dalam radar pengukur fase di pulau terpencil Shemya, yang terletak 1.900 km di lepas pantai Alaska. Ini adalah radar Cobra Dane , yang melacak peluncuran rudal balistik non-AS. Ia juga mengumpulkan data observasi dari peluncuran luar angkasa dan satelit di orbit rendah Bumi.
Skema raksasa ini dikenal sebagai batang cincin. Ini terdiri dari cincin konsentris yang dihubungkan oleh segmen, atau batang yang bergantian, ditempatkan pada interval yang sama di sepanjang panjangnya. Skema ini memberikan intensitas medan yang lebih tinggi di sepanjang berkas elektron dibandingkan dengan TWT biasa, di mana gelombang radio merambat di sepanjang kawat spiral. Intensitas yang lebih tinggi memberikan keuntungan yang lebih tinggi dan efisiensi yang lebih baik. Lampu di foto itu dirancang oleh Raytheon pada awal 1970-an; hari ini mereka diproduksi oleh Perangkat Elektron L3Harris.
Ubitron
Charles Enderby dengan ubitron
"laser elektron bebas" Lima belas tahun sebelum penemuan istilah tabung vakum ada yang beroperasi pada prinsip dasar yang sama - ubitron [ ubitron ], singkatan dari interaksi berkas bergelombang [interaksi balok bergelombang].
Ubitron ditemukan secara tidak sengaja pada tahun 1957. Robert Phillips, seorang insinyur di General Electric Microwave Laboratory di Palo Alto, California, sedang mencoba mencari tahu mengapa satu TWT di laboratorium menunjukkan osilasi dan yang lainnya tidak. Saat membandingkan kedua lampu tersebut, ia melihat variasi dalam pemfokusan magnetnya, yang menyebabkan berkasnya bergoyang di salah satu lampu. Dia menyadari bahwa getaran bergelombang ini dapat menyebabkan interaksi berkala dengan gelombang elektromagnetik di pandu gelombang. Ini dapat berguna untuk memperoleh daya radio puncak yang sangat tinggi. Dan ubitron muncul.
Antara 1957 dan 1964, Phillips dan rekan-rekannya mengumpulkan dan menguji banyak ubitron. Foto di awal bagian diambil pada tahun 1963 dan menunjukkan Charles Enderby memegang ubitron tanpa magnet. Lampu beroperasi pada 70.000 volt dan menghasilkan 150 kW pada puncaknya pada 54 GHz, rekor yang bertahan sepuluh tahun. Namun, pada tahun 1964, Angkatan Darat AS berhenti mendanai penelitian ini karena tidak ada antena atau pemandu gelombang yang dapat menangani energi ini.
Laser elektron bebas saat ini menggunakan prinsip dasar yang sama dengan ubitron. Phillips bahkan memenangkan penghargaan pada tahun 1992 atas penelitiannya di bidang laser semacam itu. Saat ini, laser ini dipasang di sumber cahaya dan sinar-X besar dalam akselerator partikel, dan memancarkan radiasi elektromagnetik yang kuat. Ini digunakan untuk mempelajari dinamika ikatan kimia, fotosintesis, menganalisis kerja obat, dan untuk membuat materi padat hangat yang cocok untuk mempelajari pembentukan raksasa gas.
Karsinotron
Lampu Prancis yang disebut karsinotron adalah contoh menarik lainnya dari perangkat yang lahir selama Perang Dingin. Dia terkait dengan magnetron. Itu ditemukan pada tahun 1951 oleh Bernard Epstein dari Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF), sekarang bagian dari Thales.
Karsinotron, seperti ubitron, muncul dari upaya untuk memecahkan masalah dengan osilasi lampu konvensional. Dalam hal ini, sumber osilasi adalah gelombang suplai yang menuju ke arah yang berlawanan dengan arah berkas elektron. Epstein menemukan bahwa frekuensi osilasi dapat diatur oleh voltase, akibatnya muncul paten untuk lampu gelombang mundur , yang diatur oleh voltase [gagasan untuk membuat BWO diungkapkan pada tahun 1948 oleh ilmuwan Soviet MF Stelmakh / kira-kira. terjemahan.].
Selama 20 tahun, pengacau elektronik yang digunakan di AS dan Eropa telah menggunakan karsinotron sebagai sumber gelombang radio. Lampu dalam foto tersebut adalah salah satu yang pertama diproduksi oleh CSF pada tahun 1952. Ini menghasilkan 200 watt di pita S, dari 2 hingga 4 GHz.
Karsinotron cukup kompak mengingat keluaran tenaganya. Bersama dengan magnet fokus permanen, model 500 W ini memiliki berat 8 kg dan berukuran 24 × 17 × 15 cm, sedikit lebih kecil dari kotak sepatu.
Nama aneh berasal dari kata Yunani karkunos untuk udang karang, Phillippe Touvenin, spesialis elektronik vakum di Thales Electron Devices, menjelaskan kepada saya. Bagaimanapun, udang karang bergerak mundur.
Lampu gelombang perjalanan mode ganda
TWT mode ganda adalah tabung vakum gelombang mikro aneh yang dikembangkan di Amerika Serikat pada tahun 1970-an dan 1980-an sebagai tindakan balasan terhadap radar. Lampu dapat menghasilkan gelombang terus menerus dengan daya rendah dan gelombang intermiten daya tinggi, dan secara total memiliki dua: dua balok, dua sirkuit, dua senjata elektron, dua magnet fokus, dua kolektor - semuanya dalam satu rumah lampu.
Keuntungan utamanya adalah perluasan kemampuan perangkat - misalnya, sistem penghitung dapat beroperasi dalam dua mode, dengan gelombang daya rendah terus menerus dan gelombang daya tinggi yang terputus-putus, tetapi dengan satu pemancar dan umpan antena sederhana. Kisi-kisi kendali pistol elektron di bagian pendek lampu, yang bertanggung jawab atas gelombang intermiten, dapat dengan cepat mengganti mode pengoperasian lampu. Wajar jika rumah lampu rusak, kedua fungsi tersebut berhenti berfungsi.
Lampu di foto dikembangkan oleh Raytheon, yang dibeli oleh Litton Electron Devices pada tahun 1993. Raytheon / Litton dan Northrop Grumman membuat TWT mode ganda, tetapi produksinya terlalu kompleks untuk produksi massal, sehingga dihentikan secara bertahap pada awal tahun 2000-an.
Multibeam klystron
Daya, seperti yang telah kita pelajari sebagai siswa, adalah tegangan dikalikan arus. Untuk mengekstraksi lebih banyak daya dari tabung vakum, Anda dapat meningkatkan voltase melintasi berkas elektron, tetapi Anda harus menambah ukuran tabung dan mempersulit catu daya. Anda juga dapat menaikkan arus balok, tetapi ada cukup banyak masalah dengan ini. Penting untuk memastikan bahwa perangkat dapat menangani arus yang lebih tinggi dan medan magnet dapat dengan aman memindahkan elektron melalui sirkuit - di sepanjang bagian lampu yang berinteraksi dengan berkas elektron.
Selain itu, efisiensi lampu biasanya menurun dengan meningkatnya arus karena gugus elektron yang diperlukan untuk konversi energi terganggu.
Semua kelemahan ini muncul dalam tabung vakum konvensional dengan berkas elektron tunggal dan rangkaian tunggal. Tetapi bagaimana jika kita mengatur beberapa balok yang keluar dari beberapa katoda, tetapi melewati sirkuit yang sama? Meskipun setiap balok memiliki daya rata-rata, arus total akan menjadi besar dan efisiensi perangkat tidak akan terpengaruh.
Perangkat multi-beam seperti itu dipelajari pada 1960-an di AS, Uni Soviet, dan banyak tempat lainnya. Di AS, ini tidak berhasil, tetapi di Uni Soviet, pekerjaan berlanjut, dan mengarah pada pengenalan sukses klystron multi-beam, atau MLK. Di Rusia, banyak dari lampu ini telah digunakan dan digunakan di berbagai bidang, termasuk untuk radar.
Foto tersebut menunjukkan contoh modern MLK yang diproduksi pada tahun 2001 oleh perusahaan Prancis Thomson Tubes Electroniques (sekarang bagian dari Thales ). Ini dikembangkan di laboratorium Jerman Electron Synchrotron ( DESY ). Versi yang lebih baru digunakan di laboratorium Eropa untuk laser elektron bebas sinar-X . Lampu tersebut menggunakan tujuh balok, memberikan arus total 137 A, dengan daya puncak 10 MW dan rata-rata 150 kW. Efisiensinya melebihi 63%. Sebagai perbandingan, klystron berkas tunggal Thomson menghasilkan daya puncak 5 MW dan daya rata-rata 100 kW, dengan efisiensi 40%. Ternyata dalam hal penguatan sinyal, satu MLK setara dengan dua klystron konvensional.
Coaxitron
Semua lampu yang saya jelaskan menggunakan berkas elektron. Namun, sebelum munculnya perangkat semacam itu, kisi digunakan pada lampu - elektroda dalam bentuk layar logam transparan. Mereka ditempatkan di antara katoda dan anoda untuk mengontrol atau memodulasi aliran elektron. Bergantung pada jumlah kisi-kisi semacam itu, lampu disebut dioda (tanpa kisi), trioda (dengan satu kisi), tetroda (dua kisi), dll. Lampu watt rendah disebut "lampu penerima" karena biasanya digunakan di radio atau sebagai sakelar (perlu dicatat bahwa lampu disebut "tabung" di AS dan "katup" di Inggris).
Tentu saja, mereka juga membuat lampu dengan kisi-kisi kendali yang mendukung daya tinggi.... Lampu transmisi telah digunakan - ya, ya - pada pemancar radio. Belakangan, lampu semacam itu mulai digunakan di berbagai bidang menarik di bidang industri, sains, dan militer.
Dalam trioda dan lampu dengan lebih banyak kisi, terdapat katoda, kisi yang mengontrol arus, dan anoda atau kolektor (atau pelat). Kebanyakan dari mereka memiliki bentuk silinder dengan lokasi sentral dari katoda - biasanya berupa benang yang dikelilingi oleh elektroda.
Coaxitron, yang dikembangkan oleh RCA pada awal 1960-an, merupakan modifikasi unik dari desain silinder. Elektroda berjalan sepanjang radius, dari katoda koaksial silinder ke anoda. Akan tetapi, emitor elektron pada katoda koaksitron bukanlah satu-satunya - ia terletak di segmen di sekeliling keliling, dan banyak filamen yang dipanaskan berfungsi sebagai sumber elektron. Setiap utas memberikan berkas elektronnya yang kecil. Karena berkas ini bergerak secara radial menuju anoda, tidak diperlukan medan magnet untuk membatasi aliran elektron. Oleh karena itu, coaxitron ternyata sangat kompak, mengingat tingkat kekuatannya yang signifikan, pada urutan satu megawatt.
Coaxitron 1 MW 425 MHz memiliki berat 59 kg dan panjang 61 cm. Meskipun memiliki penguatan yang cukup sederhana yaitu 10 hingga 15 dB, sebagai penguat frekuensi ultra-tinggi dan ringkas, ini adalah perangkat yang unik. RCA ingin membuat akselerator pada perangkat semacam itu, tetapi pada akhirnya mereka mengakar di radar UHF. Dan meskipun perangkat solid-state baru-baru ini menggantikan coaxitrons, beberapa di antaranya masih berfungsi di sistem radar lama.
Tabung audio Telefunken
Contoh penting dari lampu yang jaringannya berada di ujung spektrum daya dan frekuensi yang berlawanan dibandingkan dengan monster megawatt seperti klystron atau gyrotron. Telefunken VF14M dihormati oleh para insinyur audio dan musisi karena digunakan sebagai penguat pada mikrofon Neumann U47 dan U48 yang legendaris . Mereka disukai oleh Frank Sinatra dan produser Beatles George Martin. Omong-omong, mikrofon Neumann U47 disimpan di museum studio Abbey Road di London. Huruf M pada nama lampu menunjukkan bahwa lampu tersebut sesuai untuk digunakan pada mikrofon. Hanya lampu yang diuji oleh Neumann yang menerima nomor bagian ini.
VF14 adalah pentodeyaitu, ia memiliki lima elektroda, tiga di antaranya adalah jaringan listrik. Namun, di mikrofon, ia bekerja seperti triode, dan dua dari tiga kisi tersebut dihubungkan bersama dan terhubung ke anoda. Ini karena kualitas suara triode yang seharusnya lebih baik. Filamen VF14, yang memanaskan katoda untuk memancarkan elektron, beroperasi pada 55 V. Hal ini dilakukan dengan sengaja agar dua lampu dapat disambungkan pada 110 V, mengurangi biaya catu daya - faktor penting di Jerman pascaperang.
Hari ini Anda dapat membeli chip yang menggantikan VF14M, dan bahkan meniru filamen 55V. Tetapi apakah akan menggantikan suara warm tube? Sombong audio, tentu saja, tidak akan pernah setuju dengan itu.