Esses dispositivos ficaram de guarda durante a Guerra Fria, ajudaram no avanço da física das partículas, trataram pacientes com câncer e melhoraram o som das gravações dos Beatles.
Quem, em geral, pode estar interessado em tubos de vácuo em uma era baseada no trabalho de quintilhões de dispositivos de estado sólido? Na verdade, é muito interessante! Em termos de drama, riqueza e gênio das invenções, poucos períodos técnicos podem ser comparados com os 116 anos de história das válvulas (uma história que nunca pensa no fim).
Como prova, fiz uma lista de dispositivos valvulados que sem dúvida mudaram o mundo nos últimos 60-70 anos.
E apenas para a coleção, eu a complementei com várias lâmpadas que acabaram sendo únicas o suficiente, legais ou estranhas o suficiente para simplesmente desaparecer na obscuridade.
Naturalmente, toda vez que alguém faz uma lista de algo - os tênis mais confortáveis, os restaurantes italianos mais autênticos de Cleveland, os filmes que ultrapassaram o livro em que se baseiam -, alguém tem que colocar uma palavra, argumentar ou acrescentar algo à lista. Portanto, para repetir o óbvio: esta é a minha lista de tubos de vácuo. Mas também gostaria de ver sua lista. Dê sua opinião nos comentários.
Não tentei tornar a lista abrangente. Você não encontrará lâmpadas de vidro cheias de gás como Nixie , ou tiratrons, ou pulsos de microondas ou tubos de raios catódicos aqui. Perdi lâmpadas bem conhecidas, como lâmpadas de ondas viajantes ou magnetrons de fornos de micro-ondas. E apenas os tubos de RF são listados , então ignorei o enorme show de horrores dos tubos de frequência de áudio - com uma exceção notável.
Mas mesmo dentro dos parâmetros que escolhi, existem tantos dispositivos incríveis que foi difícil escolher apenas onze deles. Portanto, aqui está minha lista de lâmpadas que mudaram nossas vidas, apresentadas sem muita triagem.
Magnetron médico
Teledyne e2v
O magnetron não tem competição no problema de geração eficiente de ondas coerentes em uma freqüência de rádio em um case compacto.
Os magnetrons se tornaram famosos na Segunda Guerra Mundial como a base dos radares britânicos. Na década de 1970, quase nunca eram usados em radares, mas encontraram sua aplicação na indústria, na ciência e na medicina, e funcionam lá até hoje.
É o último exemplo de uso de um magnetron que é especialmente impressionante. Ele cria um feixe de elétrons de alta energia em um acelerador linear. Quando os elétrons de um feixe ricocheteiam nos núcleos de um alvo - feito de um material com um alto número atômico, como o tungstênio - uma abundância de raios-X é gerada. Esses feixes podem então ser direcionados aos tumores para matar as células cancerosas neles. O primeiro acelerador clínico dedicado à radioterapia foi instalado no Hammersmith Hospital em Londres em 1952. O acelerador de três metros alimentou um magnetron de dois megawatts.
Magnetrons de alta potência ainda estão sendo desenvolvidos hoje para atender a demanda de radioterapia... A foto mostra um magnetron médico fabricado pela e2v Technologies (agora Teledyne e2v). Sua potência de pico é de 2,6 MW, a média é de 3 kW e a eficiência é superior a 50%. Tem 37 cm de comprimento, pesa 8 kg e é pequeno e leve para caber no braço oscilante de uma máquina de radioterapia.
Gyrotron
O girotron foi inventado na década de 1960 no Radiophysical Research Institute da URSS. Este dispositivo a vácuo é de alta potência, é usado principalmente para aquecer o plasma em experimentos de fusão nuclear - por exemplo, no ITER , agora em construção no sul da França [International Thermonuclear Experimental Reactor, que funcionará sob o esquema Tokamak , também inventado na URSS / aprox. trad.]. Em tais experimentos, o aquecimento até temperaturas de 150 milhões ° C pode ser necessário.
Como funciona um girotron de megawatt? Ele usa feixes de elétrons de alta energia girando em uma cavidade em um campo magnético forte [girar, eng. - girar em círculo]. A interação entre os elétrons girando e o campo eletromagnético da cavidade gera ondas de rádio de alta frequência que são direcionadas para o plasma. As ondas aceleram os elétrons no plasma, aquecendo-o.
Uma lâmpada que produz em média 1 MW de energia não será rasa. Os girotrões de fusão têm geralmente 2 - 2,5 m de altura e pesam na ordem de uma tonelada - em particular, graças às bobinas supercondutoras 6-7 de Tesla.
Além do aquecimento do plasma, os girotrons são usados no processamento de materiais e na espectroscopia de ressonância magnética nuclear . Além disso, o exército americano tentou usá-los para dispersar as multidões (sistemaSistema de negação ativo ). O sistema emite um feixe relativamente largo de ondas milimétricas com um diâmetro de cerca de um metro e meio. O feixe deve aquecer a pele humana, causando uma sensação de queimadura, mas não penetrando nos tecidos ou causando danos.
Mini lâmpada de onda viajante
Como o nome sugere, um tubo de onda viajante (TWT) amplifica os sinais por meio da interação entre o campo elétrico de uma onda eletromagnética viajando ou propagada e um feixe de elétrons.
A maioria dos TWTs do século XX foi projetada com ganhos extremamente altos, 100.000 ou mais. No entanto, esse coeficiente nem sempre é necessário. Aqui, os mini TWT são úteis, como a lâmpada na foto no início da seção de produção de L3Harris Electron Devices . Seu ganho é de cerca de 1000 (30 dB). É necessário para os casos em que a energia de saída está na faixa de 40 a 200 watts e um tamanho e voltagem pequenos são necessários. Por exemplo, um mini TWT de 40 W operando a 14 GHz caberá na sua mão e pesará menos de 500 g.
Acontece que os militares têm uma grande demanda por mini TWT. Logo após seu surgimento na década de 1980, os mini TWTs foram adotados na guerra eletrônica e começaram a ser usados em aeronaves e navios como proteção contra mísseis teleguiados de radar ativos . No início da década de 1990, os desenvolvedores começaram a integrar mini TWTs em fontes de alimentação compactas de alta tensão. Esse sistema ficou conhecido como módulo de potência de microondas (MPM). Os amplificadores MPM encontraram imediatamente aplicação em radares e transmissores de drones militares, como Predator e Global Hawk, bem como em sistemas de proteção eletrônica.
Klystron
O clístron ajudou a acelerar o progresso na física de alta energia. Os clístrons convertem a energia cinética de um feixe de elétrons em energia de ondas de rádio. A potência de saída do dispositivo é muito maior do que a do TWT ou magnetrons. Klystron foi inventado pelos irmãos Russell e Sigurd Varian na década de 1930 e fundado em uma empresa com outros engenheiros, a Varian Associates, para vender instrumentos. Hoje, esse negócio vive na estrutura das Comunicações e Indústrias de Energia.
Em um clístron, os elétrons emitidos pelo cátodo são acelerados em direção ao ânodo, formando um feixe. O campo magnético impede que o feixe se expanda à medida que passa pelo orifício no ânodo e atinge o coletor. Estruturas ocas e ressonadores de cavidade estão localizados entre o ânodo e o coletor. Um sinal de alta frequência é aplicado ao ressonador mais próximo do cátodo, o que leva ao aparecimento de um campo eletromagnético dentro da cavidade. O campo modula o feixe de elétrons que passa pelo ressonador, devido ao qual as velocidades dos elétrons começam a diferir, e esses, à medida que se movem pelos ressonadores, são agrupados em grupos. A maioria dos elétrons, passando pelo último ressonador ativamente oscilante, diminui a velocidade. Como resultado, o sinal de saída é muito mais forte do que o sinal de entrada.
Na década de 1960, os engenheiros desenvolveram um clístron para operar como uma fonte de ondas de rádio no novo acelerador de partículas linear de 3,2 km de Stanford. Ele operava a uma frequência de 2.856 GHz e usava um feixe de elétrons de 250 kV. Sua potência de pico foi de 24 MW. No total, 240 desses klystrons tiveram que ser instalados para obter energias de partículas na região de 50 bilhões eV.
Esses clístrons abriram caminho para o uso em larga escala de tubos de vácuo como fontes de ondas de rádio na física de partículas. Uma versão de 65 MW de tal clístron ainda está sendo produzida. Os clístrons também são usados para triagem de bagagem, esterilização de alimentos e radioterapia.
Tubo de onda viajante com haste circular
Uma das lâmpadas da Guerra Fria que permanece em serviço até hoje é uma enorme lâmpada de ondas viajantes com uma haste anular. Esta lâmpada de alta energia tem uma distância catodo-coletor de mais de 3 m, tornando-a o maior TWT do mundo.
128 TWTs de haste circular fornecem potentes pulsos de sinais de rádio para o radar de matriz de fase extremamente poderoso baseado na Base Aérea Cavalier em Dakota do Norte. Este radar, operando a 440 MHz, é chamado de Sistema de Caracterização de Ataque por Radar de Aquisição de Perímetro ( PARCS ). Ele procura mísseis balísticos voando em direção à América do Norte. Ele também rastreia lançamentos de foguetes espaciais e objetos em movimento em órbita, entrandorede de observação espacial . PARCS, construído em 1972, rastreia mais da metade de todos os objetos na órbita da Terra. Diz-se que é capaz de detectar um objeto do tamanho de uma bola de basquete a uma distância de 3.200 km.
Uma versão de frequência ainda mais alta da lâmpada de haste circular é usada no radar de grade de fase na remota ilha de Shemya, localizada a 1.900 km da costa do Alasca. Este é o radar Cobra Dane , que rastreia os lançamentos de mísseis balísticos não americanos. Ele também coleta dados de observação de lançamentos espaciais e satélites em órbita baixa da Terra.
O esquema desse gigante é conhecido como haste circular. Consiste em anéis concêntricos conectados por segmentos alternados, ou hastes, espaçados em intervalos iguais ao longo de todo o seu comprimento. Este esquema fornece uma intensidade de campo mais alta ao longo do feixe de elétrons em comparação com o TWT comum, no qual as ondas de rádio se propagam ao longo de um fio espiral. Intensidades mais altas proporcionam maior ganho e melhor eficiência. A lâmpada da foto foi projetada por Raytheon no início dos anos 1970; hoje eles são produzidos pela L3Harris Electron Devices.
Ubitron
Charles Enderby com ubitrons
"laser de elétrons livres" Quinze anos antes da invenção do termo existia tubo de vácuo operando no mesmo princípio básico - ubitron [ ubitron ], uma abreviatura de interação de feixe ondulante [interação de feixe ondulante].
O ubitron foi inventado por acidente em 1957. Robert Phillips, um engenheiro do Laboratório de Microondas da General Electric em Palo Alto, Califórnia, estava tentando descobrir por que um TWT no laboratório exibia oscilações e o outro não. Comparando as duas lâmpadas, ele notou variações em sua focalização magnética, o que fez o feixe se contorcer em uma das lâmpadas. Ele percebeu que essas vibrações ondulantes podem causar interações periódicas com uma onda eletromagnética no guia de ondas. Isso pode ser útil para obter potência de rádio de pico extremamente alto. E então o ubitron apareceu.
Entre 1957 e 1964, Phillips e seus colegas coletaram e testaram muitos ubitrons. A foto no início da seção foi tirada em 1963 e mostra Charles Enderby segurando um ubitron sem ímã. A lâmpada operou a 70.000 volts e entregou 150 kW em seu pico de 54 GHz - um recorde que durou dez anos. No entanto, em 1964, o Exército dos EUA parou de financiar essa pesquisa porque não havia antenas ou guias de onda que pudessem lidar com essas energias.
Os lasers de elétrons livres hoje usam o mesmo princípio básico do ubitron. Phillips até ganhou um prêmio em 1992 por sua pesquisa no campo desses lasers. Hoje, esses lasers são instalados em grandes fontes de luz e raios-X em aceleradores de partículas e emitem radiação eletromagnética poderosa. É usado para estudar a dinâmica de ligações químicas, fotossíntese, analisar o trabalho de drogas e criar matéria densa quente adequada para estudar a formação de gigantes gasosos.
Carcinotron
Uma lâmpada francesa chamada carcinotron é outro exemplo interessante de dispositivo que nasceu durante a Guerra Fria. Ela está relacionada ao magnetron. Foi inventado em 1951 por Bernard Epstein da Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF), agora parte da Thales.
O carcinotron, assim como o ubitron, surgiu de uma tentativa de resolver os problemas com a oscilação de uma lâmpada convencional. Nesse caso, a fonte das oscilações era a onda de alimentação indo na direção oposta à direção do feixe de elétrons. Epstein descobriu que a frequência das oscilações pode ser regulada por voltagem, e como resultado apareceu uma patente para uma lâmpada de onda reversa , regulada por voltagem [a ideia de criar um BWO foi expressa em 1948 pelo cientista soviético MF Stelmakh / aprox. trad.].
Por 20 anos, bloqueadores eletrônicos usados nos EUA e na Europa usaram o carcinotron como fonte de ondas de rádio. A lâmpada da foto foi uma das primeiras produzidas pela CSF em 1952. Ele entregou 200 watts na banda S, 2 a 4 GHz.
Os carcinotrons são bastante compactos quando você considera sua produção de energia. Junto com o ímã de foco permanente, o modelo de 500 W pesa 8 kg e mede 24 × 17 × 15 cm, um pouco menor que uma caixa de sapatos.
O nome estranho vem da palavra grega karkunos para lagostim, explicou-me Phillippe Touvenin, um especialista em eletrônica de vácuo da Thales Electron Devices. Afinal, os lagostins se movem para trás.
Lâmpada de onda viajante de modo duplo
O TWT dual-mode era um tubo a vácuo de microondas bizarro desenvolvido nos Estados Unidos nas décadas de 1970 e 1980 como uma contramedida aos radares. A lâmpada podia produzir uma onda contínua de baixa potência e uma onda intermitente de alta potência e, no total, tinha dois: dois feixes, dois circuitos, dois canhões de elétrons, dois ímãs de foco, dois coletores - tudo em um único compartimento de lâmpada.
Sua principal vantagem era a ampliação das capacidades dos dispositivos - por exemplo, o sistema de contagem poderia operar em dois modos, uma onda contínua de baixa potência e uma onda intermitente de alta potência, mas com um único transmissor e uma alimentação de antena simples. A grade de controle do canhão de elétrons na seção curta da lâmpada, que era responsável pelas ondas intermitentes, podia alternar rapidamente os modos da lâmpada. Naturalmente, se a carcaça da lâmpada fosse danificada, ambas as funções deixavam de funcionar.
A lâmpada na foto foi desenvolvida pela Raytheon, que foi comprada pela Litton Electron Devices em 1993. Raytheon / Litton e Northrop Grumman fizeram TWTs de modo duplo, mas sua produção era muito complexa para produção em massa, então foi descontinuada no início de 2000.
Clístron de múltiplos feixes
A potência, como muitos de nós aprendemos como estudantes, é a tensão vezes a corrente. Para extrair mais energia dos tubos de vácuo, você pode aumentar a voltagem através do feixe de elétrons, mas é necessário aumentar o tamanho do tubo e complicar o fornecimento de energia. Você também pode aumentar a corrente do feixe, mas há problemas suficientes com isso. Será necessário certificar-se de que o dispositivo pode lidar com a corrente mais elevada e que o campo magnético pode mover os elétrons com segurança através do circuito - ao longo da parte da lâmpada que interage com o feixe de elétrons.
Além disso, a eficiência de uma lâmpada geralmente diminui com o aumento da corrente, à medida que o agrupamento de elétrons necessário para converter a energia se deteriora.
Todas essas desvantagens aparecem em um tubo de vácuo convencional com um único feixe de elétrons e um único circuito. Mas e se organizarmos vários feixes saindo de vários cátodos, mas passando por um circuito comum? Mesmo se os feixes individuais forem de potência média, a corrente total será alta e a eficiência do dispositivo não será afetada.
Esses dispositivos multifeixe foram estudados na década de 1960 nos EUA, na URSS e em muitos outros lugares. Nos Estados Unidos, isso não funcionou, mas na URSS, o trabalho continuou e levou à introdução bem - sucedida de clístrons de feixes múltiplos, ou MLK. Na Rússia, muitas dessas lâmpadas foram usadas e são usadas em vários campos, inclusive para radares.
A foto mostra um exemplo moderno de um MLK fabricado em 2001 pela empresa francesa Thomson Tubes Electroniques (agora parte da Thales ). Foi desenvolvido no laboratório alemão Electron Synchrotron ( DESY ). Uma versão mais recente é usada no laboratório europeu de lasers de elétrons livres de raios-X . A lâmpada utiliza sete feixes, dando uma corrente total de 137 A, com uma potência de pico de 10 MW e uma média de 150 kW. Sua eficiência ultrapassa 63%. Em comparação, o klystron de feixe único da Thomson oferece 5 MW de potência de pico e 100 kW de potência média, com uma eficiência de 40%. Acontece que, em termos de amplificação de sinal, um MLK é equivalente a dois clístrons convencionais.
Coaxitron
Todas as lâmpadas que descrevi usam feixes de elétrons. No entanto, antes do surgimento de tais dispositivos, grades eram utilizadas em lâmpadas - eletrodos em forma de telas de metal transparentes. Eles foram colocados entre o cátodo e o ânodo para controlar ou modular o fluxo de elétrons. Dependendo do número de tais grades, as lâmpadas eram denominadas diodos (sem grades), triodos (com uma grade), tetrodos (duas grades), etc. As lâmpadas de baixa potência foram chamadas de "lâmpadas receptoras" porque eram comumente usadas em rádios ou como interruptores (é importante notar que as lâmpadas são chamadas de "tubos" nos Estados Unidos e "válvulas" na Grã-Bretanha).
Claro, eles também fizeram lâmpadas com grades de controle que suportam altas potências.... Lâmpadas de transmissão têm sido usadas - sim, sim - em transmissores de rádio. Mais tarde, essas lâmpadas começaram a ser usadas em uma variedade de áreas interessantes da indústria, ciência e assuntos militares.
Nos triodos e lâmpadas com ainda mais grades, havia um cátodo, uma grade controlando a corrente e um ânodo ou coletor (ou placa). A maioria deles tinha formato cilíndrico com localização central do cátodo - geralmente era um fio envolto por eletrodos.
O Coaxitron, desenvolvido pela RCA no início dos anos 1960, é uma modificação única do design cilíndrico. Os eletrodos correm radialmente do cátodo coaxial cilíndrico para o ânodo. No entanto, o emissor de elétrons no cátodo coaxitron não é o único - ele está localizado em segmentos ao redor de toda a circunferência, e muitos filamentos aquecidos servem como fontes de elétrons. Cada fio fornece seu próprio pequeno feixe de elétrons. Uma vez que este feixe viaja radialmente para o ânodo, nenhum campo magnético é necessário para limitar o fluxo de elétrons. Portanto, o coaxitron acaba sendo muito compacto, dado o nível significativo de sua potência, da ordem de um megawatt.
O coaxitron de 1 MW 425 MHz pesava 59 kg e tinha 61 cm de comprimento. Embora tivesse um ganho bastante modesto de 10 a 15 dB, como um amplificador de frequência ultra-compacto e compacto, era um dispositivo único. A RCA queria fazer um acelerador nesses dispositivos, mas no final eles se enraizaram nos radares UHF. E embora os dispositivos de estado sólido tenham recentemente substituído os coaxitrons, alguns deles ainda funcionam em sistemas de radar antigos.
Tubo de áudio Telefunken
Um exemplo importante de uma lâmpada cujas grades estão na extremidade oposta do espectro de potência e frequência em comparação com monstros megawatts como o clístron ou o girotron. O Telefunken VF14M foi respeitado por engenheiros de áudio e músicos, pois foi usado como um amplificador nos lendários microfones Neumann U47 e U48 . Eles foram preferidos por Frank Sinatra e pelo produtor dos Beatles, George Martin. A propósito, o microfone Neumann U47 está guardado no museu do estúdio Abbey Road, em Londres. A letra M no nome da lâmpada indica que ela é adequada para uso em microfones. Apenas as lâmpadas testadas por Neumann receberam este número de peça.
VF14 é um pentodoou seja, ele possui cinco eletrodos, três dos quais são grades. No entanto, em um microfone ele funciona como um triodo, e duas das três grades são conectadas entre si e conectadas ao ânodo. Isso se deve à supostamente melhor qualidade de som dos triodos. O filamento VF14, que aquece o cátodo para emitir elétrons, opera a 55 V. Isso foi feito propositalmente para que duas lâmpadas pudessem ser ligadas em cadeia a 110 V, reduzindo o custo do fornecimento de energia - um fator importante na Alemanha do pós-guerra.
Hoje você pode comprar chips que substituem o VF14M e até mesmo emular um filamento de 55 V. Mas eles substituirão o som valvulado quente? Os esnobes de áudio, é claro, nunca concordariam com isso.