Estos dispositivos hicieron guardia durante la Guerra Fría, ayudaron a avanzar en la física de partículas, trataron a pacientes con cáncer y mejoraron el sonido de las grabaciones de los Beatles.
¿Quién, en general, podría estar interesado en los tubos de vacío en una era basada en el trabajo de quintillones de dispositivos de estado sólido? De hecho, ¡es muy interesante! En cuanto al drama, la riqueza y la genialidad de los inventos, pocos periodos técnicos se pueden comparar con los 116 años de la historia de los tubos de vacío (una historia que ni siquiera piensa en terminar).
Como prueba, he compilado una lista de dispositivos de tubo que sin duda han cambiado el mundo en los últimos 60-70 años.
Y solo para la colección, la completé con algunas lámparas que resultaron ser lo suficientemente únicas, geniales o extrañas como para desaparecer en la oscuridad.
Naturalmente, cada vez que alguien hace una lista de algo: las zapatillas de deporte más cómodas, los restaurantes italianos más auténticos de Cleveland, las películas que han superado el libro en el que se basan, alguien está obligado a poner una palabra, discutir o agregar a la lista. Entonces, para repetir lo obvio: esta es mi lista de tubos de vacío. Pero también me interesaría ver tu lista. Agrega tu opinión en los comentarios.
No intenté hacer una lista completa. Aquí no encontrará bombillas de vidrio llenas de gas como Nixie , o tiratrones, pulsos de microondas o tubos de rayos catódicos. Me perdí lámparas conocidas, como las lámparas de satélite de ondas viajeras o los magnetrones de los hornos microondas. Y solo los tubos de RF están en la lista , así que ignoré el enorme espectáculo de los tubos de frecuencia de audio, con una excepción notable.
Pero incluso dentro de los parámetros que he elegido, hay tantos dispositivos sorprendentes que fue difícil elegir solo once de ellos. Por lo tanto, aquí está mi lista de lámparas que han cambiado nuestras vidas, presentada sin mucha clasificación.
Magnetrón médico
Teledyne e2v
En el problema de la generación eficiente de ondas coherentes a una frecuencia de radio en una caja compacta, el magnetrón no tiene competencia.
Los magnetrones se hicieron famosos por primera vez en la Segunda Guerra Mundial como la columna vertebral de los radares británicos. En la década de 1970, casi nunca se usaron en radares, pero encontraron su aplicación en la industria, la ciencia y la medicina, y trabajan allí hasta el día de hoy.
Es el último ejemplo de uso de un magnetrón que resulta especialmente llamativo. Crea un haz de electrones de alta energía en un acelerador lineal. Cuando los electrones de un haz rebotan en los núcleos de un objetivo, hecho de un material con un número atómico alto, como el tungsteno, se genera una gran cantidad de rayos X. Luego, estos rayos pueden dirigirse a los tumores para destruir las células cancerosas en ellos. El primer acelerador clínico dedicado a la radioterapia se instaló en el Hospital Hammersmith de Londres en 1952. El acelerador de tres metros alimentó un magnetrón de dos megavatios.
Los magnetrones de alta potencia todavía se están desarrollando para satisfacer la demanda de la radioterapia.... La foto muestra un magnetrón médico fabricado por e2v Technologies (ahora Teledyne e2v). Su potencia máxima es de 2,6 MW, la media es de 3 kW y la eficiencia supera el 50%. Mide 37 cm de largo, pesa 8 kg y es lo suficientemente pequeño y ligero como para caber en el brazo oscilante de una máquina de radioterapia.
Gyrotron
El gyrotron se inventó en la década de 1960 en el Instituto de Investigaciones Radiofísicas de la URSS. Se trata de un dispositivo de vacío de alta potencia que se utiliza principalmente para calentar plasma en experimentos de fusión nuclear, por ejemplo, en el ITER , que ahora se está construyendo en el sur de Francia [un reactor termonuclear experimental internacional que funcionará según el esquema tokamak , también inventado en la URSS / aprox. transl.]. En tales experimentos, puede ser necesario calentar hasta temperaturas de 150 millones de ° C.
¿Cómo funciona un gyrotron de megavatios? Utiliza haces de electrones de alta energía que giran en una cavidad en un campo magnético fuerte [gyrate, eng. - rotar en círculo]. La interacción entre los electrones que giran y el campo electromagnético de la cavidad genera ondas de radio de alta frecuencia que se dirigen al plasma. Las ondas aceleran los electrones en el plasma, calentándolo así.
Una lámpara que produce un promedio de 1 MW de energía no será poco profunda. Los gyrotrones de fusión suelen tener entre 2 y 2,5 m de altura y un peso del orden de una tonelada, en particular, gracias a las 6-7 bobinas superconductoras de Tesla.
Además del calentamiento del plasma, los gyrotrones se utilizan para el procesamiento de materiales y en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear . Además, el ejército estadounidense intentó utilizarlos para dispersar multitudes (sistemaSistema de negación activa ). El sistema emite un haz relativamente ancho de ondas milimétricas con un diámetro de aproximadamente un metro y medio. El rayo debe calentar la piel humana, provocando una sensación de quemadura, pero sin penetrar en los tejidos ni dañarlos.
Mini lámpara de onda viajera
Como sugiere el nombre, un tubo de ondas viajeras (TWT) amplifica las señales a través de la interacción entre el campo eléctrico de una onda electromagnética que viaja o se propaga y un haz de electrones.
La mayoría de los TWT del siglo XX se diseñaron con ganancias extremadamente altas, 100.000 o más. Sin embargo, este coeficiente no siempre es necesario. Aquí los mini TWT son útiles, como la lámpara de la foto al comienzo de la sección de producción de L3Harris Electron Devices . Su ganancia es de aproximadamente 1000 (30 dB). Es necesario para los casos en que la energía de salida está en el rango de 40 a 200 W, y se requiere un tamaño y voltaje pequeños. Por ejemplo, un mini TWT de 40 W que funcione a 14 GHz cabrá en su mano y pesará menos de 500 g.
Resulta que el ejército tiene una gran demanda de mini TWT. Poco después de su aparición en la década de 1980, los mini TWT se adoptaron en la guerra electrónica y comenzaron a usarse en aviones y barcos como protección contra misiles con localización activa de radar . A principios de la década de 1990, los desarrolladores comenzaron a integrar mini TWT en fuentes de alimentación compactas de alto voltaje. Este sistema se conoció como el módulo de potencia de microondas (MPM). Los amplificadores MPM encontraron aplicación inmediata en radares y transmisores de drones militares como Predator y Global Hawk, así como en sistemas de protección electrónica.
Klystron
El klystron ayudó a acelerar el progreso en la física de altas energías. Los klystrons convierten la energía cinética de un haz de electrones en energía de ondas de radio. La potencia de salida del dispositivo es mucho mayor que la de TWT o magnetrones. El klystron fue inventado por los hermanos Russell y Sigurd Varian en la década de 1930, y fundado en una empresa con otros ingenieros Varian Associates para vender instrumentos. Hoy en día, este negocio vive en el marco de las industrias de comunicaciones y energía.
En un klystron, los electrones emitidos por el cátodo se aceleran hacia el ánodo, formando un haz. El campo magnético evita que el rayo se expanda cuando pasa a través del orificio del ánodo y golpea el colector. Las estructuras huecas, resonadores de cavidad se encuentran entre el ánodo y el colector. Se aplica una señal de alta frecuencia al resonador más cercano al cátodo, lo que provoca la aparición de un campo electromagnético dentro de la cavidad. El campo modula el haz de electrones que pasa a través del resonador, por lo que las velocidades de los electrones comienzan a diferir y, a medida que se mueven a través de los resonadores, se agrupan en racimos. La mayoría de los electrones, que pasan por el último resonador de oscilación activa, se ralentizan. Como resultado, la señal de salida es mucho más fuerte que la señal de entrada.
En la década de 1960, los ingenieros desarrollaron un klystron para operar como fuente de ondas de radio en el nuevo acelerador de partículas lineal de 3,2 km de Stanford. Operaba a 2.856 GHz y utilizaba un haz de electrones de 250 kV. Su potencia máxima fue de 24 MW. En total, para obtener energías de partículas en la región de 50 mil millones de eV, fue necesario instalar 240 klistrones de este tipo.
Estos klistrones allanaron el camino para el uso a gran escala de tubos de vacío como fuentes de ondas de radio en la física de partículas. Todavía se está produciendo una versión de 65 MW de dicho klystron. Los klystrons también se utilizan para la detección de equipaje, la esterilización de alimentos y la radioterapia.
Tubo de onda progresiva con varilla anular
Una de las lámparas de la Guerra Fría que permanece en servicio hasta el día de hoy es una enorme lámpara de ondas viajeras con una varilla anular. Esta lámpara de alta energía tiene una distancia de cátodo a colector de más de 3 m, lo que la convierte en la TWT más grande del mundo.
Los 128 TWT de varilla anular proporcionan potentes pulsos de señales de radio para el extremadamente potente radar de rejilla de fase en la Base Cavalier de la Fuerza Aérea en Dakota del Norte. Este radar, que opera a 440 MHz, se llama Sistema de Caracterización de Ataques de Radar de Adquisición Perimetral ( PARCS ). Busca misiles balísticos que vuelen hacia América del Norte. También rastrea los lanzamientos de cohetes espaciales y los objetos que se mueven en órbita, entrando enred de observación espacial . PARCS, construido en 1972, rastrea más de la mitad de todos los objetos en la órbita de la Tierra. Se dice que es capaz de detectar un objeto del tamaño de una pelota de baloncesto a una distancia de 3200 km.
Una versión de frecuencia aún más alta de la lámpara de varilla anular se utiliza en el radar de rejilla de fase en la remota isla de Shemya, ubicada a 1.900 km de la costa de Alaska. Este es el radar Cobra Dane , que rastrea los lanzamientos de misiles balísticos no estadounidenses. También recopila datos de observación de lanzamientos espaciales y satélites en órbita terrestre baja.
El esquema de este gigante se conoce como la varilla del anillo. Consiste en anillos concéntricos conectados por segmentos alternos, o varillas, espaciados a intervalos iguales a lo largo de toda su longitud. Este esquema proporciona una mayor intensidad de campo a lo largo del haz de electrones en comparación con el TWT ordinario, en el que las ondas de radio se propagan a lo largo de un cable en espiral. Las intensidades más altas dan una mayor ganancia y una mejor eficiencia. La lámpara de la foto fue diseñada por Raytheon a principios de la década de 1970; hoy son producidos por L3Harris Electron Devices.
Ubitron
Charles Enderby con ubitrones
"láser de electrones libres" Quince años antes de la invención del término tubo de vacío existía que operaba con el mismo principio básico: ubitron [ ubitron ], una abreviatura de la interacción de haz ondulado [interacción de haces ondulados].
El ubitron fue inventado por accidente en 1957. Robert Phillips, ingeniero del Laboratorio de Microondas de General Electric en Palo Alto, California, estaba tratando de averiguar por qué un TWT en el laboratorio presentaba oscilaciones y el otro no. Al comparar las dos lámparas, notó variaciones en su enfoque magnético, lo que provocó que el rayo se moviera en una de las lámparas. Se dio cuenta de que estas vibraciones ondulantes pueden causar interacciones periódicas con una onda electromagnética en la guía de ondas. Esto puede resultar útil para obtener un pico de potencia de radio extremadamente alto. Y así apareció el ubitron.
Entre 1957 y 1964, Phillips y sus colegas recolectaron y probaron muchos ubitrones. La foto al comienzo de la sección fue tomada en 1963 y muestra a Charles Enderby sosteniendo un ubitron sin imán. La lámpara operó a 70.000 voltios y entregó 150 kW en su punto máximo a 54 GHz, un récord que duró diez años. Sin embargo, en 1964, el Ejército de los Estados Unidos dejó de financiar esta investigación porque no había antenas ni guías de ondas que pudieran manejar estas energías.
Hoy en día, los láseres de electrones libres utilizan el mismo principio básico que el ubitrón. Phillips incluso ganó un premio en 1992 por su investigación en el campo de dichos láseres. Hoy en día, estos láseres se instalan en grandes fuentes de luz y rayos X en aceleradores de partículas y emiten una poderosa radiación electromagnética. Se utiliza para estudiar la dinámica de los enlaces químicos, la fotosíntesis, analizar el trabajo de las drogas y crear materia cálida y densa adecuada para estudiar la formación de gigantes gaseosos.
Carcinotrón
Una lámpara francesa llamada carcinotron es otro ejemplo interesante de un dispositivo que nació durante la Guerra Fría. Está relacionada con el magnetrón. Fue inventado en 1951 por Bernard Epstein de Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF), ahora parte de Thales.
El carcinotrón, como el ubitrón, surgió de un intento de solucionar los problemas con la oscilación de una lámpara convencional. En este caso, la fuente de las oscilaciones fue la onda de suministro que iba en la dirección opuesta a la dirección del haz de electrones. Epstein descubrió que la frecuencia de las oscilaciones puede ser regulada por voltaje, como resultado de lo cual apareció una patente para una lámpara de onda inversa , regulada por voltaje [la idea de crear un BWO fue expresada en 1948 por el científico soviético MF Stelmakh / approx. transl.].
Durante 20 años, los bloqueadores electrónicos utilizados en EE. UU. Y Europa han utilizado el carcinotrón como fuente de ondas de radio. La lámpara de la foto fue una de las primeras producidas por CSF en 1952. Entregó 200 vatios en la banda S, de 2 a 4 GHz.
Los carcinotrones son bastante compactos si se considera su potencia de salida. Junto con el imán de enfoque permanente, el modelo de 500 W pesa 8 kg y mide 24 × 17 × 15 cm, un poco más pequeño que una caja de zapatos.
El extraño nombre proviene de la palabra griega karkunos, que significa cangrejo de río, me explicó Phillippe Touvenin, un especialista en electrónica de vacío de Thales Electron Devices. Después de todo, los cangrejos de río se mueven hacia atrás.
Lámpara de onda viajera de modo dual
El TWT de modo dual era un extraño tubo de vacío de microondas desarrollado en los Estados Unidos en las décadas de 1970 y 1980 como una contramedida a los radares. La lámpara podía producir una onda continua de baja potencia y una onda intermitente de alta potencia, y en total tenía dos: dos haces, dos circuitos, dos cañones de electrones, dos imanes de enfoque, dos colectores, todo en una sola carcasa de lámpara.
Su principal ventaja era la expansión de las capacidades de los dispositivos; por ejemplo, el sistema de contador podía funcionar en dos modos, con una onda continua de baja potencia y una onda intermitente de alta potencia, pero con un solo transmisor y una simple alimentación de antena. La rejilla de control del cañón de electrones en la sección corta de la lámpara, que era responsable de las ondas intermitentes, podía cambiar rápidamente los modos de la lámpara. Naturalmente, si se dañaba la carcasa de la lámpara, ambas funciones dejaban de funcionar.
La lámpara de la foto fue desarrollada por Raytheon, que fue comprada por Litton Electron Devices en 1993. Raytheon / Litton y Northrop Grumman fabricaron TWT de modo dual, pero su producción era demasiado compleja para la producción en masa, por lo que se eliminó a principios de la década de 2000.
Klystron multihaz
El poder, como muchos de nosotros hemos aprendido como estudiantes, es voltaje multiplicado por corriente. Para extraer más energía de los tubos de vacío, puede aumentar el voltaje a través del haz de electrones, pero debe aumentar el tamaño del tubo y complicar la fuente de alimentación. También puede aumentar la corriente del haz, pero hay bastantes problemas con esto. Deberá asegurarse de que el dispositivo pueda manejar la corriente más alta y que el campo magnético pueda mover electrones de manera segura alrededor del circuito, la parte de la lámpara que interactúa con el haz de electrones.
Además, la eficiencia de una lámpara generalmente disminuye al aumentar la corriente a medida que se deteriora el agrupamiento de electrones requerido para la conversión de energía.
Todas estas desventajas aparecen en un tubo de vacío convencional con un solo haz de electrones y un solo circuito. Pero, ¿y si organizamos varios haces saliendo de varios cátodos, pero pasando por un circuito común? Incluso si los haces individuales son de potencia media, la corriente total será alta y la eficiencia del dispositivo no se verá afectada.
Estos dispositivos de haces múltiples se estudiaron en la década de 1960 en los Estados Unidos, la URSS y muchos otros lugares. En los EE. UU., Esto no funcionó, pero en la URSS, el trabajo continuó y condujo a la introducción exitosa de klistrones multihaz, o MLK. En Rusia, muchas de estas lámparas se han utilizado y se utilizan en varios campos, incluidos los radares.
La foto muestra un ejemplo moderno de un MLK fabricado en 2001 por la empresa francesa Thomson Tubes Electroniques (ahora parte de Thales ). Fue desarrollado en el laboratorio alemán Electron Synchrotron ( DESY ). Una versión más reciente se utiliza en el Europeo laboratorio para de rayos X láseres de electrones libres . La lámpara utiliza siete haces, dando una corriente total de 137 A, con una potencia pico de 10 MW y una media de 150 kW. Su eficiencia supera el 63%. En comparación, el klystron de haz único de Thomson ofrece 5 MW de potencia máxima y 100 kW de potencia media, con una eficiencia del 40%. Resulta que en términos de amplificación de la señal, una MLK equivale a dos klistrones convencionales.
Coaxitron
Todas las lámparas que he descrito utilizan haces de electrones. Sin embargo, antes de la aparición de tales dispositivos, se usaban rejillas en lámparas : electrodos en forma de pantallas metálicas transparentes. Se colocaron entre el cátodo y el ánodo para controlar o modular el flujo de electrones. Dependiendo del número de tales rejillas, las lámparas se llamaron diodos (sin rejillas), triodos (con una rejilla), tetrodos (dos rejillas), etc. Las lámparas de bajo voltaje se llamaban "lámparas receptoras" porque se usaban comúnmente en radios o como interruptores (tenga en cuenta que las lámparas se llaman "tubos" en los Estados Unidos y "válvulas" en Gran Bretaña).
Por supuesto, también fabricaron lámparas con rejillas de control que soportan altas potencias.... Se han utilizado lámparas transmisoras, sí, sí, en transmisores de radio. Más tarde, estas lámparas se utilizaron en una variedad de áreas interesantes en la industria, la ciencia y los asuntos militares.
En triodos y lámparas con aún más rejillas, había un cátodo, una rejilla que controlaba la corriente y un ánodo o colector (o placa). La mayoría de ellos tenían una forma cilíndrica con una ubicación central del cátodo; por lo general, era un hilo rodeado de electrodos.
El Coaxitron, desarrollado por RCA a principios de la década de 1960, es una modificación única del diseño cilíndrico. Los electrodos corren a lo largo de un radio, desde el cátodo coaxial cilíndrico hasta el ánodo. Sin embargo, el emisor de electrones en el cátodo coaxitrón no es el único, está ubicado en segmentos a lo largo de toda la circunferencia y muchos filamentos calientes sirven como fuentes de electrones. Cada hilo da su propio haz de electrones. Dado que este haz viaja radialmente hacia el ánodo, no se requiere ningún campo magnético para limitar el flujo de electrones. Por tanto, el coaxitrón resulta ser muy compacto, dado el significativo nivel de su potencia, del orden de un megavatio.
El coaxitrón de 425 MHz de 1 MW pesaba 59 kg y tenía 61 cm de largo. Aunque tenía una ganancia bastante modesta de 10 a 15 dB, como amplificador compacto y de frecuencia ultraalta era un dispositivo único. RCA quería hacer un acelerador en tales dispositivos, pero al final se arraigaron en los radares UHF. Y aunque los dispositivos de estado sólido han reemplazado recientemente a los coaxitrones, algunos de ellos todavía funcionan en sistemas de radar antiguos.
Tubo de audio Telefunken
Un ejemplo importante de una lámpara cuyas rejillas están en el extremo opuesto del espectro de potencia y frecuencia en comparación con monstruos de megavatios como el klystron o el gyrotron. El Telefunken VF14M fue respetado por ingenieros de audio y músicos, ya que se utilizó como amplificador en los legendarios micrófonos Neumann U47 y U48 . Fueron preferidos por Frank Sinatra y el productor de los Beatles George Martin. Por cierto, el micrófono Neumann U47 se conserva en el museo del estudio Abbey Road en Londres. La letra M en el nombre de la lámpara indica que es adecuada para su uso en micrófonos. Solo las lámparas probadas por Neumann recibieron este número de pieza.
VF14 es un pentodoEs decir, tiene cinco electrodos, tres de los cuales son rejillas. Sin embargo, en un micrófono funciona como un triodo, y dos de las tres rejillas están conectadas entre sí y conectadas al ánodo. Esto se debe a la supuesta mejor calidad de sonido de los triodos. El filamento VF14, que calienta el cátodo para emitir electrones, funciona a 55 V. Esto se hizo a propósito para que dos lámparas pudieran conectarse en cadena a 110 V, reduciendo el costo de la fuente de alimentación, un factor importante en la Alemania de la posguerra.
Hoy en día puedes comprar chips que reemplacen al VF14M, e incluso emular un filamento de 55 V. Pero, ¿reemplazarán el sonido cálido del tubo? Los snobs del audio, por supuesto, nunca estarían de acuerdo con eso.