В течение последних десятилетий технический прогресс по большей части заключался в нахождении новых сфер применения полупроводников и разработке методов для их производства. Микросхемы теперь есть почти в любом автомобиле, воздушном судне или бытовом приборе. Светодиоды уверенно заменяют более старые и менее эффективные способы генерации света (вроде ламп накаливания). Солнечные панели стали самым быстро развёртываемым источником энергии в истории. Разработка полупроводниковых лазеров дала нам оптико-волоконную связь. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) и КМОП-датчики используются для цифровой визуализации… Этот список можно продолжать долго.
Но за несколько десятков лет до изобретения транзистора была сформирована огромная технологическая экосистема, основанная на приборе, управляющем потоком электронов — электронной лампе. В первой половине XX века на основе этой технологии были разработаны всевозможные устройства, начиная с радио и телевизоров, заканчивая компьютерами. И подобно полупроводникам сегодня, электронные лампы применялись не только для реализации электронной логики — лежащее в их основе явление применимо практически ко всему, начиная с освещения и дисплеев, заканчивая видеокамерами и радарами. И хотя сегодня электронные лампы уже кажутся чем-то давно устаревшим, это нисколько не умаляет их технологического величия.
История появления электронных ламп
Электронные лампы — это вакуумные трубки (чаще всего из стекла) с установленными внутрь электродами, между которыми текут электроны. Эти трубки вместе с их различными подвидами и технологическими собратьями родились в результате двух параллельных направлений разработки.
В основе первого лежали так называемые «газоразрядные лампы» — трубки, в которых электрический разряд формируется в среде сильно разрежённого газа. Вскоре после того, как немецкий учёный Отто фон Герих изобрёл первый вакуумный насос (1650 год), учёные начали использовать эти насосы для изучения свойств разрежённых газовых сред. В итоге они выяснили, что передача электрического тока через такой газ вызывает цветное свечение, но в течение многих лет этот эффект воспринимался просто как любопытный факт.
И только в 1830-х годах английский химик-физик Майкл Фарадей занялся более серьёзным изучением эффектов электричества в разряжённых газах. Проводя электрический ток через разные виды газов, он наблюдал цветное свечение на противоположных сторонах трубки и тёмную область в центре. Фарадей был авторитетным учёным, и его работа привлекла внимание других. В 1855 году немецкий физик Юлиус Плюккер, для которого Фарадей был кумиром, попытался воспроизвести его эксперименты. Для этого он раздобыл несколько трубок с глубоким вакуумом у известного мастера-инструментальщика и стеклодува Генриха Гейслера. Незадолго до этого Гейслер изобрёл вакуумный насос, способный создавать намного меньшее давление в ёмкости по сравнению с любыми прежними аналогами. Он также собирал вакуумные трубки, которые, благодаря использованию платиновых вводов, могли функционировать в широком диапазоне температур. (Платина имеет примерно тот же коэффициент теплового расширения, что и газ; спустя несколько десятилетий, Эдисон использует тот же подход для создания первой лампы накаливания). В последствие эти трубки были названы его именем.
Используя образцы качественных трубок с глубоким вакуумом, которые Гейслер постоянно совершенствовал, Плюккер повторил эксперименты Фарадея, изучив поведение электрического разряда в сильно разрежённой газовой среде. В ходе собственных экспериментов он зафиксировал, что от отрицательного электрода (катода) исходит некое излучение. Это излучение распространялось по прямой линии, отклонялось магнитным полем и вызывало зеленоватое свечение стенок трубки в районе положительного электрода (анода). Другие учёные, включая Уильяма Крукса и коллегу Плюккера — Иоганна Гитторфа, изучили это излучение более подробно. В конечном итоге оно получило название «катодный луч». Трубки, использовавшиеся для изучения катодных лучей, получили название «трубки Гитторфа» или «трубки Крукса», став важным научным инструментом для изучения природы материи.
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген, который с помощью трубок Крукса изучал катодные лучи, открыл X-лучи (известные нам как рентгеновские), за что в 1901 году получил нобелевскую премию по физике. В 1897 английский физик Дж. Дж. Томсон обнаружил, что катодные лучи фактически являются потоком отрицательно заряженных частиц — уже известных тогда электронов — за что тоже был награждён нобелевской премией в 1906 году.
Второй ветвью развития технологии вакуумных приборов стало электрическое освещение. В 1802 году английский изобретатель Гемфри Дэви впервые добился эффекта свечения при накаливании, подключив тонкую полоску платины к "батарее огромного размера". Вслед за ним на протяжении нескольких десятков лет многие другие учёные и изобретатели экспериментировали с созданием аналогичного свечения, помещая нить накаливания в вакуумированную колбу или колбу с инертным газом. Но только в 1879 году была, наконец, изобретена лампа накаливания, пригодная для практического использования. Как это нередко бывало с научными открытиями, её одновременно изобрели двое учёных, находящихся в разных концах света — Томас Эдисон из США и Джозеф Сван из Великобритании. Успех Эдисона отчасти был вызван тем, что ему удалось достичь беспрецедентной на тот момент глубины вакуума, в чём ему помог модифицированный ртутный вакуумный насос Шпренгеля, впервые изобретённый в 1865 году.
Первые лампы накаливания имели серьёзный недостаток — их колбы постепенно темнели изнутри, в результате чего светимость падала, и лампа приходила в негодность. Изучая это явление в надежде от него избавиться, Эдисон поместил в колбы разных ламп небольшую металлическую пластину. В результате он обнаружил неожиданное явление — с пластин начал исходить электрический ток. Это явление учёный без лишней скромности назвал «эффектом Эдисона». (Сегодня мы знаем, что этот ток возникает в результате термоэлектронной эмиссии, когда электроны испускаются раскалённой нитью лампы).
Зарождение электронных ламп
К началу XX века существовало два вида вакуумных устройств. Первым были трубки Крукса и другие аналогичные газоразрядные трубки, а вторым — лампы с эффектом Эдисона, в которых электроны протекали между электродами внутри стеклянной трубки с глубоким вакуумом. В течение следующих десятилетий эти два вида устройств породили широкий спектр вакуумных приборов.
В 1880-х английский учёный и инженер Джон Флеминг занялся изучением эффекта Эдисона и обнаружил, что электрический ток может протекать только от раскалённой нити к металлической пластине, но не наоборот. В 1904 году он на основе этого явления создал так называемый «вентиль Флеминга». Это была электронная лампа, которая выступала детектором в первых радиоприёмниках, преобразуя переменный ток в постоянный. Вскоре после этого американский изобретатель Ли де Форест в ходе экспериментов с усовершенствованием детектора радиоволн добавил в лампу Флеминга третий элемент — металлическую сетку — разместив её между катодом и анодом.
В конечном итоге де Форест обнаружил, что электрический ток от катода к аноду можно контролировать через изменение напряжения на металлической сетке. Это позволило ему использовать лампу в качестве усилителя. Тогда учёный ещё плохо представлял фактический принцип работы его устройства (названного им «Аудион»). Он ошибочно полагал, что в основе лежит поток заряженных частиц газа в трубке. Но когда он предложил «Аудион» компании AT&T, её специалисты и инженеры сразу увидели в его изобретении потенциал.
Специалисты AT&T изучили устройство, выстроили теорию о принципе его работы и превратили в более практичный и надёжный вакуумный триод. Триоды сделали возможным создание первой трансконтинентальной телефонной линии (запущенной компанией AT&T в 1915 году) и породили множество других видов электронных ламп — тетроды, пентоды и так далее. Одной из самых крупных сфер применения таких ламп стали радиоприёмники, вокруг которых в начале XX века разгорелся ажиотаж. Но они также использовались и в других устройствах, например, телефонии, телевидении и в первых цифровых компьютерах. К концу 1920-х годов AT&T уже задействовала в своих телефонных системах более 100 000 электронных ламп. ENIAC, один из первых программируемых универсальных цифровых компьютеров, работал на 18 000 таких ламп, преимущественно двойных триодах (по два триода в одной стеклянной колбе).
В 1896 году — в тот же год, когда итальянский изобретатель Гульельмо Маркони продемонстрировал свой радиоприёмник Британскому почтовому ведомству — немецкий физик Фердинанд Браун искал способ измерить форму сигнала переменного тока, то есть тока, периодически меняющего своё направление в цепи на противоположное. В некоторых случаях это направление могло изменяться тысячи раз в секунду, так быстро, что любое регистрирующее устройство, которое работало за счёт возвратно-поступательного движения деталей, просто не поспевало.
Но Браун предполагал, что для измерения такого высокочастотного тока можно собрать прибор на основе катодных лучей. Если заставить лучи проходить через узкое отверстие, светящееся пятно на экране трубки уменьшится до точки. А если дополнительно применить магнитное поле, то путь луча можно будет отклонять, тем самым перемещая светящуюся точку и рисуя кривую тока. Поскольку у катодного луча практически нет собственной инерции, он сможет реагировать на изменение тока (который будет вызывать изменение магнитного поля) почти мгновенно. При содействии Франца Мюллера (механика-стеклодува, которому перешла фирма Гейслера после смерти последнего), Браун изготовил несколько экспериментальных трубок, использовав их для изучения поведения высокочастотного переменного тока. Эти эксперименты он описал в научном труде 1897 года под названием «Ueber ein Verfahren zur Demonstrirung und Studium des zeitlichen Verlaufs variabler Ströme». Своё устройство Браун именовал индикаторной катодно-лучевой трубкой.
Трубки Брауна (впоследствии известные как электронно-лучевые) стали широко использоваться для создания электронных дисплеев. К примеру, осциллографы — устройства, графически отображающие напряжение в цепи — произошли непосредственно от индикаторных ЭЛТ. А в 1920-х ЭЛТ легли в основу первого телевизора. В телевизионной системе, изобретённой Владимиром Зворыкиным, одна специализированная ЭЛТ (иконоскоп) использовалась для захвата изображения, а другая (кинескоп) — выступала в качестве дисплея для его воспроизведения. (Похожую систему параллельно изобрёл другой учёный — Фило Фарнсуорт — который также использовал для экрана ЭЛТ, а для камеры несколько иную модификацию трубки). В течение последующих десятилетий эти решения были основными в реализации телевизионных устройств, пока им на смену не пришли плоские дисплеи и камеры на полупроводниковых матрицах.
В 1920-х ЭЛТ начали применяться в разных сферах, в том числе для создания первых электронных микроскопов. Они также служили первыми устройствами «оперативной памяти» в компьютерах (где назывались «запоминающие ЭЛТ», или «трубки Уильямса»), пока не была придумана более эффективная технология на магнитных сердечниках.
Газоразрядные трубки, которые и стали основой для ЭЛТ Брауна, также нашли применение во многих сферах. В 1860-х годах инженер Альфонс Дюма и доктор Камиль Бенуа из Франции создали «лампу Румкорфа» — автономный светильник, в котором трубка Гейслера была подключена к индукционной катушке, питаемой от батареи. В 1890-х американский изобретатель Дэниэль Мур разработал на основе трубок Гейслера собственную систему освещения, получившую название «лампа Мура». Но истинную популярность эти трубки получили после открытия инертного газа неона в 1898 году. Джордж Клод, французский инженер и сооснователь компании Air Liquide, получал большие объёмы этого газа в качестве побочного продукта процесса разделения воздуха. В 1910 году он продемонстрировал готовую неоновую лампу на основе газоразрядного трубки, заполненной небольшим количеством неона. Другие популярные технологии освещения — ртутные, флуоресцентные и натриевые лампы — также имели в своей основе газоразрядные трубки с разными видами газа.
При этом газоразрядные трубки применялись и во многих других сферах. К примеру, изобретённый в 1920-х годах тиратрон — это, по сути, та же трубка. Она работает аналогично вакуумным, но способна проводить более сильный ток. Или пиксели в плазменных ТВ, которые фактически представляют собой миллионы крохотных газоразрядных трубок. Используются они и в других устройствах, включая углекислотные лазеры, счётчики Гейгера и стабилизаторы напряжения.
В газоразрядных лампах свет (вид электромагнитного излучения) генерируется за счёт возбуждения атомов газа электрическим током. Но вакуумные трубки также можно использовать для генерации и других видов ЭМ-излучения. Как я уже писал, Вильгельм Рентген в 1890-х годах случайно обнаружил, что трубка Крукса способна генерировать X-лучи. И известные нам сегодня рентгеновские аппараты продолжают работать на основе того же принципа. В 1920-х исследователи из General Electric изобрели магнетрон. Это была всё та же вакуумная трубка — изначально она использовалась в качестве электронного переключателя, но позднее учёные нашли практическое применение её способности генерировать микроволновое излучение. Улучшенная версия прибора — резонаторный магнетрон — была разработана Великобританией во времена второй мировой войны. Эта технология сделала возможным создание микроволновых радаров для воздушных судов, став одним из важнейших изобретений за весь период войны. Позднее было также открыто, что излучение магнетрона можно использовать для разогрева еды — да, в современных микроволновых печах применяются именно этот принцип.
Ещё одним мощным источником микроволнового излучения стал клистрон, который был разработан Сигурдом Варианом в 1930-х годах и нашёл широкое применение. Этот прибор обеспечивает питание для ускорителей частиц, например, в Национальной ускорительной лаборатории SLAC при стэнфордском университете.
Другой пример вакуумного прибора — гиротрон — способен генерировать высокочастотное излучение и используется для разогрева плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу.
Помимо применения в ускорителях частиц и термоядерном синтезе, вакуумные приборы стали мощным инструментом научных исследований. С ними было связано четыре нобелевских премии (даже пять, если учесть работу Ирвинга Ленгмюра по изучению поверхностных явлений в лампах накаливания, за которую он в 1932 году был удостоен премии по химии). Две из этих наград были вручены учёным, о которых мы уже говорили — Вильгельму Рентгену за открытие X-лучей и Дж. Дж. Томсону за открытие электрона. Ещё двумя лауреатами стали Оуэн Ричардсон в 1928 году и Эрнст Руска в 1986. Первый получил премию за исследование термоэлектронной эмиссии, а второй — за работу над электронным микроскопом.
Однако самый значимый вклад в науку вакуумные трубки внесли косвенно. Эти устройства легли в основу огромного числа научных приборов, а изучение их особенностей и свойств породило целую линию исследований, которые привели к открытию дифракции электронов. Это открытие сделали исследователи из Bell Labs — Клинтон Дэвисон и Дж. П. Томсон — что также принесло им нобелевскую премию.
Заключение
В своей книге я описываю технологический прогресс в виде наслаивающихся S-образных кривых. Когда технология только появляется, сначала её совершенствование идёт медленно, после чего ускоряется и в конечном итоге достигает некоего предела, после которого замещается очередной технологией, которая следует по тому же S-образному пути.
И хотя в общем виде такое представление выглядит верным, оно не отражает в себе масштаб «кембрийского взрыва», который может быть вызван появлением новой, фундаментальной технологии. Вакуумная трубка не стала просто очередным устройством — она воплотилась во множество разновидностей, использующих общий принцип эмиссии электронов с катода. Каждый из этих приборов развивался по собственной S-траектории, совершенствуясь в своём темпе и достигая пика в своё время. На смену многих из них с тех пор пришли новые технологии (зачастую на основе полупроводников, которые тоже стали масштабной категорией устройств широкого применения). Но и многие — как те же магнетроны в микроволновках, газоразрядные трубки в газовых лазерах или гиротроны в установках термоядерного синтеза — продолжают использоваться по сей день.