Лампа бегущей волны
Ла́мпа бегу́щей волны́ (ЛБВ), электровакуумный СВЧ-прибор , работа которого основана на длительном взаимодействии электронного потока и замедленной электромагнитной волны , движущихся в одном направлении. Предназначена главным образом для широкополосного усиления СВЧ-колебаний в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц, а также для преобразования и умножения частоты и других целей. Электровакуумный прибор, в основу работы которого положен принцип взаимодействия электронного потока и бегущей волны , впервые предложил и запатентовал американский инженер А. Гаев в 1936 г. Первая ЛБВ создана американским учёным Р. Компфнером в 1943 г. (по другим сведениям, в 1944); теоретическое описание ЛБВ впервые опубликовано американским физиком Дж. Пирсом в 1947 г.
Различают ЛБВ О-типа (наиболее распространены), в которых в энергию СВЧ-поля преобразуется кинетическая энергия электронов в результате их торможения электромагнитным полем (при этом постоянное магнитное поле направлено вдоль электронного пучка и служит для фокусировки электронов), и ЛБВ М-типа, в которых преобразование энергии, полученной электронами от внешнего электрического поля , в СВЧ-энергию происходит в пространстве взаимодействия, где постоянные электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу и направлению фазовой скорости замедленной СВЧ-волны (подробнее см. в статье Магнетрон ).
Термин «лампа бегущей волны» обычно относят к ЛБВ О-типа; они широко применяются в передающих и приёмных устройствах радиолокационных станций , систем связи через искусственные спутники Земли и радиорелейных линий связи . Сочетание высокого коэффициента усиления, низкого уровня собственных шумов, относительно небольших габаритных размеров и массы с широкой полосой усиливаемых частот, позволяющей передавать большой объём информации, делает ЛБВ одним из наиболее удобных источников СВЧ-энергии для бортовых РЛС, устанавливаемых на самолётах, кораблях и других движущихся установках. ЛБВ М-типа широкого распространения не получили.
Электронная пушка формирует электронный пучок с определёнными сечением и интенсивностью; скорость электронов определяется ускоряющим напряжением. С помощью фокусирующей системы (периодическая система постоянных магнитов , соленоид и др.), создающей продольное магнитное поле, обеспечивается необходимое поперечное сечение пучка. Замедляющая система (обычно в виде спирали) понижает скорость бегущей волны вдоль оси прибора до скорости, близкой к скорости электронов. Усиливаемый сигнал вводится в замедляющую систему и выводится из неё с помощью устройств ввода и вывода СВЧ-энергии. Коллектор служит для улавливания электронов. Для устранения самовозбуждения ЛБВ из-за отражения электромагнитной волны от концов замедляющей системы применяется поглотитель (например, в виде поглощающего керамического стержня или плёнки).
В ЛБВ ускоренные в электронной пушке электроны влетают в замедляющую систему, где взаимодействуют с электрическим полем усиливаемой волны, подаваемой через ввод СВЧ-энергии. Двигаясь синхронно с волной, электроны в результате взаимодействия тормозятся или ускоряются – в зависимости от фазы электрического поля; при этом происходит модуляция электронного потока по плотности – образование сгустков. В случае равенства скоростей волны и электронов обмена энергией между ними не происходит и усиление отсутствует. Если скорость электронов немного превышает фазовую скорость волны, сгустки электронов, обгоняя волну, попадают в тормозящее поле и отдают свою энергию, усиливая входной сигнал.
Главное достоинство ЛБВ по сравнению с другими усилительными электровакуумными СВЧ-приборами (например, клистронами ) – широкая полоса усиливаемых частот (обычно 1–2 октавы). Выходная мощность ламп в зависимости от назначения составляет от долей МВт (малошумящие ЛБВ во входных усилителях СВЧ приёмных устройств) до десятков кВт (в усилителях выходных СВЧ-сигналов передающих устройств) в непрерывном режиме и до нескольких МВт в импульсном режиме; коэффициент усиления достигает 30–50 дБ и более.
Редакция технологий и техники. Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2010.
Опубликовано 5 июня 2023 г. в 09:40 (GMT+3). Последнее обновление 17 июля 2023 г. в 10:39 (GMT+3). Связаться с редакцией
Лампа бегущей волны: как это работает
Со времени изобретения СВЧ-усилительного прибора лампы бегущей волны (ЛБВ) прошло 75 лет. За эти годы она стала одним из самых распространенных СВЧ-приборов и легла в основу десятков новых изобретений.
У нас в стране первая лампа бегущей волны была создана в 1951 году специалистами фрязинского НПП «Исток». Сегодня в России в сфере производства ЛБВ лидирует холдинг «Росэлектроника». Входящее в его состав АО «НПП «Алмаз» совсем недавно представило свою новинку – первую российскую бортовую лампу бегущей волны с охлаждением за счет излучения в открытый космос. Эта разработка сделает спутники связи значительно легче и надежнее.
О том, как появилось на свет это изделие, на чем основаны принципы его работы, а также о сферах его применения – в нашем материале.
Техника сверхвысоких частот: от военной радиолокации до Wi-Fi
Техника сверхвысоких частот (СВЧ) – область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне частот от 300 Мгц до 300 Ггц. Это частотный диапазон электромагнитного излучения еще называется микроволновым диапазоном, так как длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, составляющими несколько сотен метров.
К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство передачи информации, основываясь на тех же принципах. Благодаря более высоким частотам появляется возможность передачи огромных информационных объемов. Например, один СВЧ-канал может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров.
Дециметровый и сантиметровый диапазоны являлись предметом научного интереса до начала Второй мировой войны, когда возникла необходимость в новом и эффективном электронном средстве раннего обнаружения. Начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации. Сходство свойств СВЧ-излучения со световыми лучами и высокая плотность переносимой информации оказались очень полезны не только для радиолокационной техники, но и позже нашли свое применение в других областях.
В СВЧ-диапазоне достаточно быстро развиваются телекоммуникации. Сегодня это всеми любимый Wi-Fi, спутниковое телевидение, спутниковая телефония. СВЧ-электроника находит все более широкое применение в связи с развитием таких направлений, как интернет вещей, интеллектуальные производства, системы связи для беспилотников и многое другое.
Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства. Один из последних проектов в этой сфере – обсерватория «Миллиметрон» для исследования различных объектов Вселенной в миллиметровом и инфракрасном диапазонах на длинах волн от 0,02 до 17 мм. СВЧ-усилитель для этой космической обсерватории – лампу бегущей волны (ЛБВ) – создает НПП «Алмаз» (входит в «Росэлектронику» Госкорпорации Ростех). Уже испытаны первые экспериментальные образцы, которые позволяют усилить мощность радиосигналов в сотни тысяч раз: разместить обсерваторию планируется на расстоянии 1,5 млн км от Земли.
Развитие техники сверхвысоких частот стало возможным благодаря появлению специальных электровакуумных приборов для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ-диапазона. К ним относится не только вышеупомянутая лампа бегущей волны, но и другие мощные электровакуумные приборы, такие как клистроны, магнетроны.
К примеру, магнетрон можно найти практически в любом доме. Каждая микроволновая печь содержит магнетрон мощностью около 800 Вт, который преобразует электрическую энергию в сверхвысокочастотное электрическое поле частотой 2,45 ГГц. Кстати, выпуск первых в мире СВЧ-печей начался в 1947 году, всего четыре года спустя была придумана лампа бегущей волны.
ЛБВ, хоть и не применяются в микроволновых печах, стали одними из самых распространенных вакуумных СВЧ-приборов. Они широко используются в различной радиоэлектронной аппаратуре: радиолокации, связи, системах радио-противодействия.
Лампа с бегущей волной: устройство и принцип действия
С момента изобретения лампы бегущей волны прошло уже более 75 лет. С тех пор ее конструкция практически не изменилась. Но, несмотря на кажущуюся простоту, все основные части ЛБВ являются достаточно сложными устройствами, усовершенствование которых длится до сих пор. В мире всего лишь в некоторых странах разрабатывают и выпускают ЛБВ. Кроме предприятий в России, это компании из нескольких европейских стран, а также США, Японии, Индии, Китая и Южной Кореи.
Итак, начнем с определения. Лампа бегущей волны – вакуумный электронный прибор, в котором в результате длительного взаимодействия движущихся электронов с полем бегущей электромагнитной волны происходит усиление этой волны.
От полупроводниковых и газоразрядных приборов лампу отличает наличие в ней вакуума. ЛБВ представляет собой вакуумную трубку, вставленную в фокусирующую магнитную систему.
Так как лампа работает с электронами, нужен катод – электрод, из которого извлекаются электроны. Соблюдая закон сохранения заряда, извлеченные электроны нужно вернуть, для чего потребуется анод – электрод, который притягивает к себе летящие электроны, испущенные катодом. Итак, поток электронов, сфокусированный в узкий луч, движется к коллектору. Для окончательной фокусировки луча используется магнитное поле катушки.
В качестве замедляющей системы в усилительных ЛБВ чаще всего используется спираль. Электронный луч проходит вдоль оси спирали, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне.
Вначале это кажется нереальным: ведь волна бежит со скоростью света, а электроны движутся почти в десять раз медленнее. Но поскольку СВЧ-сигнал идет по спирали, он достаточно долго взаимодействует с электронами и усиливается, поглощая их энергию. На выходе лампы амплитуда волны намного превышает амплитуду сигнала на входе.
Этот процесс образно и весьма интересно в своей статье описал российский физик Леонид Ашкинази: «Представьте себе, что лифт движется чуть быстрее человека и из него подталкивают бегущего по винтовой лестнице человека – быстрее, быстрее! Согласно третьему закону Ньютона, на лифт будет действовать сила, направленная против движения, он будет тормозиться и отдавать свою энергию человеку, бегущему по лестнице. В итоге их скорости уравняются. Не обвивайся лестница вокруг шахты лифта, ничего бы не получилось – человек движется по прямой лестнице быстрее лифта. А если она обвивается, длина ее увеличивается. Можно подобрать угол наклона витков спирали («лестницы») и скорость электронов («лифта») так, чтобы электромагнитная волна, бегущая по спирали, имела ту же скорость перемещения вдоль оси спирали, что и электроны».
Как появилась ЛБВ: создана архитектором, а не физиком
Синхронизировать бегущую волну с электронами в лампе со спиралью впервые смог австрийский архитектор Рудольф Компфнер в конце 1943 года в лаборатории СВЧ-приборов Бирмингемского университета. Он и считается автором лампы бегущей волны – по-английски Traveling-Wave Tube (TWT).
Невероятно, но Компфнер действительно был архитектором по образованию. Эмигрировав в Англию в конце 1930-х, он продолжил работу архитектором в Лондоне. Но в 1939 году началась Вторая мировая война, и он, как подданный Германии, оказался на острове Мэн вместе с другими выходцами из «враждебных» государств. Компфнер еще в юности очень увлекался физикой, поэтому на острове Мэн только обрадовался возможности оказаться рядом с находившимися здесь профессорами физики. Подкрепив свои знания, в 1940 году ему удается устроиться на факультет физики Бирмингемского университета, где разрабатывались приборы для радаров.
Фото 1946 г. Слева направо: будущий теоретик ЛБВ Джорж Пирс, изобретатель Рудольф Компфнер и теоретик шумов Гарри Найквист. На доске – спираль ЛБВ и пучок электронов внутри нее. Ниже – конструкция катода, из которого выходит поток электронов. Выше катода – формула шумов Найквиста
РЛС активно совершенствовались: на фоне постоянных бомбежек немецких самолетов инженеры искали способ увеличения дальности радиолокаторов. Изобретенная тогда конструкция многорезонаторного импульсного магнетрона для передатчиков радаров не справлялась с задачей. Спасти положение могло бы увеличение чувствительности приемной станции. Но для этого нужен был малошумящий усилитель СВЧ, а его не было. Усилительный (прямопролетный) клистрон с входным и выходным резонатором тоже не помог.
Руди Компфнер, как архитектор, предложил полностью изменить конструкцию электровакуумного прибора. Вместо входного резонатора электромагнитная волна должна бежать по проволочной цилиндрической спирали и взаимодействовать с пучком электронов, летящих внутри длинной спирали. Считалось, что если волна будет долгое время взаимодействовать с пучком, то снизится и доля электронного шума в сигнале.
Чтобы удержать электроны внутри длинной спирали, необходимо магнитное поле соленоида. Так лампа бегущей волны обрела свой привычный вид. Интересен тот факт, что позже ученые поняли – причиной снижение коэффициента шума, которого так добивался Компфнер, была не спираль, а фокусировка магнитным полем, которое стабилизирует «метанье» электронов.
На протяжении всех последующих десятилетий ЛБВ постоянно совершенствовалась, работы в этой сфере велись непрерывно, в том числе и советскими учеными. Первые лампы бегущей волны были разработаны специалистами фрязинского НИИ-160, ныне это НПП «Исток», входящее в холдинг «Росэлектроника».
У самого «Истока»: где разработали первую отечественную ЛБВ
В конце 1940-х за рубежом и у нас в стране появились первые публикации на тему ЛБВ. Статей по теории было много, но на практике даже сами авторы не до конца понимали, как создать конструкцию реально работающей ЛБВ.
На «Истоке» была поставлена задача на правительственном уровне – разработать первый отечественный промышленный образец ЛБВ. В том же 1951 году прибор был принят госкомиссией, а с 1952 года начался серийный выпуск первой отечественной лампы бегущей волны УВ-1. По своему основному параметру – коэффициенту шума – она не имела себе равных за рубежом. Только в 1953 году появились сообщения о создании в США лампы с такими же параметрами, как УВ-1, на тот момент уже выпускаемой серийно.
Впервые усилитель УВ-1 был применен в радиолокационном комплексе Б-200, что позволило намного улучшить характеристики комплекса: повысилась дальность действия, резко возросла устойчивость приемного канала. За несколько лет УВ-1 вошла практически во все новые локационные станции. К 1965 году этот прибор использовался уже в 11 радиолокационных станциях, а выпуск его составлял 11,5 тысяч штук в год.
Началась эпоха непрерывного улучшения параметров ламп бегущей волны: расширялись полосы ее рабочих частот, снижался вес, увеличивалась надежность и долговечность.
Космические старты: ЛБВ для спутников связи и исследований Марса
Одним из основных компонентов спутника связи являются передатчики именно на лампах бегущей волны. В 1960-е годы началась разработка малошумящих ЛБВ для спутниковых систем связи. Эти ЛБВ успешно работали на первых отечественных спутниках «Молния» и «Горизонт». Началось создание наземной системы «Орбита», которая к 1967 году позволила охватить аудиторию телезрителей до 30 миллионов человек. Разработанные на «Истоке» ЛБВ использовались и в передатчиках спутников-исследователей Венеры и Марса, а также в других направлениях освоения космоса. Сегодня вокруг Земли вращаются спутники связи с десятками фрязинских ЛБВ.
Сверхчастотные приборы за десятилетия космической эпохи доказали свою сверхвысокую надежность. Но новые космические старты впереди – сегодня «Росэлектроника» продолжает традиции. Холдинг представил на МАКС-2019 первую российскую бортовую лампу бегущей волны с охлаждением за счет инфракрасного излучения в открытый космос. Разработка позволяет снизить тепловую нагрузку на систему обеспечения терморегуляции космического аппарата более чем в два раза, что, в свою очередь, увеличивает стабильность работы спутника. Лампа бегущей волны УВ-А2014, разработанная «Росэлектроникой», может использоваться как в гражданских, так и в специальных спутниках связи. Ее выходная мощность составляет до 130 Вт, а коэффициент усиления – 50 дБ.
Новинка позволит отказаться от импортных ЛБВ, в настоящее время все еще используемых в российских космических аппаратах. Оригинальные идеи наших ученых, исследователей и конструкторов, которые уже на протяжении семи десятилетий ведут непрерывную работу в этой сфере, создают конкуренцию ведущим мировым производителям.
11 лучших электронных ламп, о которых вы никогда не слышали
Кому вообще могут быть интересны электронные лампы в эпоху, основанную на работе квинтиллионов твердотельных устройств? На самом деле, это очень интересно! По драматизму, насыщенности и гениальности изобретений мало какие технические периоды могут сравниться со 116-ю годами истории электронных ламп (истории, которая и не думает заканчиваться).
В качестве доказательства я сделал список ламповых устройств, которые вне всякого сомнения изменили мир в последние 60-70 лет.
И просто для коллекции я дополнил его несколькими лампами, которые оказались достаточно уникальными, крутыми или странными, чтобы просто так сгинуть в безвестности.
Естественно, каждый раз, когда кто-нибудь составляет список чего-нибудь – самых удобных кроссовок, самых аутентичных итальянских ресторанов в Кливленде, фильмов, превзошедших книгу, на которой они основаны – кто-нибудь обязан вставить своё слово, возразить или дополнить список. Поэтому, повторю очевидное: это мой список электронных ламп. Но мне было бы интересно увидеть и ваш список. Добавляйте своё мнение в комментариях.
Я не старался сделать список всеобъемлющим. Вы не найдёте здесь заполненных газом стеклянных колб типа Nixie, или тиратронов, или микроволновых импульсных устройств, или электронно-лучевых трубок. Я пропустил хорошо известные лампы, типа спутниковых ламп бегущей волны или магнетронов из микроволновых печей. И в списке участвуют только радиочастотные лампы, поэтому я проигнорировал огромный паноптикум из аудиочастотных ламп – за одним примечательным исключением.
Но даже в рамках выбранных мною параметров существует столько потрясающих устройств, что было сложно выбрать из них всего одиннадцать. Поэтому вот мой список ламп, изменивших нашу жизнь, представленных без особой сортировки.
Медицинский магнетрон
Teledyne e2v
В задаче эффективной генерации когерентных волн на радиочастоте в компактном корпусе у магнетрона нет конкуренции.
Впервые магнетроны прославились на Второй мировой войне в качестве основы британских радаров. К 1970-м в радарах они уже почти не использовались, однако нашли своё применение в промышленности, науке и медицине, и трудятся там по сей день.
Именно последний пример использования магнетрона особенно ярок. Он создаёт высокоэнергетический электронный луч в линейном ускорителе. Когда электроны из луча отражают ядра мишени — состоящей из материала с большим атомным числом, например, вольфрама – появляется обилие рентгеновских лучей. Затем эти лучи можно направлять на опухоли, чтобы убивать в них раковые клетки. Первый клинический ускоритель, предназначенный для радиотерапии, установили в лондонском госпитале Хаммерсмита в 1952 году. Трёхметровый ускоритель питал магнетрон на два мегаватта.
Магнетроны высокой мощности разрабатывают и сегодня, удовлетворяя спрос со стороны радиотерапии. На фото показан медицинский магнетрон производства компании e2v Technologies (ныне Teledyne e2v). Его пиковая мощность составляет 2,6 МВт, средняя – 3 кВт, а эффективность – более 50%. Его длина – 37 см, вес – 8 кг, он достаточно мелкий и лёгкий, чтобы помещаться в поворотный кронштейн аппарата радиотерапии.
Гиротрон
Гиротрон изобрели в 1960-х в научно-исследовательском радиофизическом институте в СССР. Это вакуумное устройство высокой мощности, использующееся в основном для разогрева плазмы в экспериментах ядерного синтеза – например, в ITER, который сейчас строят на юге Франции [международный экспериментальный термоядерный реактор, который будет работать по схеме токамак, тоже изобретённой в СССР / прим. перев.]. В подобных экспериментах может потребоваться разогрев до температур в 150 млн °C.
Как работает мегаваттный гиротрон? Он использует лучи электронов высокой энергии, вращающиеся в полости в сильном магнитном поле [gyrate, англ. – вращаться по кругу]. Взаимодействие между вращающимися электронами и электромагнитным полем полости генерирует высокочастотные радиоволны, которые направляют в плазму. Волны ускоряют электроны в плазме, тем самым разогревая её.
Лампа, выдающая в среднем 1 МВт энергии, мелкой не будет. Гиротроны для синтеза обычно имеют 2 – 2,5 м в высоту, и весят порядка тонны – в частности, благодаря 6-7 сверхпроводящим катушкам Теслы.
Кроме разогрева плазмы гиротроны используются для обработки материалов и в спектроскопии ядерного магнитного резонансна. Также американская армия пыталась применять их для разгона толп (система Active Denial System). Система выдаёт относительно широкий луч миллиметровых волн диаметром около полутора метров. Луч должен разогревать кожу человека, вызывая ощущение ожога, но не проникая в ткани и не вызывая их повреждение.
Мини-лампа бегущей волны
Как следует из названия, лампа бегущей волны (ЛБВ) усиливает сигналы путём взаимодействия между электрическим полем бегущей, или распространяющейся в цепи электромагнитной волны и электронным лучом.
Большая часть ЛБВ XX века были разработаны с чрезвычайно большим коэффициентом усиления, 100 000 или более. Однако такой коэффициент нужен не всегда. Тут пригодятся мини ЛБВ, такие, как лампа на фото в начале раздела производства L3Harris Electron Devices. Её коэффициент усиления составляет порядка 1000 (30 дБ). Она нужна для случаев, когда выходная энергия находится в промежутке от 40 до 200 Вт, и требуется небольшой размер и напряжение. К примеру, мини ЛБВ мощностью 40 Вт, работающая на частоте 14 ГГц, уместится в руке и будет весить меньше 500 г.
Оказывается, у военных на мини ЛБВ есть большой спрос. Вскоре после их появления в 1980-х, мини ЛБВ приняли на вооружение в электронной войне, и начали использовать на самолётах и кораблях в качестве защиты от ракет с активным радиолокационным самонаведением. В начале 1990-х разработчики начали интегрировать мини ЛБВ в компактные высоковольтные источники питания. Эта система стала известной как микроволновый модуль питания (microwave power module, MPM). MPM-усилители сразу нашли применение в радарах и передатчиках военных дронов, таких, как Predator и Global Hawk, а также в системах электронной защиты.
Клистрон
Клистрон помог ускорить прогресс в физике высоких энергий. Клистрон преобразуют кинетическую энергию луча электронов в энергию радиоволн. Выходная мощность устройства серьёзно превышает таковую у ЛБВ или магнетронов. Клистрон придумали братья Рассел и Сигурд Вариан в 1930-х, и основали в компании с другими инженерами Varian Associates для продажи приборов. Сегодня этот бизнес живёт в рамках компании Communications and Power Industries.
В клистроне электроны, испущенные катодом, ускоряются по направлению к аноду, формируя луч. Магнитное поле не даёт лучу расширяться, пока тот проходит через отверстие в аноде и попадает на коллектор. Между анодом и коллектором находятся полые структуры, объёмные резонаторы. На ближайший к катоду резонатор подаётся высокочастотный сигнал, что приводит к появлению внутри полости электромагнитного поля. Поле модулирует луч электронов, проходящий через резонатор, из-за чего скорости электронов начинают различаться, и те, по мере продвижения через резонаторы, группируются в сгустки. Большая часть электронов, проходя через последний, активно колеблющийся резонатор, замедляются. В итоге выходной сигнал получается гораздо сильнее входного.
В 1960-х инженеры разработали клистрон для работы в качестве источника радиоволн в новом 3,2-километровом линейном ускорителе частиц в Стэнфорде. Он работал на частоте 2,856 ГГц и использовал электронный пучок на 250 кВ. Его пиковая мощность составляла 24 МВт. Всего для получения энергий частиц в районе 50 млрд эВ потребовалось установить 240 таких клистронов.
Эти клистроны проложили путь к масштабному использованию электронных ламп в качестве источников радиоволн в физике частиц. До сих пор производится вариант такого клистрона на 65 МВт. Также клистроны используются для просвечивания багажа, стерилизации еды и радиотерапии.
Лампа бегущей волны с кольцевым стержнем
Одна из ламп времён Холодной войны, остающаяся в строю до сих пор – это огромная лампа бегущей волны с кольцевым стержнем. В этой высокоэнергетической лампе расстояние от катода до коллектора составляет более 3 м, что делает её крупнейшей в мире ЛБВ.
128 ЛБВ с кольцевым стержнем обеспечивают мощные импульсы радиосигналов для чрезвычайно мощного радара с фазовой решёткой, находящегося на базе ВВС Кавалер в Северной Дакоте. Этот радар, работающий на частоте 440 МГц, называется «Система определения характеристик радиолокационных атак по периметру» [Perimeter Acquisition Radar Attack Characterization System, PARCS]. Он высматривает баллистические ракеты, летящие в сторону Северной Америки. Также он отслеживает запуски космических ракет и движущиеся по орбите объекты, выходя в сеть наблюдения за космосом. PARCS, построенный в 1972-м, отслеживает более половины всех объектов, находящихся на орбите Земли. Говорят, что он способен обнаружить объект размером с баскетбольный мяч на расстоянии в 3200 км.
Ещё более высокочастотный вариант лампы с кольцевым стержнем используется в радаре с фазовой решёткой на удалённом острове Шемья, расположенном в 1900 км от побережья Аляски. Это радар Cobra Dane, отслеживающий запуски баллистических ракет, не принадлежащих США. Он также собирает данные наблюдения за космическими запусками и спутниками, находящимися на низкой околоземной орбите.
Схема этого гиганта известна как кольцевой стержень. Он состоит из концентрических колец, соединённых перемежающимися отрезками, или стержнями, расположенными через равные промежутки по всей его длине. Такая схема даёт большую интенсивность поля вдоль луча электронов по сравнению с заурядными ЛБВ, у которых радиоволны распространяются по спиральному проводу. Более высокая интенсивность даёт больший коэффициент усиления и хорошую эффективность. Лампа на фото была разработана компанией Raytheon в начале 1970-х; сегодня их производит L3Harris Electron Devices.
Убитрон
Чарльз Эндерби с убитроном
За пятнадцать лет до изобретения термина «лазер на свободных электронах» существовала электронная лампа, работающая на том же базовом принципе – убитрон [ubitron], аббревиатура от undulating beam interaction [волнообразное взаимодействие пучков].
Убитрон изобрели в 1957 году случайно. Роберт Филипс, инженер из микроволновой лаборатории General Electric в Пало-Альто, Калифорния, пытался понять, почему в одной из ЛБВ в лаборатории наблюдались осцилляции, а в другой – нет. Сравнивая две лампы, он заметил вариации в их магнитной фокусировке, из-за которой в одной из ламп луч извивался. Он понял, что эти волнообразные колебания могут вызывать периодические взаимодействия с электромагнитной волной в волноводе. А это может оказаться полезным для получения чрезвычайно высоких пиковых мощностей радиоволн. Так и появился убитрон.
В период с 1957 по 1964 Филипс с коллегами собрали и испытали множество убитронов. Фотография в начале раздела сделана в 1963, и на ней Чарльз Эндерби держит убитрон без магнита. Лампа работала под напряжением в 70 000 В и в пике выдавала 150 кВт на частоте 54 ГГц – это были рекордные значения, продержавшиеся десять лет. Однако в 1964 году армия США прекратила финансировать эти исследования, поскольку тогда не существовало антенн или волноводов, способных работать с такими энергиями.
Сегодня лазеры на свободных электронах используют тот же базовый принцип, что и убитрон. Филипс за свои разработки даже получил премию в 1992 году, вручаемую за исследования в области таких лазеров. Сегодня эти лазеры устанавливаются в крупных источниках света и рентгеновских лучей в ускорителях частиц, и выдают мощное электромагнитное излучение. Оно используется для изучения динамики химических связей, фотосинтеза, анализа работы лекарственных препаратов, и для создания тёплой плотной материи, подходящей для исследования процессов формирования газовых гигантов.
Карцинотрон
Французская лампа под названием карцинотрон – ещё один интересный пример устройства, родившегося во время Холодной войны. Она приходится родственником магнетрону. Придумал её в 1951 году Бернард Эпштейн из компании Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF), сейчас входящей в Thales.
Карцинотрон, как и убитрон, появился в результате попытки решить проблемы с осцилляцией обычной лампы. В данном случае источником осцилляции оказалась волна питания, идущая в направлении, обратном направлению электронного луча. Эпштейн обнаружил, что частоту осцилляций можно регулировать напряжением, в результате чего появился патент на лампу обратной волны, регулируемую напряжением [идея создания ЛОВ была высказана в 1948 г. советским ученым М. Ф. Стельмахом / прим. перев.].
20 лет электронные глушилки, используемые в США и Европе, использовали карцинотрон в качестве источника радиоволн. Лампа на фото стала одной из первых, произведённых CSF в 1952-м. Она выдавала 200 Вт в диапазоне S, от 2 до 4 ГГц.
Карцинотроны довольно компактные, если учесть их выходную мощность. Вместе с постоянным фокусирующим магнитом модель на 500 Вт весит 8 кг и имеет размеры 24×17×15 см, чуть меньше обувной коробки.
Странное имя связано с греческим словом karkunos, обозначающим речного рака – так объяснил мне Филиппе Тувенин, специалист по вакуумной электронике из Thales Electron Devices. Ведь раки движутся задом наперёд.
Двухрежимная лампа бегущей волны
Двухрежимная ЛБВ была странной микроволновой электронной лампой, разработанной в США в 1970-е и 1980-е в качестве меры противодействия радарам. Лампа могла выдавать непрерывную волну малой мощности и прерывистую волну большой мощности, и всего у неё было по два: два луча, две цепи, две электронные пушки, два фокусирующих магнита, два коллектора – и всё это в едином корпусе лампы.
Главным её преимуществом было расширение возможностей приборов – к примеру, система противодействия могла работать в двух режимах, с непрерывной волной малой мощности и прерывистой волной большой мощности, но с единственным передатчиком и простым облучателем антенны. Управляющая решётка электронной пушки в короткой секции лампы, отвечавшей за прерывистые волны, могла быстро переключать режимы работы лампы. Естественно, если корпус лампы повреждался, переставали работать обе функции.
Лампа на фото была разработана подразделением Raytheon, которую в 1993 году купила Litton Electron Devices. Raytheon/Litton и Northrop Grumman производили двухрежимные ЛБВ, однако их производство было слишком сложным для массового выпуска, поэтому в начале 2000-х его свернули.
Многолучевой клистрон
Мощность, как многие из нас узнали студентами, это напряжение, умноженное на ток. Чтобы извлечь из электронных ламп больше мощности, можно увеличить напряжение на электронном луче, однако придётся увеличивать размер лампы и усложнять подачу питания. Также можно поднять ток луча, но и с этим хватает проблем. Нужно будет убедиться, что устройство выдержит более высокий ток, а магнитное поле может безопасно перемещать электроны по цепи – по той части лампы, что взаимодействует с лучом электронов.
Кроме того, эффективность лампы обычно падает с ростом тока, поскольку ухудшается группирование электронов, необходимое для преобразования энергии.
Все эти недостатки проявляются в обычной электронной лампе с единственным электронным лучом и единственной цепью. А что, если организовать несколько лучей, исходящих с нескольких катодов, но проходящих через общую цепь? Даже если отдельные лучи будут иметь среднюю мощность, общий ток будет большим, а эффективность устройства не пострадает.
Такие многолучевые устройства изучали в 1960-х годах в США, СССР и много где ещё. В США с этим не вышло, а в СССР работы продолжались, и привели к успешному внедрению многолучевых клистронов, или МЛК. В России множество таких ламп применялось и применяется в различных областях, в т.ч., для радаров.
На фото показан современный пример МЛК, изготовленный в 2001 году французской компанией Thomson Tubes Electroniques (сейчас входящей в Thales). Его разработали в немецкой лаборатории Electron Synchrotron (DESY). Более новая его версия используется в европейской лаборатории рентгеновских лазеров на свободных электронах. В лампе используется семь лучей, дающих общий ток в 137 А, с пиковой мощностью в 10 МВТ, и средней – в 150 кВт. Её эффективность превышает 63%. Для сравнения, клистрон с единым лучом, разработанный в Thomson, даёт пиковую мощность в 5 МВт, и среднюю в 100 кВт, обладая эффективностью в 40%. Получается, что в плане усиления сигнала один МЛК эквивалентен двум обычным клистронам.
Коакситрон
Все описанные мною лампы используют лучи электронов. Однако до появления таких устройств в лампах использовались сетки – электроды в виде прозрачных металлических экранов. Их помещали между катодом и анодом для управления или модулирования потока электронов. В зависимости от количества таких сеток лампы назывались диодами (без сеток), триодами (с одной сеткой), тетродами (две сетки) и т.п. Лампы низкой мощности называли «приёмными лампами», поскольку они обычно использовались в радиоприёмниках или в качестве переключателей (стоит отметить, что в США лампы называют «трубками», а в Британии – «клапанами»).
Конечно, делали и лампы с управляющими сетками, поддерживающие высокие мощности. Передающие лампы использовались – да, да – в радиопередатчиках. Позднее такие лампы стали применяться в разнообразных интересных областях в промышленности, науке и военном деле.
В триодах и лампах с ещё большим количеством сеток стоял катод, управляющая током сетка, и анод или коллектор (или пластина). Большая их часть имела цилиндрическую форму с центральным расположением катода – обычно это была нить, окружённая электродами.
Коакситрон, разработанный RCA в начале 1960-х, представляет собой уникальную модификацию цилиндрического дизайна. Электроды идут по радиусу, от цилиндрического коаксиального катода к аноду. Однако у катода коакситрона эмиттер электронов не единственный – он расположен сегментами по всей окружности, и множество подогреваемых нитей служат источниками электронов. Каждая нить даёт свой небольшой луч электронов. Поскольку этот луч перемещаются к аноду радиально, магнитного поля для ограничения потока электронов не требуется. Поэтому коакситрон получается очень компактным, учитывая значительный уровень его мощности, порядка мегаватта.
Коакситрон на 1 МВт и 425 МГц весил 59 кг и имел 61 см в длину. Хотя у него был довольно скромный коэффициент усиления, от 10 до 15 дБ, как компактный и ультравысокочастотный усилитель он был уникальным устройством. В RCA хотели сделать ускоритель на таких устройствах, но в итоге они прижились в UHF-радарах. И хотя место коакситронов в последнее время заняли твердотельные устройства, некоторые из них до сих пор трудятся в старых радарных системах.
Аудиолампа Telefunken
Важный пример лампы, сетки которой находятся на противоположном конце спектра мощности и частоты по сравнению с мегаваттными монстрами типа клистрона или гиротрона. Telefunken VF14M уважали аудиоинженеры и музыканты, поскольку она использовалась в качестве усилителя в легендарных микрофонах Neumann U47 и U48. Их предпочитали Фрэнк Синатра и продюсер Beatles Джордж Мартин. Кстати, в музее студии Эбби Роуд в Лондоне хранится микрофон Neumann U47. Буква M в названии лампы говорит о том, что она подходит для использования в микрофонах. Такой артикул получали только лампы, прошедшие проверку в Neumann.
VF14 – это пентод, то есть, у неё есть пять электродов, три из которых – сетки. Однако в микрофоне она работает как триод, а две из трёх сеток соединяются вместе и подключаются к аноду. Это сделано по причине якобы лучшего качества звучания триодов. Нить накала VF14, нагревающая катод для испускания электронов, работает при напряжении в 55 В. Это сделано специально, чтобы две лампы можно было последовательно подключать к сети в 110 В, уменьшая стоимость источника питания – в послевоенной Германии это был важный фактор.
Сегодня можно купить чипы, заменяющие VF14M, и даже эмулирующие нить накала на 55 В. Но заменят ли они тёплый ламповый звук? Снобы от аудио, конечно, никогда с этим не согласятся.
- Производство и разработка электроники
- Научно-популярное
Лампа бегущей волны
Лампа бегущей волны — это усилитель электромагнитных волн СВЧ-диапазона; они применяются, например, в спутниковой связи, радиолокации и радиоастрономии. В журнале «Успехи физических наук» опубликован обзор, в котором наглядно рассказано о физике работы прибора, детально поведано об истории его создания, компактно и содержательно — о сегодняшних его применениях. Авторы Д.И. Трубецков и Г.М. Вдовина свой обзор «Лампа с бегущей волной (история в лицах и судьбах)» предваряют следующей аннотацией. «Исследование процессов взаимодействия электронных потоков с электромагнитными полями и устройств на их основе было и остается одним из центральных направлений науки о колебаниях и волнах. В ХХ веке в журнале «УФН» были опубликованы обзоры, посвященные теории и описанию новых на то время приборов. Прошли годы, изменившие теорию и конструкции этих приборов, а также их место в диапазоне электромагнитных волн. Появилась релятивистская электроника. Идет освоение терагерцового диапазона. За минувшие годы стали известны некоторые новые данные, связанные с историей создания лампы бегущей волны (ЛБВ), освещенные в настоящей статье. Изложены факты творческого пути Андрея Гаева, Рудольфа Компфнера и Джона Пирса. Помимо истории ЛБВ в лицах и судьбах представлены результаты некоторых современных исследований и разработок ЛБВ для различных целей».
К этому надо добавить следующее. Обзор написан так, что эти три линии — физика, история и применения — переплетаются удивительно гармонично. И еще: американские историки науки указывают на большую роль Андрея Гаева, уроженца Москвы, в создании ЛБВ; а вот на родине он почти забыт. Поэтому авторы обзора весьма тщательно разбирают, кто именно и что именно предложил, и подчеркивают его роль.
(УФН, 2020, т. 190, с. 543)
Поделиться:
Разные разности
Сфальсифицированные сны
Казалось бы, нет уже и щелочки в личной жизни, куда бы не влезли цифровые устройства. Ну разве что — сны. Их-то уж точно никто, кроме нас самих, не видит. Может, и не видит, а вот управлять нашими снами уже научились.
Оптическая металлургия
Появилась научная статья, в которой китайские исследователи предлагают выплавлять цинк с помощью лазеров. Этот метод не использует высокотемпературного обжига и восстановления углем, поэтому выбросы парниковых газов равны нулю. Авторы технологии назв.
Сколько стоит вода?
Есть ценнейший природный ресурс, которым мы пользуемся каждый день и не замечаем его. Это вода. Она льется из-под крана как нечто само собой разумеющееся. И мы не задумываемся, насколько она на самом деле ценна.
Поющее яйцо
Как не ошибиться и сварить такое яйцо, какое хочется? На этот случай специалисты немецкой компании Brainstream придумали поющее золотое яйцо. Это такой запрограммированный термостат, который по форме и размеру точно соответствует куриному яйцу, а све.
- Номера журнала
- Статьи журнала
- Разные разности
- Наши сериалы
- Фантастика
- Нанофантастика
- Полезные ссылки