Радиолампа

В 1883 году Т. Эдисон, пытаясь продлить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания и разобраться, почему на ее стекле образуется черный налет, ввел в баллон металлический электрод. При включении между электродом, названным впоследствии анодом, и одним из концов нити накаливания батареи и гальванометра в цепи обнаружился ток, меняющий направление в зависимости от полярности присоединения батареи. При подключении к аноду плюса батареи ток был интенсивным, при смене полярности – резко ослабевал или вовсе не возникал. Кроме того, величина тока зависела от степени разогрева нити. Эдисон предположил, что поток угольных частичек, испускаемых отрицательной стороной нити, делает участок пути между нитью и пластинкой проводящим и установил, что поток этот пропорционален степени нагрева самой нити.

Американский изобретатель и представить себе не мог, на пороге каких величайших научных открытий он стоял. Прошло почти двадцать лет, прежде чем наблюдавшееся Эдисоном явление, или, как его стали называть, «эффект Эдисона», получило свое правильное и всестороннее объяснение. Только работы Рентгена, Дж. Томсона и других физиков, приведшие к открытию электрона и пролившие свет на многие неясные вопросы, касавшиеся прохождения электрических токов в газах, односторонней проводимости и испускания электронных потоков в вакууме нагретыми телами, привели к полному пониманию действительных причин затемнения стеклянных баллонов в лампах Эдисона.

Мысль о возможности практического использования «эффекта Эдисона впервые пришла к голову английскому ученому Флемингу, который в 1904 г. создал основанный на этом принципе детектор, получивший название «двухэлектродной трубки», «термионной лампы» или «диода Флеминга».

Лампа Флеминга представляла собой обычный стеклянный баллон заполненный разреженным газом. Внутри баллона помещалась нить накала вместе с охватывавшим ее металлическим цилиндром. Будучи включенной в приемную схему, лампа действовала, подобно выпрямителю, пропуская ток в одном направлении и не пропуская в обратном, и могла служить, таким образом, волноуказателем-детектором. Для некоторого повышения чувствительности лампы на ее металлический цилиндр (анод) подавался соответствующим образом подобранный положительный потенциал. Приемная схема с лампой Флеминга практически ничем не отличалась от ранее описанных детекторных схем. Она несколько уступала в чувствительности схемам с детектором магнитного и кристаллического типа, но обладала, безусловно, более высокой надежностью в эксплуатации.

Вакуумный диод Флеминга позволял лишь выпрямлять переменные токи, но не усиливать их, а быстро развивающаяся радиотехника настоятельно требовала усиления улавливаемых антенной слабых сигналов. Решающий шаг в этом направлении сделал американский инженер Ли Де Форест. 25 октября 1906 года он подал заявку на выдачу патента. Предметом изобретения стала трехэлектродная лампа, названная автором «аудионом», поскольку предназначалась им для усиления сигналов звуковой частоты. Единой терминологии тогда не было, и наряду с «аудионом» лампу называли «вакуумной трубкой», в России – «катодным реле», но прижилось короткое слово «триод».

К аудиону Ли Де Форест пришел через открытие явления, сходного с эффектом Эдисона. В 1906 году он обнаружил, что раскаленное тело может работать как детектор даже в отсутствии вакуума. В опыте Де Фореста два электрода соединялись так: один – с антенной, другой – с землей, параллельно им присоединялась батарея и телефон. Электроды (позднее – один из них) нагревались пламенем горелки, и наблюдалось интересное явление. При отсутствии сигнала в антенне в цепи телефона протекал слабый ток, так как пламя горелки делало промежуток между электродами проводящим. Но как только в антенне возникали колебания, ток через телефон заметно менялся, электроды работали как вентиль. Для управления током был введен между электродами третий. В результате получился триод, патент на который был выдан Ли Де Форесту в январе 1908 года. Поместив электроды в вакуумный баллон, Ли Де Форест назвал третий электрод сеткой. Было замечено, что слабые изменения напряжения на сетке приводят к заметному изменению тока лампы, в чем и состоял эффект электронного усиления. Вначале триод использовался в качестве детектора и усилителя, но в дальнейшем стал основой генераторов высокой частоты.

В 1910 г. немецкие инженеры Либен, Рейсе и Штраусе предложили трехэлектродную лампу, в которой сетка выполнялась в форме перфорированного листа алюминия и помещалась в центре баллона, деля его на две части. В нижней части лампы находилась нить накала, в верхней – анод. Такое расположение сетки позволяло усиливать ее управляющее действие, так как через нее проходил весь электронный поток. Она служила также некоторым заслоном для нити накала, предохраняя ее от разрушительной бомбардировки со стороны положительных ионов. Анод в этой лампе имел форму прутка или спирали из алюминиевой проволоки, а катодом служила платиновая нить. Особое внимание изобретатели обратили на повышение эмиссионных свойств лампы. В этих целях впервые было предложено покрытие нити накала тонким слоем окисла кальция или бария. Кроме того, в баллон вводились ртутные пары, которые должны были, по замыслу авторов, создавать дополнительную ионизацию и тем самым увеличивать анодный ток.

В 1911 г. американский ученый Кулидж предложил применять в качестве покрытия вольфрамовой нити накала окись тория, что значительно повышало эмиссионные свойства ламп. В лампах с торированным или оксидированным катодом для получения необходимого анодного тока уже не требовался большой разогрев нити накала, расход тока накала при этом заметно снижался.

Важное усовершенствование в первоначальную конструкцию лампы внес в 1913 г. английский инженер Раунд. Для предотвращения попадания катодного потока на стеклянный баллон Раунд полностью окружил нить накала проволочной сеткой, а анод сделал в форме цилиндра.

Аудионы Ли Де Фореста имели низкий коэффициент усиления, причиной чего оказался весьма неглубокий вакуум. Благодаря работам В. Годе в Германии, М. Ленгмюра в США и С. А. Боровика в России, были найдены способы откачки воздуха ламп до очень малых давлений, и с 1916–1917 гг. начали использоваться вакуумные лампы с чисто электронными процессами.

Если для детектирования и усиления принимаемых сигналов подходили лампы очень малых мощностей, то для генераторов передатчиков потребовались мощные лампы. С ростом мощностей ламп возникла задача охлаждения их баллонов и электродов. Среди первых простейших ламп с принудительным охлаждением можно отметить триоды Ли Де Фореста и Никольсона (1915–1916 гг.). В лампе Де Фореста анод был выполнен в виде металлического сосуда с вмонтированными внутри него электродами. Вводы проходили сквозь герметически закрытую пробку, а анод помещался в сосуд с водой и отдавал ей тепло. В лампе Никольсона также помимо воздушного охлаждения применялось водяное.

В развитии генераторной лампы огромную роль сыграли работы русских ученых-радиотехников. Первые русские генераторные лампы были построены в 1914 году Н. Д. Папалекси для радиотелефонного передатчика в Царском Селе. Лампы имели оксидный катод прямого накала, а для удаления газов из электродов применялся их прогрев от дугового генератора токами высокой частоты.

В Советской России еще в 1918 г. начались работы над развитием радиовещания. Была создана Нижегородская радиолаборатория, ставшая первым в СССР научно-исследовательским и производственным центром в области радиодела. Именно здесь были разработаны лампы с внешним анодом и водяным охлаждением, принципиально отличные от ламп Ли Де Фореста и Никольсона. Разработчиком их стал научный руководитель НРЛ, в недавнем прошлом военный инженер Тверской приемной радиостанции М. А. Бонч-Бруевич. Первые генераторные лампы, названные «пустотными реле», в НРЛ были созданы в 1919 году, и в декабре того же года сотрудники НРЛ собрали макет радиотелефонного передатчика. Его мощность была всего 20 Вт, но ее хватило, чтобы установить связь с Москвой на расстоянии 400 км. Осенью 1920 года макет другой радиостанции мощностью уже 5 кВт был установлен на Ходынском поле в Москве для организации первого в мире телефонного моста Москва – Берлин.

В следующей конструкции охлаждение осуществлялось проточной водой. Эта лампа отдавала мощность около 160 Вт. К декабрю 1919 года была разработана лампа, отдающая 950 Вт мощности при напряжении анода 10 000 В, ставшая основной моделью для последующего поколения генераторных ламп. Созданная в конце 1920 года лампа мощностью 1,25 кВт стала базовой при строительстве первой в мире радиовещательной станции, начавшей работать в августе 1922 года в Москве, хотя опытные передачи начались еще в мае. Центральная радиотелефонная станция им. Коминтерна, названная позднее РВ-1, имела мощность 12 кВт, отдаваемую двенадцатью генераторными лампами, включенными параллельно. Еще двенадцать таких же ламп использовались в модуляторе этого передатчика. Станция работала на волне 3200 метров. Предусматривался телеграфный режим работы, при котором мощность повышалась до 20 кВт.

РВ-1 стала самой мощной передающей станцией того времени. В 1922 году в Германии заработала Кенигвустергаузенская станция мощностью 5 кВт, во Франции – Эйфелева башня мощностью 3 кВт, в Нью-Йорке – 1,5 кВт. Все они были радиотелеграфными.

Последующее развитие радиовещания шло по пути создания все более мощных радиоламп при одновременном снижении длины волны. Мощности ламп последовательно возрастали до двух, пяти, двадцати пяти кВт (1923 год). В 1925 году были созданы три радиолампы мощностью по 100 кВт. Одновременно разрабатывались и строились новые и модернизировались имеющиеся передатчики. Так, станция им. Коминтерна в 1923 году была переведена на двухкиловаттные лампы, благодаря чему мощность ее возросла в 2,5 раза. В конце 1924 года она перешла на более короткую волну – 1500 метров. Это было вызвано тем, что для радиовещания отвели диапазон волн от 200 до 1500 метров.

Создание мощных ламп продолжалось и в последующие десятилетия как в СССР, так и в других странах. В начале 1930-х годов генераторные триоды мощностью 300 кВт выпускались в Англии и Германии. В Англии в 1933 году была создана 500-киловаттная лампа с водяным охлаждением.

С 1930 года в СССР и других странах началась разработка конструкций ламп с принудительным воздушным охлаждением на колебательную мощность до 50 кВт. В последующие годы появились генераторные тетроды и пентоды, позволившие освоить короткие и ультракороткие волны. Появились разборные и полуразборные лампы, позволявшие быстро заменять испорченные электроды. Были и другие интересные разработки.

Радиолампы сыграли важнейшую роль в развитии радио и телевидения. Начиная с 60-х годов XX в. они были потеснены полупроводниками. Но еще и сейчас радиолампы применяются в электронных схемах большой мощности и радиоаппаратуре класса High-End.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.