在過去六七十年里無疑改變了世界的真空器件

這些真空器件經(jīng)歷了冷戰(zhàn)時期，推進(jìn)了粒子物理學(xué)的發(fā)展，使癌癥病人得到治療，還使披頭士樂隊的音樂更動聽。

在一個由無數(shù)固態(tài)器件支撐的時代，我們還需要關(guān)注真空管嗎？絕對需要！因為從豐富性、戲劇性和純粹的輝煌來說，很少有技術(shù)能與真空管116年（還在延續(xù)）的歷史媲美。為了證明這一點，我整理了一份清單，列出了在過去六七十年里無疑改變了世界的真空器件。其中有一些獨特、酷炫或奇怪的真空管，我們不能讓它們在黑暗中獨自凋零。

當(dāng)然，任何時候只要有人提出任何東西的清單（例如最舒服的越野跑鞋、克利夫蘭最正宗的意大利餐廳、比原著更好的電影），其他人都一定會來評論一下，要么反對，要么更加夸大。所以，這無疑只是我個人的真空管清單。不過，我也很想看看你的。歡迎在本文網(wǎng)絡(luò)版的評論部分添加更多清單內(nèi)容（在那里，你還將看到印刷版中沒有包含的另兩種真空管）。我所列的名單并不全面。

在這里，你不會看到數(shù)碼管或閘流管這樣的充氣玻璃器皿，沒有“超高”脈沖功率微波器件，也沒有陰極射線顯示管。我故意漏掉了一些著名的真空管，比如衛(wèi)星行波管和微波爐磁控管。我一直在關(guān)注射頻管，所以忽略了各種各樣的音頻管，不過有一個明顯例外。即便我設(shè)定了這么多條件，令人驚嘆的器件仍非常多，因此很難在其中只挑出9個。以下是我選擇的一部分產(chǎn)生重要影響的真空管，排名不分先后。

醫(yī)療磁控管如果要在一個緊湊的組件中高效地產(chǎn)生相干射頻功率，那么沒有什么能比得過磁控管。 磁控管在第二次世界大戰(zhàn)中首次展現(xiàn)其光輝時刻，為英國雷達(dá)提供了動力。20世紀(jì)70年代，磁控管在雷達(dá)上的應(yīng)用開始減少，但在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用中煥發(fā)了新的生機(jī)，并持續(xù)至今。

正是這最后的用途使醫(yī)療磁控管大放光彩。在直線加速器中，醫(yī)療磁控管能產(chǎn)生一束高能電子束。電子束中的電子被原子序數(shù)很高的物質(zhì)（如鎢）組成的目標(biāo)原子核偏轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生大量X射線，X射線可以被引導(dǎo)殺死腫瘤中的癌細(xì)胞。1952年，倫敦哈默史密斯醫(yī)院安裝了第一臺用于放射治療的臨床加速器。一根2兆瓦的磁控管可以為3米的加速器提供動力。

人們在不斷開發(fā)大功率磁控管以滿足放射腫瘤學(xué)的需要。圖中的醫(yī)療磁控管由e2v技術(shù)公司（e2v Technologies，現(xiàn)為Teledyne e2v）制造，峰值功率為2.6兆瓦，平均功率3千瓦，效率超過50%。它只有37厘米長，重8千克左右，又小又輕，足以與放療機(jī)的旋轉(zhuǎn)臂相匹配。

回旋管回旋管是20世紀(jì)60年代蘇聯(lián)制造的一種大功率真空器件，主要用于核聚變實驗中的等離子體加熱，例如現(xiàn)在正在法國南部建造的國際熱核聚變反應(yīng)堆（ITER）。這些實驗反應(yīng)堆需要的溫度高達(dá)1.5億攝氏度。 那么兆瓦級回旋管是如何工作的呢？

它的名字可以為我們提供線索：利用高能電子在空腔內(nèi)強(qiáng)磁場中的旋轉(zhuǎn)或回旋。插一句，真空管研究人員十分喜歡“管”（- trons）和“極”（-trodes）。旋轉(zhuǎn)的電子與空腔電磁場之間的相互作用會產(chǎn)生高頻無線電波，這些電波會被導(dǎo)向等離子體。高頻波會加速等離子體中的電子，并在這個過程中加熱等離子體。 一個平均功率為1兆瓦的真空管不會很小。聚變回旋管通常高2至2.5米左右，重約1噸，其中包括6特斯拉或7特斯拉的超導(dǎo)磁體。

除了加熱聚變等離子體外，回旋管還用于材料加工和核磁共振波譜。在美國軍方的主動拒止系統(tǒng)（Active Denial System）中，它們也被用于非致命群體控制。該系統(tǒng)會投射出一束相對較寬的毫米波光束（直徑可能有1.5米），能夠加熱人的皮膚表面，產(chǎn)生灼熱感，但不會穿透或損壞皮下組織。

迷你行波管正如它的名字那樣，行波管（TWT）能夠通過電路中行進(jìn)或傳播的電磁波電場和流動電子束之間的相互作用來放大信號。 20世紀(jì)的大多數(shù)行波管都是為了極高功率增益而設(shè)計的，其放大比為10萬甚至更高。不過我們并不總是需要那么多增益，所以出現(xiàn)了迷你行波管，如圖中展示的L3哈里斯電子設(shè)備公司的迷你行波管。

迷你行波管的增益在1 000左右（或30分貝），適用于所需輸出功率為40~200瓦范圍的應(yīng)用，以及需要小尺寸和低電壓的應(yīng)用。比如，一臺工作頻率為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。

事實證明，軍隊對迷你行波管的需求很大。20世紀(jì)80年代迷你行波管問世后不久，就被用于飛機(jī)和艦船上的電子戰(zhàn)系統(tǒng)，以防雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈的攻擊。20世紀(jì)90年代初，器件設(shè)計師開始將迷你行波管與小型高壓電源集成在一起，為器件和驅(qū)動它的固態(tài)放大器供電。這種組合產(chǎn)生了“微波功率模塊”（MPM）。由于體積小、重量輕、效率高，MPM放大器立即被用于“捕食者”和“全球鷹”等軍用無人機(jī)的雷達(dá)和通信發(fā)射機(jī)以及電子對抗中。

加速器速調(diào)管速調(diào)管幫助開創(chuàng)了高能物理的大科學(xué)時代。速調(diào)管能夠?qū)㈦娮邮鴦幽苻D(zhuǎn)換成射頻能量。它的輸出功率比行波管或磁控管高得多。羅素（Russell）和西格德?瓦里安（Sigurd Varian）兄弟在20世紀(jì)30年代發(fā)明了速調(diào)管，并與其他人一起成立了瓦里安聯(lián)合公司來推銷它。如今，瓦里安的速調(diào)管業(yè)務(wù)仍在繼續(xù)，歸屬于通信及電力工業(yè)公司（Communications and Power Industries）。

在速調(diào)管內(nèi)，陰極發(fā)射的電子會向陽極加速以形成電子束。電子束通過陽極上的一個孔到達(dá)集束器時，磁場會阻止它膨脹。陽極和集束器之間是空心結(jié)構(gòu)，稱為“空腔諧振器”。高頻信號被應(yīng)用到了離陰極最近的諧振器上，在腔體內(nèi)部建立起電磁場。電子束穿過諧振器時，這個電磁場會對電子束進(jìn)行調(diào)制，使電子的速度發(fā)生變化，電子束向下游的其他空腔諧振器移動時，電子束會聚集在一起。大多數(shù)電子在穿過最后一個以高功率振蕩的諧振器時會減速。結(jié)果便是輸出信號遠(yuǎn)大于輸入信號。

20世紀(jì)60年代，工程師們開發(fā)了一種速調(diào)管，將其作為斯坦福大學(xué)正在建造的3.2公里長的線性粒子加速器的射頻源。斯坦福線性加速器（SLAC）速調(diào)管的工作頻率為2.856千兆赫，使用250千伏的電子束，產(chǎn)生的峰值功率為24兆瓦。要達(dá)到500億電子伏的粒子能量，需要240多根SLAC速調(diào)管。 SLAC速調(diào)管為廣泛使用真空管作為先進(jìn)粒子物理和X射線光源設(shè)施的射頻源鋪平了道路。65兆瓦的SLAC速調(diào)管還在研發(fā)中。速調(diào)管也被用于貨物檢查、食品消毒和放射腫瘤學(xué)。

環(huán)桿行波管環(huán)桿行波管是一種巨型真空管，在冷戰(zhàn)時期就使用過，現(xiàn)在仍然很強(qiáng)大。這種高功率管從陰極到集電極的高度超過3米，是世界上最大的行波管。北達(dá)科他州的卡瓦利耶空軍基地有128根環(huán)桿行波管，它們?yōu)槌瑥?qiáng)大的相控陣?yán)走_(dá)提供無線電頻率動力。這臺440兆赫的雷達(dá)名為“環(huán)形搜索雷達(dá)攻擊特征系統(tǒng)”（PARCS），用于尋找向北美發(fā)射的彈道導(dǎo)彈。作為空間監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的一部分，它還會監(jiān)測空間發(fā)射和軌道物體。

PARCS是通用電氣公司在1972年建造的，它能追蹤地球軌道上一半以上的物體，據(jù)說能夠在2000英里（3218公里）的范圍內(nèi)識別出一個籃球大小的物體。 施姆亞島是一個距離阿拉斯加海岸約1900公里的偏遠(yuǎn)小島，島上的相控陣?yán)走_(dá)使用了一種更高頻率的環(huán)桿行波管。這種雷達(dá)名為“丹麥眼鏡蛇”（Cobra Dane），它負(fù)責(zé)監(jiān)測非美國彈道導(dǎo)彈的發(fā)射，還能收集有關(guān)太空發(fā)射和近地軌道衛(wèi)星的監(jiān)視數(shù)據(jù)。

這個龐然大物使用的電路稱為“環(huán)桿”，由利用沿其長度重復(fù)的交替條帶或桿連接的圓環(huán)組成。這種裝置為電子管的電子束提供了比普通行波管更高的場強(qiáng)，其中射頻波沿著螺旋形的導(dǎo)線傳播。環(huán)桿管的場強(qiáng)更高，因而具有更高的功率增益和良好的效率。圖中是雷神公司20世紀(jì)70年代初開發(fā)的環(huán)桿管，現(xiàn)在由L3哈里斯電子設(shè)備公司制造。

波動射束注入器在人們發(fā)明“自由電子激光器”一詞的15年前，有一種真空管與它的工作原理相同，即波動射束注入器，它在某種程度上代表了“波動光束相互作用”。 波動射束注入器發(fā)明于1957年，它的發(fā)明很偶然。羅伯特?菲利普斯（Robert Phillips）是通用電氣微波實驗室（位于加州帕洛阿爾托）的工程師，當(dāng)時他正試圖弄明白為什么實驗室的一個行波管發(fā)生了振蕩，而另一個沒有。

對比這兩個行波管后，他發(fā)現(xiàn)它們的磁聚焦不同，這導(dǎo)致了一個管中的光束晃動。他認(rèn)為，這種波動會導(dǎo)致波導(dǎo)中的電磁波發(fā)生周期性相互作用。反過來，這有助于產(chǎn)生極高水平的峰值射頻功率。波動射束注入器也就由此誕生了。 從1957年到1964年，菲利普斯和同事一起制造并測試了各種各樣的波動射束注入器。下面這張1963年的照片是他在通用電氣的同事查爾斯?恩德比（Charles Enderby）拿著一個沒有擺動磁鐵的波動射束注入器。

這根真空管在7萬伏特的電壓下運行，能在54千兆赫下產(chǎn)生150千瓦的峰值功率，這個功率水平保持了十多年的紀(jì)錄。不過，資助波動射束注入器研究的美國陸軍在1964年叫停了研發(fā)，因為沒有哪種天線或波導(dǎo)可以處理如此高的功率水平。

今天的自由電子激光器采用的基本原理與波動射束注入器相同。事實上，菲利普斯因其在波動射束注入器上的開創(chuàng)性工作受到了表彰，于1992年獲得了“自由電子激光獎”?，F(xiàn)在安裝在粒子加速器大型光源和X射線源中的自由電子激光能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁輻射，可用于探索化學(xué)鍵力學(xué)、了解光合作用、分析藥物如何與靶點結(jié)合，甚至創(chuàng)造出溫暖、致密的物質(zhì)，用于研究氣體行星是如何形成的。

反波管法國的反波管是另一個誕生于冷戰(zhàn)時期的有趣的例子。它與磁控管有關(guān)，由伯納德?愛潑斯坦（Bernard Epsztein）于1951年在法國無線電報總公司（CSF，現(xiàn)隸屬于泰雷茲公司）發(fā)明。 與波動射束注入器一樣，反波管是為了解決傳統(tǒng)電子管的振蕩問題而發(fā)展起來的。在這個例子里，振蕩源來自一個射頻電路功率的反向流動，與電子管的電子束方向相反。

愛潑斯坦發(fā)現(xiàn)，振蕩頻率可以隨電壓變化而變化，后來便申請了一種電壓可調(diào)“反向波”管的專利。 在大約20年的時間里，美國和歐洲的電子干擾機(jī)都使用了反波管作為其射頻功率源。圖中是CSF在1952年制造的第一批反波管之一。它在S波段的射頻功率為200瓦，能從2兆赫擴(kuò)展到4兆赫。

鑒于其能處理的功率水平，反波管相當(dāng)小巧。包括永久聚焦磁鐵在內(nèi)，一個500瓦的反波管重量只有8千克，尺寸為24厘米×17厘米×15厘米，比鞋盒略小。

它奇怪的名字是怎么來呢？泰雷茲電子設(shè)備公司的真空電子學(xué)科學(xué)家菲利普?索維寧（Philippe Thouvenin）告訴我，這個詞來自希臘語單詞karkunos，意思是小龍蝦。小龍蝦嘛，當(dāng)然會向后游。

同軸管到目前為止，我所介紹的電子管都是專家們所說的“束波裝置”（或者磁控管中的流波裝置）。在這些裝置出現(xiàn)之前，電子管有柵極，它是一種透明的屏狀金屬電極，插在電子管的陰極和陽極之間，用來控制或調(diào)節(jié)電子的流動。根據(jù)電子管柵極的個數(shù)，可以將其稱為二極管（無柵極）、三極管（一個柵極）、四極管（兩個柵極）等等。低功率管被稱為“接收管”，因為它們通常用于無線電接收器或開關(guān)。這里要指出的是，我所說的“電子管”（tube），也就是英國人所說的valve。 當(dāng)然，還有更高功率的柵極管。

你可能已猜到，發(fā)射管被用在了無線電發(fā)射器上。后來，大功率柵極管被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科學(xué)和軍事領(lǐng)域。 三極管和高階柵極管都包括一個陰極、一個電流控制柵極和一個陽極或集電器（或極板）。這些電子管大多是圓柱形的，有一個中心陰極，通常是細(xì)絲，周圍有電極環(huán)繞。 同軸管由美國無線電公司（RCA）在20世紀(jì)60年代開始開發(fā)，是一種獨特的圓柱形設(shè)計排列裝置。

電子會從圓柱形同軸陰極徑向流向陽極。不過，同軸管的陰極并不是只有一個電子發(fā)射體，而是沿著它的周長被分割成多個，用許多加熱的細(xì)絲作為電子源。每根細(xì)絲都會形成自己的小電子束。由于小束徑向流向陽極，所以不需要磁場（或磁鐵）來限制電子。因此，考慮到其卓越的功率水平（約1兆瓦），同軸管非常緊湊。

一臺1兆瓦、425兆赫的同軸管重達(dá)130磅（59公斤），高24英寸（61厘米）。雖然增益不大（10到15分貝），但作為一款緊湊型超高頻功率助推器，它仍然是一款強(qiáng)悍的產(chǎn)品。RCA最初想將同軸管用作射頻加速器的驅(qū)動源，但最終它在大功率UHF雷達(dá)上找到了用武之地。雖然同軸管近來被固態(tài)器件取代了，但老雷達(dá)系統(tǒng)中仍有一些還在使用。

德律風(fēng)根音頻管在功率/頻譜方面，有一種帶柵極的重要傳統(tǒng)電子管與速調(diào)管和回旋管等兆瓦級巨獸分處兩端。德律風(fēng)根VF14M得到了音頻工程師和錄音藝術(shù)家的厚愛，它被用作紐曼 U47和U48傳奇話筒的放大器，法蘭克?辛納屈（Frank Sinatra）和披頭士樂隊的制作人喬治?馬丁爵士（Sir George Martin）都對這種話筒青睞有加。

一個有趣的事實：倫敦的阿比大街（Abbey Road）工作室展出了一個紐曼U47話筒。VF14M電子管名稱中的“M”表示它適用于麥克風(fēng)，且只有通過紐曼篩選審查的電子管能有此名稱標(biāo)識。 VF14是一個五極管，它有5個電極，包括3個柵極。不過，它用于麥克風(fēng)時，卻是作為三極管工作，其中兩個柵極被綁在一起，與陽極相連。這樣做是為了利用三極管可能擁有的優(yōu)越音質(zhì)。VF14的加熱電路加熱陰極，使其能夠發(fā)射電子，其運行電壓為55伏。之所以選擇該電壓，是為了使兩根電子管可以串聯(lián)在110伏的主電源上以降低供電成本，這在戰(zhàn)后的德國非常重要。

現(xiàn)在，你可以買一個固態(tài)裝置替代VF14M，它甚至能模擬這款電子管55伏的加熱電路，但它能復(fù)制出那種溫暖而悅耳的管音嗎？在這一點上，內(nèi)行音頻人肯定不會同意。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：你從未聽說過的9款最偉大的真空管

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