Ces appareils montaient la garde pendant la guerre froide, aidaient à faire progresser la physique des particules, guérissaient les patients atteints de cancer et amélioraient le son des enregistrements des Beatles.
Qui en général pourrait être intéressé par les tubes à vide à une époque basée sur le travail de quintillions d'appareils à semi-conducteurs? En fait, c'est très intéressant! En termes de drame, de richesse et de génie des inventions, peu de périodes techniques peuvent être comparées aux 116 ans d'histoire des tubes à vide (une histoire qui ne pense même pas à la fin).
Pour preuve, j'ai compilé une liste d'appareils à tubes qui ont sans aucun doute changé le monde au cours des 60-70 dernières années.
Et juste pour la collection, je l'ai complétée avec quelques lampes qui se sont avérées assez uniques, assez cool ou assez étranges pour disparaître dans l'obscurité.
Naturellement, chaque fois que quelqu'un fait une liste de quelque chose - les baskets les plus confortables, les restaurants italiens les plus authentiques de Cleveland, les films qui ont dépassé le livre sur lequel ils sont basés - quelqu'un doit mettre un mot, argumenter ou ajouter à la liste. Donc, pour répéter l'évidence: voici ma liste de tubes à vide. Mais je serais aussi intéressé de voir votre liste. Ajoutez votre opinion dans les commentaires.
Je n’ai pas essayé de rendre la liste exhaustive. Vous ne trouverez pas d'ampoules en verre remplies de gaz comme Nixie , ou des thyratrons, ou des impulsions micro-ondes ou des tubes à rayons cathodiques ici. J'ai raté des lampes bien connues, telles que les lampes satellites à ondes progressives ou les magnétrons des fours à micro-ondes. Et seuls les tubes RF sont sur la liste , alors j'ai ignoré l'énorme émission anormale des tubes de fréquence audio - à une exception notable près.
Mais même dans les paramètres que j'ai choisis, il y a tellement d'appareils étonnants qu'il était difficile de n'en choisir que onze. Voilà donc ma liste de lampes qui ont changé nos vies, présentées sans trop de tri.
Magnétron médical
Teledyne e2v
Dans le problème de la génération efficace d'ondes cohérentes à une fréquence radio dans un boîtier compact, le magnétron n'a pas de concurrence.
Les magnétrons sont devenus célèbres pour la première fois lors de la Seconde Guerre mondiale en tant que colonne vertébrale des radars britanniques. Dans les années 1970, ils n'étaient presque jamais utilisés dans les radars, mais ils ont trouvé leur application dans l'industrie, la science et la médecine, et ils y travaillent encore aujourd'hui.
C'est le dernier exemple d'utilisation d'un magnétron qui est particulièrement frappant. Il crée un faisceau d'électrons à haute énergie dans un accélérateur linéaire. Lorsque les électrons d'un faisceau rebondissent sur les noyaux d'une cible - constituée d'un matériau à numéro atomique élevé, tel que le tungstène - une abondance de rayons X est générée. Ces faisceaux peuvent ensuite être dirigés vers les tumeurs pour tuer les cellules cancéreuses qu'elles contiennent. Le premier accélérateur clinique dédié à la radiothérapie a été installé au Hammersmith Hospital de Londres en 1952. L'accélérateur de trois mètres alimentait un magnétron de deux mégawatts.
Des magnétrons de haute puissance sont toujours en cours de développement pour répondre à la demande de la radiothérapie... La photo montre un magnétron médical fabriqué par e2v Technologies (maintenant Teledyne e2v). Sa puissance de crête est de 2,6 MW, la moyenne est de 3 kW et le rendement est supérieur à 50%. Il mesure 37 cm de long, pèse 8 kg et est suffisamment petit et léger pour s'insérer dans le bras oscillant d'un appareil de radiothérapie.
Gyrotron
Le gyrotron a été inventé dans les années 1960 à l'Institut de recherche radiophysique en URSS. Il s'agit d'un appareil à vide de haute puissance utilisé principalement pour chauffer le plasma dans les expériences de fusion nucléaire - par exemple, dans ITER , qui est en cours de construction dans le sud de la France [un réacteur thermonucléaire expérimental international qui fonctionnera selon le schéma tokamak , également inventé en URSS / env. trad.]. Dans de telles expériences, un chauffage jusqu'à des températures de 150 millions ° C peut être nécessaire.
Comment fonctionne un gyrotron mégawatt? Il utilise des faisceaux d'électrons à haute énergie tournant dans une cavité dans un champ magnétique puissant [gyrate, eng. - tourner en cercle]. L'interaction entre les électrons en rotation et le champ électromagnétique de la cavité génère des ondes radio haute fréquence qui sont dirigées dans le plasma. Les ondes accélèrent les électrons du plasma, le réchauffant ainsi.
Une lampe qui produit en moyenne 1 MW d'énergie ne sera pas peu profonde. Les gyrotrons de fusion mesurent généralement entre 2 et 2,5 mètres de haut et pèsent de l'ordre d'une tonne - en particulier grâce aux bobines supraconductrices 6-7 de Tesla.
En plus du chauffage au plasma, les gyrotrons sont utilisés pour le traitement des matériaux et dans la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire . En outre, l'armée américaine a essayé de les utiliser pour disperser les foules (systèmeSystème de déni actif ). Le système émet un faisceau relativement large d'ondes millimétriques d'un diamètre d'environ un mètre et demi. Le faisceau doit réchauffer la peau humaine, provoquant une sensation de brûlure, mais ne pénétrant pas dans les tissus ou ne les endommageant pas.
Mini lampe à ondes de voyage
Comme son nom l'indique, un tube à ondes progressives (TWT) amplifie les signaux grâce à l'interaction entre le champ électrique d'une onde électromagnétique se propageant ou se propageant et un faisceau d'électrons.
La plupart des TWT du XXe siècle ont été conçus avec des gains extrêmement élevés, 100 000 ou plus. Cependant, un tel coefficient n'est pas toujours nécessaire. Les mini TWT sont utiles ici, comme la lampe sur la photo au début de la section de production de L3Harris Electron Devices . Son gain est d'environ 1000 (30 dB). Il est nécessaire dans les cas où l'énergie de sortie est comprise entre 40 et 200 watts et où une petite taille et une tension sont requises. Par exemple, un mini TWT de 40 W fonctionnant à 14 GHz tient dans votre main et pèse moins de 500 g.
Il s'avère que l'armée a une grande demande pour le mini TWT. Peu de temps après leur apparition dans les années 1980, les mini TWT ont été adoptés dans la guerre électronique et ont commencé à être utilisés sur les avions et les navires comme protection contre les missiles à guidage radar actifs . Au début des années 90, les développeurs ont commencé à intégrer des mini TWT dans des alimentations compactes haute tension. Ce système est devenu connu sous le nom de module de puissance micro - ondes (MPM). Les amplificateurs MPM ont immédiatement trouvé une application dans les radars et les émetteurs de drones militaires tels que le Predator et le Global Hawk, ainsi que dans les systèmes de protection électronique.
Klystron
Le klystron a contribué à accélérer les progrès de la physique des hautes énergies. Les klystrons convertissent l'énergie cinétique d'un faisceau d'électrons en énergie d'onde radio. La puissance de sortie de l'appareil est bien supérieure à celle du TWT ou des magnétrons. Klystron a été inventé par les frères Russell et Sigurd Varian dans les années 1930, et fondé dans une entreprise avec d'autres ingénieurs, Varian Associates, pour vendre des instruments. Aujourd'hui, cette entreprise vit dans le cadre des industries des communications et de l'énergie.
Dans un klystron, les électrons émis par la cathode sont accélérés vers l'anode, formant un faisceau. Le champ magnétique empêche le faisceau de se dilater lorsqu'il passe à travers le trou de l'anode et frappe le collecteur. Structures creuses, les résonateurs à cavité sont situés entre l'anode et le collecteur. Un signal haute fréquence est appliqué sur le résonateur le plus proche de la cathode, ce qui conduit à l'apparition d'un champ électromagnétique à l'intérieur de la cavité. Le champ module le faisceau d'électrons traversant le résonateur, en raison duquel les vitesses des électrons commencent à différer, et celles-ci, lorsqu'elles se déplacent à travers les résonateurs, sont regroupées en paquets. La plupart des électrons, passant par le dernier résonateur à oscillation active, ralentissent. En conséquence, le signal de sortie est beaucoup plus fort que le signal d'entrée.
Dans les années 1960, les ingénieurs ont mis au point un klystron pour fonctionner comme source d'ondes radio dans le nouvel accélérateur linéaire de particules de 3,2 km de Stanford. Il fonctionnait à 2,856 GHz et utilisait un faisceau d'électrons de 250 kV. Sa puissance de crête était de 24 MW. Au total, pour obtenir des énergies de particules de l'ordre de 50 milliards d'eV, il a fallu installer 240 de ces klystrons.
Ces klystrons ont ouvert la voie à l'utilisation à grande échelle des tubes à vide comme sources d'ondes radio en physique des particules. Une version de 65 MW d'un tel klystron est toujours en cours de production. Les klystrons sont également utilisés pour le dépistage des bagages, la stérilisation des aliments et la radiothérapie.
Tube à onde mobile avec tige annulaire
L'une des lampes de la guerre froide qui reste en service à ce jour est une énorme lampe à ondes progressives avec une tige annulaire. Cette lampe à haute énergie a une distance cathode-collecteur de plus de 3 m, ce qui en fait le plus grand TWT au monde.
128 TWT à tige annulaire fournissent de puissantes impulsions de signaux radio pour le radar à balayage de phase extrêmement puissant basé à Cavalier Air Force Base dans le Dakota du Nord. Ce radar, fonctionnant à 440 MHz, est appelé système de caractérisation des attaques radar par acquisition de périmètre ( PARCS ). Il cherche des missiles balistiques volant vers l'Amérique du Nord. Il suit également les lancements de fusées spatiales et les objets se déplaçant en orbite, entrantréseau d’observation spatiale . PARCS, construit en 1972, suit plus de la moitié de tous les objets en orbite terrestre. On dit qu'il est capable de détecter un objet de la taille d'un ballon de basket à une distance de 3200 km.
Une version à fréquence encore plus élevée de la lampe à tige annulaire est utilisée dans les radars à réseau de phase sur l'île reculée de Shemya, située à 1 900 km au large des côtes de l'Alaska. Il s'agit du radar Cobra Dane , qui suit les lancements de missiles balistiques non américains. Il recueille également des données d'observation des lancements spatiaux et des satellites en orbite terrestre basse.
Le schéma de ce géant est connu sous le nom de baguette. Il se compose d'anneaux concentriques reliés par des segments alternés, ou tiges, espacés à intervalles égaux sur toute sa longueur. Un tel schéma donne une plus grande intensité de champ le long du faisceau d'électrons par rapport au TWT ordinaire, dans lequel les ondes radio se propagent le long d'un fil en spirale. Des intensités plus élevées donnent un gain plus élevé et une meilleure efficacité. La lampe sur la photo a été conçue par Raytheon au début des années 1970; aujourd'hui, ils sont produits par L3Harris Electron Devices.
Ubitron
Charles Enderby avec les ubitrons
"laser à électrons libres" Quinze ans avant l'invention du terme existait un tube à vide fonctionnant sur le même principe de base - ubitron [ ubitron ], abréviation de l'interaction de faisceaux ondulés [interaction de faisceaux ondulés].
L'ubitron a été inventé par accident en 1957. Robert Phillips, ingénieur au General Electric Microwave Laboratory de Palo Alto, en Californie, essayait de comprendre pourquoi un TWT du laboratoire présentait des oscillations et l'autre pas. En comparant les deux lampes, il a remarqué des variations de leur focalisation magnétique, ce qui a fait trembler le faisceau dans l'une des lampes. Il s'est rendu compte que ces vibrations ondulantes peuvent provoquer des interactions périodiques avec une onde électromagnétique dans le guide d'ondes. Cela peut être utile pour obtenir une puissance radio de crête extrêmement élevée. Et ainsi l'ubitron est apparu.
Entre 1957 et 1964, Phillips et ses collègues ont collecté et testé de nombreux ubitrons. La photo du début de la section a été prise en 1963 et montre Charles Enderby tenant un ubitron sans aimant. La lampe fonctionnait à 70 000 volts et délivrait 150 kW à son maximum à 54 GHz - un record qui a duré dix ans. Cependant, en 1964, l'armée américaine a cessé de financer cette recherche car il n'y avait pas d'antennes ou de guides d'ondes capables de gérer ces énergies.
Les lasers à électrons libres utilisent aujourd'hui le même principe de base que l'ubitron. Phillips a même remporté un prix en 1992 pour ses recherches dans le domaine de ces lasers. Aujourd'hui, ces lasers sont installés dans de grandes sources de lumière et de rayons X dans des accélérateurs de particules, et émettent un puissant rayonnement électromagnétique. Il est utilisé pour étudier la dynamique des liaisons chimiques, la photosynthèse, analyser le travail des médicaments et créer une matière chaude dense adaptée à l'étude de la formation de géantes gazeuses.
Carcinotron
Une lampe française appelée carcinotron est un autre exemple intéressant d'un appareil né pendant la guerre froide. Elle est liée au magnétron. Il a été inventé en 1951 par Bernard Epstein de la Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil (CSF), qui fait maintenant partie de Thales.
Le carcinotron, comme l'ubitron, est né d'une tentative de résoudre les problèmes d'oscillation d'une lampe conventionnelle. Dans ce cas, la source des oscillations était l'onde d'alimentation allant dans la direction opposée à la direction du faisceau d'électrons. Epstein a découvert que la fréquence des oscillations peut être régulée par la tension, à la suite de quoi un brevet est apparu pour une lampe à onde inverse , régulée par la tension trad.].
Depuis 20 ans, les brouilleurs électroniques utilisés aux USA et en Europe utilisent le carcinotron comme source d'ondes radio. La lampe sur la photo a été l'une des premières produites par CSF en 1952. Il délivrait 200 watts dans la bande S, de 2 à 4 GHz.
Les carcinotrons sont assez compacts compte tenu de leur puissance de sortie. Avec l'aimant de mise au point permanent, le modèle 500 W pèse 8 kg et mesure 24 × 17 × 15 cm, légèrement plus petit qu'une boîte à chaussures.
Le nom étrange vient du mot grec karkunos pour écrevisses, m'a expliqué Phillippe Touvenin, spécialiste de l'électronique sous vide chez Thales Electron Devices. Après tout, les écrevisses reculent.
Lampe à ondes progressives à double mode
Le TWT bi-mode était un tube à vide à micro-ondes bizarre développé aux États-Unis dans les années 1970 et 1980 comme contre-mesure aux radars. La lampe pouvait produire une onde continue de faible puissance et une onde intermittente de forte puissance, et au total elle en avait deux: deux faisceaux, deux circuits, deux canons à électrons, deux aimants de focalisation, deux collecteurs - le tout dans un seul boîtier de lampe.
Son principal avantage était l'expansion des capacités des appareils - par exemple, le système de comptage pouvait fonctionner selon deux modes, avec une onde continue de faible puissance et une onde intermittente de forte puissance, mais avec un seul émetteur et une simple alimentation d'antenne. Le réseau de contrôle du canon à électrons dans la section courte de la lampe, qui était responsable des ondes intermittentes, pouvait rapidement changer de mode de lampe. Naturellement, si le boîtier de la lampe était endommagé, les deux fonctions cessaient de fonctionner.
La lampe sur la photo a été développée par Raytheon, qui a été achetée par Litton Electron Devices en 1993. Raytheon / Litton et Northrop Grumman fabriquaient des TWT bimodes, mais leur production était trop complexe pour une production de masse, elle a donc été supprimée au début des années 2000.
Klystron multifaisceaux
La puissance, comme beaucoup d'entre nous l'ont appris en tant qu'étudiants, est la tension multipliée par le courant. Pour extraire plus d'énergie des tubes à vide, vous pouvez augmenter la tension à travers le faisceau d'électrons, mais vous devez augmenter la taille du tube et compliquer l'alimentation. Vous pouvez également augmenter le courant du faisceau, mais cela pose suffisamment de problèmes. Vous devrez vous assurer que l'appareil peut gérer le courant plus élevé et que le champ magnétique peut déplacer en toute sécurité les électrons autour du circuit - la partie de la lampe qui interagit avec le faisceau d'électrons.
De plus, l'efficacité d'une lampe diminue généralement avec l'augmentation du courant car le groupement d'électrons requis pour la conversion d'énergie est altéré.
Tous ces inconvénients apparaissent dans un tube à vide classique avec un seul faisceau d'électrons et un seul circuit. Mais que se passe-t-il si nous organisons plusieurs faisceaux sortant de plusieurs cathodes, mais passant par un circuit commun? Même si les faisceaux individuels sont de puissance moyenne, le courant total sera élevé et l'efficacité de l'appareil ne sera pas affectée.
Ces dispositifs multifaisceaux ont été étudiés dans les années 1960 aux États-Unis, en URSS et dans de nombreux autres endroits. Aux États-Unis, cela n'a pas fonctionné, mais en URSS, les travaux se sont poursuivis et ont conduit à l' introduction réussie des klystrons multifaisceaux, ou MLK. En Russie, bon nombre de ces lampes ont été utilisées et sont utilisées dans divers domaines, y compris pour les radars.
La photo montre un exemple moderne de MLK fabriqué en 2001 par la société française Thomson Tubes Electroniques (qui fait maintenant partie de Thales ). Il a été développé dans le laboratoire allemand Electron Synchrotron ( DESY ). Une version plus récente est utilisée dans l'Union européenne en laboratoire des lasers à électrons libres à rayons X . La lampe utilise sept faisceaux, donnant un courant total de 137 A, avec une puissance de crête de 10 MW et une moyenne de 150 kW. Son efficacité dépasse 63%. En comparaison, le klystron mono-faisceau Thomson délivre 5 MW de puissance de crête et 100 kW de puissance moyenne, avec un rendement de 40%. Il s'avère qu'en termes d'amplification du signal, un MLK équivaut à deux klystrons conventionnels.
Coaxitron
Toutes les lampes que j'ai décrites utilisent des faisceaux d'électrons. Cependant, avant l'apparition de tels dispositifs, des grilles étaient utilisées dans les lampes - des électrodes sous la forme d'écrans métalliques transparents. Ils ont été placés entre la cathode et l'anode pour contrôler ou moduler le flux d'électrons. Selon le nombre de ces grilles, les lampes étaient appelées diodes (sans grilles), triodes (avec une grille), tétrodes (deux grilles), etc. Les lampes à faible puissance étaient appelées «lampes réceptrices» parce qu'elles étaient couramment utilisées dans les radios ou comme interrupteurs (notez que les lampes sont appelées «tubes» aux États-Unis et «valves» en Grande-Bretagne).
Bien sûr, ils ont également fabriqué des lampes avec des grilles de contrôle qui supportent des puissances élevées.... Des lampes émettrices ont été utilisées - oui, oui - dans les émetteurs radio. Plus tard, ces lampes ont commencé à être utilisées dans une variété de domaines intéressants de l'industrie, de la science et des affaires militaires.
Dans les triodes et les lampes avec encore plus de grilles, il y avait une cathode, une grille de contrôle du courant et une anode ou un collecteur (ou une plaque). La plupart d'entre eux avaient une forme cylindrique avec un emplacement central de la cathode - il s'agissait généralement d'un fil entouré d'électrodes.
Le Coaxitron, développé par RCA au début des années 1960, est une modification unique de la conception cylindrique. Les électrodes courent le long d'un rayon, de la cathode coaxiale cylindrique à l'anode. Cependant, l'émetteur d'électrons au niveau de la cathode coaxitron n'est pas le seul - il est situé en segments sur toute la circonférence, et de nombreux filaments chauffés servent de sources d'électrons. Chaque fil donne son propre petit faisceau d'électrons. Comme ce faisceau se propage radialement vers l'anode, aucun champ magnétique n'est nécessaire pour limiter le flux d'électrons. Le coaxitron se révèle donc très compact, compte tenu du niveau important de sa puissance, de l'ordre du mégawatt.
Le coaxitron 1 MW 425 MHz pesait 59 kg et mesurait 61 cm de long. Bien qu'il ait un gain plutôt modeste de 10 à 15 dB, en tant qu'amplificateur compact et ultra-haute fréquence, c'était un appareil unique. RCA voulait faire un accélérateur sur de tels appareils, mais au final, ils ont pris racine dans les radars UHF. Et bien que les appareils à semi-conducteurs aient récemment remplacé les coaxitrons, certains d'entre eux fonctionnent toujours dans d'anciens systèmes radar.
Tube audio Telefunken
Un exemple important de lampe dont les grilles sont à l'extrémité opposée du spectre de puissance et de fréquence par rapport aux monstres mégawatts tels que le klystron ou le gyrotron. Le Telefunken VF14M était respecté par les ingénieurs du son et les musiciens car il était utilisé comme amplificateur dans les microphones légendaires Neumann U47 et U48 . Ils ont été préférés par Frank Sinatra et le producteur des Beatles George Martin. À propos, le microphone Neumann U47 est conservé au musée du studio Abbey Road à Londres. La lettre M dans le nom de la lampe indique qu'elle peut être utilisée dans les microphones. Seules les lampes testées par Neumann ont reçu ce numéro de pièce.
VF14 est une pentodec'est-à-dire qu'il a cinq électrodes, dont trois sont des grilles. Cependant, dans un microphone, cela fonctionne comme une triode, et deux des trois grilles sont connectées ensemble et connectées à l'anode. Cela est dû à la qualité sonore supposée meilleure des triodes. Le filament VF14, qui chauffe la cathode pour émettre des électrons, fonctionne à 55 V. Cela a été fait exprès pour que deux lampes puissent être connectées en série à 110 V, ce qui réduit le coût de l'alimentation électrique - un facteur important dans l'Allemagne d'après-guerre.
Aujourd'hui, vous pouvez acheter des puces qui remplacent le VF14M, et même émulent un filament de 55 V. Mais vont-elles remplacer le son à tube chaud? Les snobs audio, bien sûr, ne seraient jamais d'accord avec cela.