这些真空器件经历了冷战时期,推进了粒子物理学的发展,使癌症病人得到治疗,还使披头士乐队的音乐更动听。

 

在一个由无数固态器件支撑的时代,我们还需要关注真空管吗?绝对需要!因为从丰富性、戏剧性和纯粹的辉煌来说,很少有技术能与真空管 116 年(还在延续)的历史媲美。为了证明这一点,我整理了一份清单,列出了在过去六七十年里无疑改变了世界的真空器件。其中有一些独特、酷炫或奇怪的真空管,我们不能让它们在黑暗中独自凋零。当然,任何时候只要有人提出任何东西的清单(例如最舒服的越野跑鞋、克利夫兰最正宗的意大利餐厅、比原著更好的电影),其他人都一定会来评论一下,要么反对,要么更加夸大。所以,这无疑只是我个人的真空管清单。不过,我也很想看看你的。欢迎在本文网络版的评论部分添加更多清单内容(在那里,你还将看到印刷版中没有包含的另两种真空管)。我所列的名单并不全面。在这里,你不会看到数码管或闸流管这样的充气玻璃器皿,没有“超高”脉冲功率微波器件,也没有阴极射线显示管。我故意漏掉了一些著名的真空管,比如卫星行波管和微波炉磁控管。我一直在关注射频管,所以忽略了各种各样的音频管,不过有一个明显例外。即便我设定了这么多条件,令人惊叹的器件仍非常多,因此很难在其中只挑出 9 个。以下是我选择的一部分产生重要影响的真空管,排名不分先后。


━━━━
医疗磁控管

如果要在一个紧凑的组件中高效地产生相干射频功率,那么没有什么能比得过磁控管。


磁控管在第二次世界大战中首次展现其光辉时刻,为英国雷达提供了动力。20 世纪 70 年代,磁控管在雷达上的应用开始减少,但在工业、科学和医疗应用中焕发了新的生机,并持续至今。


正是这最后的用途使医疗磁控管大放光彩。在直线加速器中,医疗磁控管能产生一束高能电子束。电子束中的电子被原子序数很高的物质(如钨)组成的目标原子核偏转时,会产生大量 X 射线,X 射线可以被引导杀死肿瘤中的癌细胞。1952 年,伦敦哈默史密斯医院安装了第一台用于放射治疗的临床加速器。一根 2 兆瓦的磁控管可以为 3 米的加速器提供动力。
人们在不断开发大功率磁控管以满足放射肿瘤学的需要。图中的医疗磁控管由 e2v 技术公司(e2v Technologies,现为 Teledyne e2v)制造,峰值功率为 2.6 兆瓦,平均功率 3 千瓦,效率超过 50%。它只有 37 厘米长,重 8 千克左右,又小又轻,足以与放疗机的旋转臂相匹配。



━━━━

回旋管
回旋管是 20 世纪 60 年代苏联制造的一种大功率真空器件,主要用于核聚变实验中的等离子体加热,例如现在正在法国南部建造的国际热核聚变反应堆(ITER)。这些实验反应堆需要的温度高达 1.5 亿摄氏度。


那么兆瓦级回旋管是如何工作的呢?它的名字可以为我们提供线索:利用高能电子在空腔内强磁场中的旋转或回旋。插一句,真空管研究人员十分喜欢“管”(- trons)和“极”(-trodes)。旋转的电子与空腔电磁场之间的相互作用会产生高频无线电波,这些电波会被导向等离子体。高频波会加速等离子体中的电子,并在这个过程中加热等离子体。


一个平均功率为 1 兆瓦的真空管不会很小。聚变回旋管通常高 2 至 2.5 米左右,重约 1 吨,其中包括 6 特斯拉或 7 特斯拉的超导磁体。


除了加热聚变等离子体外,回旋管还用于材料加工和核磁共振波谱。在美国军方的主动拒止系统(Active Denial System)中,它们也被用于非致命群体控制。该系统会投射出一束相对较宽的毫米波光束(直径可能有 1.5 米),能够加热人的皮肤表面,产生灼热感,但不会穿透或损坏皮下组织。



━━━━

迷你行波管
正如它的名字那样,行波管(TWT)能够通过电路中行进或传播的电磁波电场和流动电子束之间的相互作用来放大信号。
20 世纪的大多数行波管都是为了极高功率增益而设计的,其放大比为 10 万甚至更高。不过我们并不总是需要那么多增益,所以出现了迷你行波管,如图中展示的 L3 哈里斯电子设备公司的迷你行波管。迷你行波管的增益在 1 000 左右(或 30 分贝),适用于所需输出功率为 40~200 瓦范围的应用,以及需要小尺寸和低电压的应用。比如,一台工作频率为 14 千兆赫的 40 瓦迷你行波管可以放在你的手掌中,而且重量不到 0.5 千克。



事实证明,军队对迷你行波管的需求很大。20 世纪 80 年代迷你行波管问世后不久,就被用于飞机和舰船上的电子战系统,以防雷达制导导弹的攻击。20 世纪 90 年代初,器件设计师开始将迷你行波管与小型高压电源集成在一起,为器件和驱动它的固态放大器供电。这种组合产生了“微波功率模块”(MPM)。由于体积小、重量轻、效率高,MPM 放大器立即被用于“捕食者”和“全球鹰”等军用无人机的雷达和通信发射机以及电子对抗中。

 

━━━━
加速器速调管
速调管帮助开创了高能物理的大科学时代。速调管能够将电子束动能转换成射频能量。它的输出功率比行波管或磁控管高得多。罗素(Russell)和西格德•瓦里安(Sigurd Varian)兄弟在 20 世纪 30 年代发明了速调管,并与其他人一起成立了瓦里安联合公司来推销它。如今,瓦里安的速调管业务仍在继续,归属于通信及电力工业公司(Communications and Power Industries)。


在速调管内,阴极发射的电子会向阳极加速以形成电子束。电子束通过阳极上的一个孔到达集束器时,磁场会阻止它膨胀。阳极和集束器之间是空心结构,称为“空腔谐振器”。高频信号被应用到了离阴极最近的谐振器上,在腔体内部建立起电磁场。电子束穿过谐振器时,这个电磁场会对电子束进行调制,使电子的速度发生变化,电子束向下游的其他空腔谐振器移动时,电子束会聚集在一起。大多数电子在穿过最后一个以高功率振荡的谐振器时会减速。结果便是输出信号远大于输入信号。


20 世纪 60 年代,工程师们开发了一种速调管,将其作为斯坦福大学正在建造的 3.2 公里长的线性粒子加速器的射频源。斯坦福线性加速器(SLAC)速调管的工作频率为 2.856 千兆赫,使用 250 千伏的电子束,产生的峰值功率为 24 兆瓦。要达到 500 亿电子伏的粒子能量,需要 240 多根 SLAC 速调管。


SLAC 速调管为广泛使用真空管作为先进粒子物理和 X 射线光源设施的射频源铺平了道路。65 兆瓦的 SLAC 速调管还在研发中。速调管也被用于货物检查、食品消毒和放射肿瘤学。



━━━━

环杆行波管
环杆行波管是一种巨型真空管,在冷战时期就使用过,现在仍然很强大。这种高功率管从阴极到集电极的高度超过 3 米,是世界上最大的行波管。北达科他州的卡瓦利耶空军基地有 128 根环杆行波管,它们为超强大的相控阵雷达提供无线电频率动力。这台 440 兆赫的雷达名为“环形搜索雷达攻击特征系统”(PARCS),用于寻找向北美发射的弹道导弹。作为空间监视网络的一部分,它还会监测空间发射和轨道物体。PARCS 是通用电气公司在 1972 年建造的,它能追踪地球轨道上一半以上的物体,据说能够在 2000 英里(3218 公里)的范围内识别出一个篮球大小的物体。


施姆亚岛是一个距离阿拉斯加海岸约 1900 公里的偏远小岛,岛上的相控阵雷达使用了一种更高频率的环杆行波管。这种雷达名为“丹麦眼镜蛇”(Cobra Dane),它负责监测非美国弹道导弹的发射,还能收集有关太空发射和近地轨道卫星的监视数据。


这个庞然大物使用的电路称为“环杆”,由利用沿其长度重复的交替条带或杆连接的圆环组成。这种装置为电子管的电子束提供了比普通行波管更高的场强,其中射频波沿着螺旋形的导线传播。环杆管的场强更高,因而具有更高的功率增益和良好的效率。图中是雷神公司 20 世纪 70 年代初开发的环杆管,现在由 L3 哈里斯电子设备公司制造。

 

━━━━

波动射束注入器
在人们发明“自由电子激光器”一词的 15 年前,有一种真空管与它的工作原理相同,即波动射束注入器,它在某种程度上代表了“波动光束相互作用”。


波动射束注入器发明于 1957 年,它的发明很偶然。罗伯特•菲利普斯(Robert Phillips)是通用电气微波实验室(位于加州帕洛阿尔托)的工程师,当时他正试图弄明白为什么实验室的一个行波管发生了振荡,而另一个没有。对比这两个行波管后,他发现它们的磁聚焦不同,这导致了一个管中的光束晃动。他认为,这种波动会导致波导中的电磁波发生周期性相互作用。反过来,这有助于产生极高水平的峰值射频功率。波动射束注入器也就由此诞生了。


从 1957 年到 1964 年,菲利普斯和同事一起制造并测试了各种各样的波动射束注入器。下面这张 1963 年的照片是他在通用电气的同事查尔斯•恩德比(Charles Enderby)拿着一个没有摆动磁铁的波动射束注入器。这根真空管在 7 万伏特的电压下运行,能在 54 千兆赫下产生 150 千瓦的峰值功率,这个功率水平保持了十多年的纪录。不过,资助波动射束注入器研究的美国陆军在 1964 年叫停了研发,因为没有哪种天线或波导可以处理如此高的功率水平。



今天的自由电子激光器采用的基本原理与波动射束注入器相同。事实上,菲利普斯因其在波动射束注入器上的开创性工作受到了表彰,于 1992 年获得了“自由电子激光奖”。现在安装在粒子加速器大型光源和 X 射线源中的自由电子激光能够产生强大的电磁辐射,可用于探索化学键力学、了解光合作用、分析药物如何与靶点结合,甚至创造出温暖、致密的物质,用于研究气体行星是如何形成的。

 

━━━━
反波管
法国的反波管是另一个诞生于冷战时期的有趣的例子。它与磁控管有关,由伯纳德•爱泼斯坦(Bernard Epsztein)于 1951 年在法国无线电报总公司(CSF,现隶属于泰雷兹公司)发明。


与波动射束注入器一样,反波管是为了解决传统电子管的振荡问题而发展起来的。在这个例子里,振荡源来自一个射频电路功率的反向流动,与电子管的电子束方向相反。爱泼斯坦发现,振荡频率可以随电压变化而变化,后来便申请了一种电压可调“反向波”管的专利。


在大约 20 年的时间里,美国和欧洲的电子干扰机都使用了反波管作为其射频功率源。图中是 CSF 在 1952 年制造的第一批反波管之一。它在 S 波段的射频功率为 200 瓦,能从 2 兆赫扩展到 4 兆赫。



鉴于其能处理的功率水平,反波管相当小巧。包括永久聚焦磁铁在内,一个 500 瓦的反波管重量只有 8 千克,尺寸为 24 厘米×17 厘米×15 厘米,比鞋盒略小。

 

它奇怪的名字是怎么来呢?泰雷兹电子设备公司的真空电子学科学家菲利普•索维宁(Philippe Thouvenin)告诉我,这个词来自希腊语单词 karkunos,意思是小龙虾。小龙虾嘛,当然会向后游。


━━━━
同轴管
到目前为止,我所介绍的电子管都是专家们所说的“束波装置”(或者磁控管中的流波装置)。在这些装置出现之前,电子管有栅极,它是一种透明的屏状金属电极,插在电子管的阴极和阳极之间,用来控制或调节电子的流动。根据电子管栅极的个数,可以将其称为二极管(无栅极)、三极管(一个栅极)、四极管(两个栅极)等等。低功率管被称为“接收管”,因为它们通常用于无线电接收器或开关。这里要指出的是,我所说的“电子管”(tube),也就是英国人所说的 valve。


当然,还有更高功率的栅极管。你可能已猜到,发射管被用在了无线电发射器上。后来,大功率栅极管被广泛应用于工业、科学和军事领域。


三极管和高阶栅极管都包括一个阴极、一个电流控制栅极和一个阳极或集电器(或极板)。这些电子管大多是圆柱形的,有一个中心阴极,通常是细丝,周围有电极环绕。


同轴管由美国无线电公司(RCA)在 20 世纪 60 年代开始开发,是一种独特的圆柱形设计排列装置。电子会从圆柱形同轴阴极径向流向阳极。不过,同轴管的阴极并不是只有一个电子发射体,而是沿着它的周长被分割成多个,用许多加热的细丝作为电子源。每根细丝都会形成自己的小电子束。由于小束径向流向阳极,所以不需要磁场(或磁铁)来限制电子。因此,考虑到其卓越的功率水平(约 1 兆瓦),同轴管非常紧凑。



一台 1 兆瓦、425 兆赫的同轴管重达 130 磅(59 公斤),高 24 英寸(61 厘米)。虽然增益不大(10 到 15 分贝),但作为一款紧凑型超高频功率助推器,它仍然是一款强悍的产品。RCA 最初想将同轴管用作射频加速器的驱动源,但最终它在大功率 UHF 雷达上找到了用武之地。虽然同轴管近来被固态器件取代了,但老雷达系统中仍有一些还在使用。

 

━━━━
德律风根音频管

在功率 / 频谱方面,有一种带栅极的重要传统电子管与速调管和回旋管等兆瓦级巨兽分处两端。德律风根 VF14M 得到了音频工程师和录音艺术家的厚爱,它被用作纽曼 U47 和 U48 传奇话筒的放大器,法兰克•辛纳屈(Frank Sinatra)和披头士乐队的制作人乔治•马丁爵士(Sir George Martin)都对这种话筒青睐有加。一个有趣的事实:伦敦的阿比大街(Abbey Road)工作室展出了一个纽曼 U47 话筒。VF14M 电子管名称中的“M”表示它适用于麦克风,且只有通过纽曼筛选审查的电子管能有此名称标识。


VF14 是一个五极管,它有 5 个电极,包括 3 个栅极。不过,它用于麦克风时,却是作为三极管工作,其中两个栅极被绑在一起,与阳极相连。这样做是为了利用三极管可能拥有的优越音质。VF14 的加热电路加热阴极,使其能够发射电子,其运行电压为 55 伏。之所以选择该电压,是为了使两根电子管可以串联在 110 伏的主电源上以降低供电成本,这在战后的德国非常重要。



现在,你可以买一个固态装置替代 VF14M,它甚至能模拟这款电子管 55 伏的加热电路,但它能复制出那种温暖而悦耳的管音吗?在这一点上,内行音频人肯定不会同意。