Ли де Форест и первые шаги электроники
Какой нации не хотелось бы назвать одного из своих сыновей изобретателем радио и числить приоритет великого открытия за своей родиной? Вот почему уже столетие не утихают споры среди историков науки.
Приводятся убедительнейшие доводы и мнения, в которых фигурирует не так уж много имен: Максвелл (Англия), Герц (Германия), Бранли (Франция), Попов (Россия), Маркони (Италия).
Среди этой плеяды великих умов, каждый из которых заслуживает чести быть включенным в «жизнеописание» нового средства связи, можно встретить и других ученых, «рангом пониже». Но даже среди них американский инженер Ли де Форест кажется фигурой, на первый взгляд, не совсем подходящей для роли основателя радио. Ведь к исследованиям в области радиотелеграфии он приступил, уже после того как первые сигналы были переданы через Атлантику, а искровой телеграф, как тогда называли радио, достаточно широко использовался на практике. Но почему же на родине инженера-ученого, в США, его имя произносят в сочетании со словами «отец радио» и даже «дедушка телевидения»? Ведь для этого должны быть веские основания. И они есть.
Радиотелефон – это актуально
Конец ХIХ в. был ознаменован событием, которому вначале придали мало значения. Ассистенты А. С. Попова – П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий обнаружили с нынешней точки зрения «самоочевидную» вещь.
Пытаясь найти неисправность в радиоприемнике «прозвонкой» электрических цепей с помощью обыкновенной телефонной трубки, они отчетливо услышали радиосигналы азбуки Морзе ближайшей радиостанции.
Во-первых, это означало, что с помощью радиоволн можно передавать звуковые сигналы. Во-вторых, появилась возможность принимать на слух маломощный сигнал, на который не реагировало реле приемника – непременный элемент первых конструкций.
26 июля 1899 г. А. С. Попов получает российскую привилегию и патенты в Англии и Франции на «Телефонный приемник депеш, посылаемых с помощью электромагнитных волн по системе Морзе» [2]. Испытания новой системы связи было решено провести на действующей эскадре Черноморского флота. Во время летней кампании 1901 г. в районе Новороссийска дальность передач временами достигала 80 миль (около 150 км). Хотя зона уверенного приема была чуть меньше, но вывод, что радиоволны воспринимаются и за линией горизонта, был однозначен [3].
Первоначальный вариант газового детектора Здесь уместно привести классический пример «благоглупости», когда бюрократия стоит на пути развития прогресса. «Командование Черноморского флота, – сообщил Рыбкин, – запретило использование радиотелефонов на флоте, ссылаясь на то, что телеграфная лента является документом, в то время как доверять радисту, принимавшему на сл потребовали подтверждать гербовой печатью. А время шло, впереди были трагедии Цусимы и «Титаника», однако никаких стимулов для проведения исследовательских работ в области передачи человеческой речи по радио не было.
В США в тот период такие работы уже начались. Их результаты показали, что искровые передатчики для этой цели не годятся и частота несущей волны должна составлять не менее 10 тыс. периодов в секунду.
Вопросами радиотелефонии занялся инженер Р. Фесенден, создавший высокочастотные электромашинные генераторы (альтернаторы). С 1906 г. с их помощью и были проведены первые радиотелефонные переговоры на побережье Атлантики. Кстати, их темой была стоимость рыбы на Бостонском рынке.
Судоводители в США отказались изучать правила работы на телеграфном ключе, поэтому было решено иметь радистов только на пассажирских судах (другие суда оборудовались только радиотелефоном).
«Аудион» – так названо изобретение
Ли де Форест появляется на арене работ по искровому телеграфу в 1900 г. Сменив несколько лабораторий пионеров нового вида связи, в 1902 г. он организует собственную «Американскую компанию беспроволочного телеграфа».
Из электротехники ему было известно, что при облучении воздуха пламенем горящей свечи он становится проводимым. То же происходило при нагревании любого разреженного газа. Уверенный, что рано или поздно среди светящихся под действием электрического тока газов может быть найден хороший детектор для волн Герца, Ли де Форест приступает к экспериментам.
Уже в 1903 г. он произвел очень удачный и перспективный опыт. Две платиновые обкладки воздушного конденсатора «лизало» пламя горелки, а на плазму внутри его действовало поле электромагнитной катушки, включенной между антенной и землей (рис. 1).
С помощью этого детектора Ли де Форест принял сигналы с судна, стоящего в Нью-Йоркской гавани. Первый успех окрылил изобретателя. Но применить такое устройство на практике не представлялось возможным. «Было очевидно, что для судовой радиостанции приспособление с газовым пламенем неприемлемо, – записал изобретатель, – поэтому я стал искать способ нагревать газ непосредственно электрическим током».
Проще всего для этой цели было использовать обыкновенную эдисоновскую электролампочку, введя туда платиновые пластинки электродов и обернув частью приемной катушки стеклянный баллон лампы. Впоследствии один из платиновых электродов был удален, а вместо него была применена раскаленная нить лампы (рис. 2). Радиоприемник с таким детектором работал не хуже других аналогичных приборов, но и не лучше.
Проводя многочисленные опыты, Ли де Форест однажды обернул стеклянный баллон лампы металлической фольгой, соединенной с антенной. Приемник стал более чувствительным. «В тот момент, – вспоминает ученый, – я понял, что эффективность лампы может быть увеличена, если третий электрод поместить внутрь». Что экспериментатор и поспешил сделать. Качество приема возросло.
Дальнейшие опыты приводят изобретателя к мысли, что это эффективным, если поместить его между нитью накаливания и токоприемной пластиной. «Очевидно, – догадывается Ли де Форест, – что третий электрод не должен быть сплошной пластиной».
Начались поиски материалов, форм и размеров электрода, а также места его расположения между двумя выводами лампочки.
Наиболее удачной оказалась конструкция, в которой роль одного электрода выполняла раскаленная нить накала лампочки, помещенной в другой электрод в виде цилиндра. Между ними и располагался третий электрод, выполненный в виде проволочной спирали (рис. 3).
Свое детище изобретатель назвал «аудионом» (от латинского «аудио» – слышать и греческого «ион» – идущий). Качество работы устройства определялось по силе звучания принимаемого сигнала на слух, и она превосходила все применявшиеся до этого приборы. Позже с легкой руки английского электротехника Вильяма Икклза лампы с тремя электродами стали называть триодами.
Поиски истины и открытие
Флотские радисты (а именно на флоте применялось новое средство связи), стремясь увеличить чувствительность аудионов, разогревали нить накала до недопустимых пределов, и они перегорали. Специалисты военно-морского флота, не разобравшись в проблеме, дали распоряжение «не приобретать аудионы, а пользоваться старыми детекторами».
Ученые не находили ничего нового в конструкции Ли де Фореста. Вот что писал изобретатель диода Флеминг: «В октябре 1906 г. д-р Форест описал прибор, названный им аудионом, который является простым повторением моего, описанного восемнадцатью месяцами раньше. Введенное изменение не дает существенного различия в действиях прибора как детектора» [6]. Написано это в 1907 г., но даже в 1908-м француз К. Тиссо подтверждает приоритет Флеминга.
Интересен тот факт, что оба изобретателя оригинальных электронных приборов, принявших электрон как реальность, подходили к определению приоритета с разных позиций. Флеминг считал приборы электронными, а Ли де Форест – ионными. Однако ничего удивительного в этом нет.
Существовавшие в то время вакуумные насосы, предназначавшиеся для производства электрических лампочек накаливания, были настолько несовершенными, что это позволяло трактовать процессы, происходящие в аудионе, двояко. Ли де Форест считал, что его прибор работает по принципу ионизации глубоко разреженного газа. Только изобретение диффузионных вакуумных насосов и многолетние исследования позволили досконально изучить возможности радиолампы с дополнительным электродом и убедиться в электронном характере его внутренних процессов.
Поистине революционной стала способность аудиона усиливать поступающий на него сигнал. Радиоприемники теперь могли воспринимать сигналы удаленных радиостанций или очень слабые. Мощности передатчиков могли быть уменьшены, что способствовало более широкому распространению радиотелефона.
Однако развитие систем передачи человеческой речи не ставило своей задачей внедрение радиовещания, информации или музыкальных перике нужна была радиотелефония для деловой и выгодной двусторонней связи, но случилось непредвиденное.
Всем надоела назойливая радио- и телереклама. Но ради исторической справедливости нужно признать, что радиореклама появилась раньше радиовещания. И самое непосредственное отношение к ней имеет не кто иной, как изобретатель аудиона.
Вот что писал сам Ли де Форест: «В 1909 г. я производил радиотелефоны для США. Каждый комплект был испытан с помощью записей фонографа. К моему удивлению, многие радиолюбители и профессиональные операторы наслаждались этими контрольными передачами. Естественно, мне пришла идея относительно радиовещания. Привлекательная музыка и интересные программы могли передаваться в эфир, создавая спрос на беспроводное оборудование».
В целях рекламы были организованы первые трансляции в прямом эфире из Нью-Йоркской «Метрополитен опера», а в ноябре 1916 г. была воплощена идея пере- дачи процедуры подсчета голосов во время президентских выборов. Именно она резко повысила интерес к широковещательным передачам по радио.
Впервые в мире регулярное радиовещание началось в США из города Питсбурга с 1921 г. Первая радиореклама, в которой расписывались достоинства и низкая стоимость квартир в высотках Лонг-Айленда, была передана в 1922 г. из Нью-Йорка. Однако к ней Ли де Форест не имел никакого отношения.
Еще одно открытие
Успешно внедрив свой аудион в радиоприемник, Ли де Форест не мог пройти мимо идеи использовать его в радиопередатчике. Дело в том, что генерирование радиоволн сопряжено с устройствами, осуществляющими колебательные процессы. Таких излучателей колебаний в природе множество. Это и звучащий колокол, и голосовые связки, и качающаяся под потолком люстра, и маятник настенных часов.
В электричестве можно создать источник колебаний, объединив в цепь заряженный конденсатор и индуктивность, образовав так называемый колебательный контур. Все природные колебательные системы выдают затухающие колебания. Струна через какое-то время перестает звучать, морские волны успокаиваются. Колебания в контурах тоже затухают.
Для высококачественных радиопередач требуются колебания незатухающие. А это непросто сделать. Для длинноволнового диапазона можно создать машинный генератор высокочастотных колебаний. А как решить вопрос с колебательным контуром, обеспечивающим колебания практически любой частоты?
Вот, например, в настенных часах для создания незатухающих колебаний маятника в течение нескольких суток были встроены специальные механизмы, которые регулярно подталкивают маятник в строго определенный момент по фазе его движения. Энергия для этого берется у поднятых гирь или заведенной пружины. Устройство называется анкерным механизмом.
А как быть с колебательным контуром? Ли де Форест включает колебательный контур в цепь сетки своего аудиона, и по электрическим цепям усиленный сигнал с колебательного контура вновь попадает на этот же контур, «подталкивая» в нужный момент колебания, чтобы амплитуда иткрытие в электротехнике было названо положительной обратной связью и ныне применяется в тысячах разных устройств.
Патент на эту систему Ли де Форест получил в 1915 г. Теперь никакого труда не составляло получать электрические колебания нужных частот. Правда, первые ламповые генераторы сначала не могли обеспечить потребных для передатчиков мощностей. Начнется жесточайшая конкуренция между альтернаторами и ламповыми генераторами. В конце концов альтернаторы исчезнут из употребления, а электронная лампа займет подобающее ей место.
Но изобретатель аудиона был бы не американцем, если бы не нашел практического применения своему устройству не только на радио. Он создает первый электронный музыкальный инструмент.
Сконструировав на аудионах электрический генератор звуковых частот по одному триоду на каждую октаву и усилив сигналы, он подает их в громкоговорители, расположенные по периметру комнаты. Так попутно решаются вопросы объемного звука. Но, главное, изменяя настройку колебательных контуров, Ли де Форесту удалось получить чарующие, непривычные для человеческого слуха звуки.
Свой инструмент Ли де Форест назвал «аудион-пиано». При этом были высказаны пророческие слова: «Я надеюсь, что с помощью этой маленькой электронной лампы смогу сделать инструмент достаточно совершенный, чтобы музыканты могли реализовывать свои самые богатые музыкальные фантазии».
«Великий немой» заговорил
Кинематограф появился почти одновременно с первым радиоприемником. Братья Луи и Огюст Люмьер в марте 1895 г. провели опытную демонстрацию первых документально снятых кадров. К концу того же года был построен первый коммерческий кинотеатр в Париже. Изначально фильмы нельзя было даже считать таковыми, впрочем, кинотеатры и относились к «техническим аттракционам» под названием «живая фотография».
Но очень скоро эти аттракционы стали серьезными конкурентами обычному театру. Нарождается новый вид искусства, более дешевый и мобильный. Вскоре вся территория США покрылась сетью кинотеатров, которые посещали до 5 млн зрителей в день. Стало ясно, что это также и большой бизнес [7].
Но долго ли можно заинтересовывать людей хотя и художественной, но мимикой и краткими субтитрами? Появление на экранах выдающихся актеров подняло престиж нового искусства до звания «великого немого», но, как говорят англичане, «чудо – только девять дней чудо». Количество посетителей кинотеатров стало сокращаться.
Чтобы исправить положение, стали нанимать специальных музыкантов-таперов, сопровождавших киносеансы исполнением музыки. Великий А. Эдисон приспособил для этой цели свой фонограф.
Некий изобретатель Гомон предложил почтеннейшей публике «хронофон». Под громким названием скрывалась обыкновенная грампластинка, вращаемая синхронно с кинолентой электродвигателем, где движение губ актеров более или менее совпадали со звуком. Но граммофон стоял возле киноэкрана, а проектор в другом конце зала. Управлять такой системой было сложно. Про качество звукаест оказался, что называется, не у дел.
Электротехнические фирмы сливались в конгломераты. Гигантским компаниям он был не нужен, а довольствоваться положением рядового инженера с месячным жалованьем не позволяла гордость. И Форест решил заняться проблемами озвучивания фильмов.
Его идея заключалась в том, что «световой зайчик» записывал на светочувствительной пленке вариации звука на звуковую дорожку параллельно изображению. Синхронность была идеальная. С помощью аудионов можно было добиться любой громкости.
Для рекламы своего нового изобретения с 1923 по 1927 г. Ли де Форест снял более 100 звуковых короткометражек со многими известными актерами, предвосхитив появление современных видеоклипов.
Изобретатель для рекламы своего «фонофильма» удивил соотечественников тем, что воспроизвел на киноэкране выступление 30-го президента США Кулиджа на лужайке перед Белым домом. Впервые американский лидер заговорил с экрана. Публику эта новинка привела в восторг. Снова началась кинолихорадка. Нарождался
«Золотой век» Голливуда.
Но воспользоваться этим успехом изобретателю не пришлось. «Адвокаты фирм «Вестерн Электрик» и «Телефон Компани», – записал биограф де Фореста М. Уилсон, – успешно обвели его вокруг пальца и воспользовались его изобретением безвозмездно».
Большую и плодотворную жизнь прожил американский инженер Ли де Форест. Человечество многим ему обязано. Одним из первых он поверил в существование электрона, вместе с Флемингом заложил основы радиоэлектроники.
Результаты его исследований нашли применение во многих привычных вещах: от суперсовременного мобильного телефона до штрих-кода на товарах. Однако, несмотря на многочисленные ходатайства, Нобелевской премии он так и не был удостоен.
5 октября 1956 г., спустя 50 лет после изобретения радиолампы (аудиона), правительство Франции наградило Ли де Фореста орденом «Почетного легиона». На вручении награды прозвучали слова, что «открытие Ли де Фореста является одним из величайших в истории науки и техники, а специалисты всех областей науки должны выразить свое почтение, свою признательность и свое восхищение». Произнес эти слова лауреат Нобелевской премии, физик Луи де Бройль, один из создателей квантовой физики. А он-то знал, что говорил.
1. Митчелл Уилсон. Американские ученые и изобретатели. – М., Знание, 1964. С. 129.
2. Родионов В. М. Зарождение радиотехники. – М., Наука, 1985. С. 87-89.
3. Попов А. С. К 50-летию изобретения радио: Сб. документов. – Л., 1975, С. 205-206.
4. Рыбкин П. Н. Десять лет с изобретателем радио. – М., Связьиздат, 1946. С. 48-49.
5. Фессенден Р. Беспроволочная телефония // Электрические колебания и волны: Сборник. Вып. 1. – СПБ, 1910. С. 65-116 6. Флеминг Д.А. Новые шаги в развитии телеграфирования с помощью электрических волн/ «Электрические колебания и волны». Сборник. Вып. 1. СПБ, 1910, с. 50-51
Аудион де Фореста — первая трехэлектродная электронная лампа
Работа любого радиоприемника невозможна без решения задачи детектирования радиосигнала, состоящей в выделении низкочастотного сигнала (речи и музыки) из высокоточного сигнала передающей радиостанции. В первых радиоприемниках Попова и Маркони для этой цели использовалась стеклянная трубочка с железными опилками, называемая когерером, проводимость которой резко увеличивалась при поступлении радиосигнала. Однако после этого когерер было необходимо приводить в исходное состояние с помощью механического встряхивания. Этого недостатка был лишен вентиль Флеминга — первая электронная лампа, имевшая два электрода (катод и анод) [1]. Однако такая лампа не усиливала принимаемый сигнал. Данный фактор сдерживал распространение радиовещания, и по-настоящему массовым оно стало лишь после того, как американский изобретатель Ли де Форест (Lee De Forest) (рис. 1) создал свой аудион — вакуумную лампу с третьим электродом, сеткой.
Детство де Фореста прошло в американском штате Алабама, где его отец, священник, был директором школы детей недавно освобожденных чернокожих рабов [2–4]. Окончив Шеффилдскую школу Йельского университета, Ли де Форест в 1899 г. защитил под руководством знаменитого физика Джозайа Гиббса (Josiah Gibbs) докторскую диссертацию, посвященную волнам Герца. Это и пробудило в нем интерес к только что открытому чуду ХХ в. — радио. Ему пришла в голову идея, как можно заменить непрактичный когерер, когда он обнаружил во время экспериментов, что пламя осветительной газовой горелки меркнет при включении искрового радиогенератора [2, 5].
Рис. 2. Схема с горелкой
Рис. 3. Двухэлектродный аудион
И хотя впоследствии было установлено, что этот эффект был вызван просто звуковой волной от разрядника генератора, де Форест тогда твердо поверил в то, что электромагнитная волна может воздействовать на пламя, содержащее заряженные частицы. Если в пламя горелки (Г), показанной на рис. 2, ввести два металлических электрода, один из которых (К) заземлен, а второй (А) подключен к радиоантенне (РА), то при приеме сигнала проводимость зазора между электродами, по мнению де Фореста, должна меняться, и в телефоне (Т), питаемом от батареи, будет слышен звук [5, 6]. Затем де Форест решил, что наличие пламени необязательно и ионизацию в зазоре можно вызвать любым нагревом, например поместив электроды в стеклянный баллон с разряженным газом, нагреваемым горелкой, либо электрическим током, проходящим хотя бы через один электрод.
Так появилось устройство, названное де Форестом «аудион» (рис. 3), где: К — катод, нагреваемый током батареи (Б), А — анод, подключенный к антенне (РА) и телефону (Т) через дополнительную анодную батарею (БА) [2, 5–7].
Рис. 4. Аудион с обмоткой
Рис. 5. Трехэлектродный аудион
Это устройство, выполняющее роль детектора телеграфных радиосигналов, было запатентовано де Форестом в 1906 г. [4, 5, 8]. От известного с 1904 г. вентиля, или диода, Флеминга этот аудион отличался только наличием анодной батареи, которую использовали еще Ганс Гейтель (Hans Geitel) и Юлиус Эльстер (Julius Elster) при изучении термоэлектронной эмиссии в вакуумном баллоне [1]. Такое дополнение увеличивало анодный ток диода и повышало чувствительность детектора. Однако и эта чувствительность не устраивала де Фореста, и он попробовал обмотать баллон фольгой или проводом (П) от антенны (РА), как показано на рис. 4, где катод (К) — это нить накала, а анод (А) выполнен в виде двух параллельных пластин [2, 5, 8, 9].
Еще более удачной идеей оказалось перенести все это внутрь баллона в виде дополнительного электрода.
«В этот момент, — вспоминал изобретатель, – я сообразил, что эффективность лампы может быть увеличена еще больше, если этот третий электрод поместить внутрь» [2, 9]. Такой электрод, который он назвал сеткой, может быть выполнен в виде пластины или изогнутого зигзагообразного проводника (С), как показано на рис. 5, где К — нить накала (катод), А — анод, Б и БА — накальная и анодная батареи, Т — телефон, РА — антенна с антенным трансформатором (ТА), а С1, С2 — конденсаторы [5, 6, 8].
Этот рисунок из патента де Фореста 1908 г. представляет, по существу, схему простейшего однолампового радиоприемника [10]. Однако в дальнейшем термин «аудион» стали относить только к самой трехэлектродной лампе, которую с 1919 г. называли триодом по предложению английского физика и инженера Уильяма Экклза (William Eccles), который ввел также термин «диод» [1, 5, 9].
Внешний вид одного из первых аудионов де Фореста показан на рис. 6 (здесь нить накала (К) повреждена) [4]. Сетка в виде пластины, аналогичной анодной, была запатентована им еще в 1907 г., однако в таком случае работа лампы была менее эффективна, поскольку нить накала размещалась между пластинами сетки и анода.
Рис. 6. Один из первых аудионов де Фореста (с поврежденной нитью накала)
Немедленно после изобретения трехэлектродного аудиона была организована компания де Фореста, которая получила заказ на аппаратуру радиосвязи от более двадцати судов военного флота США, совершивших в 1907–1908 гг. кругосветное плавание [2, 4, 5, 7]. При этом использовались более эффективные аудионы со сдвоенными анодом (А) и сеткой (С), как показано на рис. 7 [2, 11]. Аудионы стали широко применять в детекторных радиоприемниках, и для удовлетворения растущего спроса их начал производить завод осветительных ламп McCandless, выпустивший до 1915 г. около 15 тыс. таких радиоламп [5].
Рис. 7. Сферический аудион
Рис. 8. Лампа Мурхеда
Реализацией опыта де Фореста с обертыванием диода фольгой, описанного выше, стала лампа его американского конкурента Отиса Мурхеда (Otis Moorhead) с внешним управляющим электродом (сеткой) в виде медного кольца (С), надетого на двухэлектродный аудион (рис. 8), что позволило ему обойти патенты де Фореста [5].
Однако все эти первые аудионы плохо выдерживали вибрации военной аппаратуры, поэтому приближение Первой мировой войны вынуждало ведущие страны искать другие конструкции, среди которых наиболее удачной оказалась французская лампа серии TM с горизонтальными катодом (К), анодом (А) и сеткой (С) в виде спирали (рис. 9) [5, 6].
Рис. 9. Аудион TM
Разработкой этой лампы руководил генерал Густав Ферье (Gustave Ferrié), шеф французской военной радиотелеграфной службы. Незадолго до войны он посетил Америку и вернулся с образцами понравившегося ему радиоприемника де Фореста на аудионах, которые поначалу его ведомством не использовались.
Однако в первые же дни войны во Франции был задержан возвращающийся из Америки начальник патентной службы немецкой компании Telefunken Поль Пишон (Paul Pichón), который оказался давним дезертиром французской армии. Опасаясь ареста, Пишон заявил, что он прибыл с ценным грузом для генерала Ферье, с которым был лично знаком. Этим грузом оказались аудионы и документация по их производству, и генерал, приняв Пишона в свой штат, распорядился немедленно заняться созданием радиолампы, которая и была запатентована в 1915 г. под маркой TM. Сразу же было развернуто массовое производство таких ламп, по 1000 штук в день, в результате чего к концу войны их было выпущено 100 тыс. штук. Этими лампами комплектовалась и российская радиотелеграфная аппаратура [11]. Сам Пишон после окончания войны благополучно вернулся в Германию на Telefunken.
Более хорошие качества аудиона, по сравнению с вентилем Флеминга, способствовали развитию массового радиолюбительского движения в Северной Америке и Европе, а сравнительная легкость его изготовления привлекла внимание многих компаний, беззастенчиво копировавших патенты де Фореста. Это вызвало много судебных разбирательств, среди которых одно из самых известных – по иску компании Маркони от лица Флеминга в 1914 г., в котором утверждалось, что де Форест заимствовал двухэлектродную лампу с термоэлектронной эмиссией по патенту Флеминга 1904 г. [5, 6, 8]. Однако к тому времени компания Маркони уже сама выпускала сферические аудионы, аналогичные показанному на рис. 7, на которые и указал де Форест в своем встречном иске. Он утверждал, что в самом патенте Флеминга нет существенной новизны, поскольку первая вакуумная лампа с двумя электродами была создана еще Эдисоном (эффект Эдисона) [1]. Тянувшийся два года суд подтвердил патент Флеминга 1904 г. и аннулировал патент де Фореста 1906 г. на двухэлектродный аудион, но подтвердил новизну его патентов 1907 и 1908 гг. в части введения управляющей сетки. Кроме того, суд установил, что на самом деле обе компании нарушали патентные права друг друга, и запретил продажу всех видов двух- и трехэлектродных ламп. Сложившаяся тупиковая ситуация была разрешена лишь взаимными лицензионными соглашениями. В отличие от Флеминга, который, по собственным воспоминаниям, не получил за свои изобретения ни пенни [12], де Форест успешно продал свои патенты на аудион — например, одна только телефонная компания AT&T заплатила ему $390 тыс. [2, 5].
Де Форест долго не понимал принципа действия своего детища [3, 7, 8]. Он говорил, что «…не знал, почему оно работало — оно просто работало». Изобретатель утверждал, что сетка управляет потоком ионов газа в аудионе (отчего, возможно, и произошло название audio-ion), поэтому наличие остаточного газа в лампе совершенно необходимо [2, 8]. Еще Эдисон полагал, что вакуумирование лампы накаливания нужно только для того, чтобы оставшийся кислород не приводил к быстрому перегоранию нити. Такие вакуумные радиолампы с остаточным газом называют теперь «мягкими» [9]. Более того, считалось, что для увеличения анодного тока следует вводить внутрь аудиона пары ртути. Именно такое направление доработки аудиона выбрал австрийский физик и изобретатель Роберт фон Либен (Robert von Lieben), создавший в 1910 г. свою знаменитую мощную лампу, о которой будет рассказано в следующей статье [5, 6, 7, 8, 9].
Де Форест был уверен, что изобретенный им прибор — это усилитель электрических сигналов, однако приведенные в его патентах схемы первоначально успешно работали только как детекторы в радиотелеграфии [2, 4, 5, 8]. Основных причин этому были три: низкий коэффициент усиления, нелинейность характеристики и малое анодное напряжение, ограничивающее выходную мощность лампы. Аудион де Фореста имел коэффициент усиления всего 1,2 при напряжении 20 В, а при попытке повышения напряжения до более чем 60 В светился и не работал. Кроме того, его приборы имели малое разряжение, т. е. были газонаполненными, что вызывало их неустойчивую работу при изменении температуры [8].
Все эти проблемы были решены лишь после 1913 г. благодаря созданию так называемых «жестких» ламп, в которых электрический разряд был чисто электронным за счет полной откачки остаточных газов и специальной обработки всех элементов [9]. Наилучшие результаты были достигнуты лауреатом Нобелевской премии Ирвингом Ленгмюром (Irving Langmuir) в компании General Electric [13]. Он разработал сверхмощный вакуумный насос, что позволило создать в 1915 г. «жесткие» лампы, т. е. выпрямительный диод («кенотрон») и триод («плиотрон»), показанный на рис. 10, где: А — сдвоенный анод, Р — рамка с сеткой (С) и нитью накала (К) внутри [1, 5, 6, 8, 9]. Названия приборов произошли от греческих слов keno, «пустота» и plio — «больше». Эти приборы уже могли работать при напряжении в сотни тысяч вольт с выходной мощностью до одного кВт, например в электроприводах, радиогенераторах и т. д. Ленгмюр получил патент на свое изобретение, который, однако, в 1928 г. был аннулирован Верховным судом США.
Рис. 10. Плиотрон
«Изобретением века», т. е. аудионом, не ограничился впечатляющий вклад Ли де Фореста в современное радио, название которому он и придумал взамен термина конца XIX в. «беспроволочная связь» [2, 7]. В 1910 г. де Форест организовал первую в истории радиопередачу оперы с участием знаменитого Карузо, а в 1916 г. — репортаж с выборов президента США, отчего в Америке его называют «отцом радио»: по названию книги, которую он сам же про себя и написал [2, 3, 5, 7]. В 1912 г. он стал одним из основателей Американского института радиоинженеров (AIRE), а в 1956 г. был удостоен французского ордена Почетного легиона. Следующий крупный вклад был сделан им в 1922 г.: он создал систему записи музыки и речи на кинопленку в виде звуковой дорожки переменной оптической плотности, определяемой силой звука, за что и получил в 1960 г. премию «Оскар» [2, 7]. Всего де Форест был автором около 300 патентов, последний из которых ему вручили в возрасте 84 лет [2, 3, 9]. Впрочем, де Форест не был удачливым бизнесменом. Несколько созданных им компаний разорились, его неоднократно привлекали к суду по необоснованным обвинениям в мошенничестве, и он был четырежды женат [2, 3, 7].
Однако настоящую революцию аудион, созданный Ли де Форестом как радиотелеграфный детектор, произвел лишь после усовершенствования его усилительных свойств, превративших электронные лампы в сердце радиотехнических и автоматических систем середины XX в., о чем будет подробнее рассказано в следующей статье.
26 Августа 1873 года родился Ли де Форест (Lee De Forest)
Lee De Forest
Ли де Форест (Lee De Forest)
американский изобретатель. Родился в Каунсил-Блафсе (штат Айова). В 1896 окончил Йельский университет, получил степень доктора философии; руководителем его диссертационной работы был известный физик Дж.Гиббс. В 1899 поступил на работу в лабораторию фирмы «Вестерн электрик» в Чикаго, а с 1900 начал заниматься беспроволочной телеграфией. Пытаясь привлечь внимание к сконструированному им электролитическому приемнику, названному «респондером», построил беспроволочный телеграф для передачи сообщений с международных соревнований яхтсменов. В 1902 Де Форест основал в Джерси-Сити фирму «Америкен Де Форест вайрлес телеграф» по выпуску аппаратов для беспроволочной телеграфии по заказу правительства и военно-морского флота США. В 1906 преемником компании стала «Юнайтед вайрлес телеграф». Де Форест установил первые радиостанции на пяти крупнейших базах ВМФ США; занимался разработкой горизонтальной приемной, рамочной и пеленгаторной антенн, а также дуплексного режима передачи и приема. В 1907 организовал компанию «Рэйдиотелефон» и вскоре получил контракт на оснащение кораблей ВМФ США беспроволочными телефонами своей конструкции. В 1910 провел первую в истории музыкальную передачу из театра «Метрополитен-опера», где давали оперу с участием Э.Карузо. В 1911 фирма Де Фореста обанкротилась, и он устроился инженером в компанию «Федерал телеграф» (Сан-Франциско). Занялся усовершенствованием своей электронной лампы, первый вариант которой создал в 1905, когда искал способ улучшения приема радиоволн. В 1907 получил патент на свой «аудион» – трехэлектродную лампу с управляющим сетчатым электродом (триод). Де Форест сумел заинтересовать своим изобретением фирму «Америкен телеграф энд телефон» и в 1913 продал ей право на использование аудионных усилителей для телефонной связи. В 1913 впервые продемонстрировал действующий автогенератор на аудионе. В 1915 Де Форест провел сеанс радиосвязи между Арлингтоном (штат Виргиния) и Парижем, при этом принимающее устройство было установлено на верхней площадке Эйфелевой башни. В 1916 организовал первую широковещательную передачу новостей по радио. В 1920 Де Форест занялся созданием звукового кино, которое называл «фонофильмом». Первым нашел практический метод фотографирования звуковой волны на одной пленке с изображением. Принимал участие в создании телевидения и техники высокоскоростной фототелеграфной передачи изображений. Умер Де Форест в Голливуде (штат Калифорния) 30 июня 1961 года.
В 1880 году Томас Эдисон, изучая причины отложения углерода на внутренних стенках лампы, вмонтировал в колбу еще один электрод. Измеряя ток между ним и угольной нитью, он обнаружил, что независимо от полярности приложенного напряжения ток этот имеет только одно направление. Объяснить это явление (сейчас оно называется термоэлектронной эмиссией) ни Эдисон, ни кто-либо другой тогда не могли (электрон был открыт Джозефом Томсоном только в1897году). Хотя великий изобретатель не увидел никакой пользы в этих приборах, он тем не менее получил на них патент, а эффект назвал собственным именем.
Джон Флеминг, сотрудник компании Эдисона в Лондоне, тоже изучал причины отложений на стенках лампы с 1883 по 1896 год. Потом он занялся другой работой и вернулся к этой теме только в 1904 году, будучи научным консультантом компании Маркони. Для приема радиоволн требовался детектор, и Флеминг предложил использовать те самые лампы Эдисона. При этом он обнаружил, что при протекании через нить накаливания переменного тока ток, снимаемый с дополнительного электрода, всегда остается постоянным. В заявке на патент Флеминг назвал такую лампу колебательным вентилем (это был прообраз вакуумного диода), а в 1905 году описал свои эксперименты в статье для Королевского научного общества.
Но вентиль, хотя и выглядел перспективным, все еще был слишком примитивным для практического применения, и руководство компании Marconi порекомендовало изобретателю отказаться от дальнейшей работы в этом направлении.
В результате плодами работы Флеминга воспользовался другой изобретатель — выпускник Йельского университета Ли де Форест, который с 1900 года без особого успеха экспериментировал с различными детекторами. Летом 1905 года де Форесту попал в руки журнал «Труды Королевского общества» со статьей Джона Флеминга, посвященной колебательному вентилю. Осенью этого же года де Форест заказал несколько реплик прибора Флеминга — с латунным цоколем, угольной нитью и никелевой пластиной в качестве второго электрода.
лампа де Фореста
В декабре он уже подал заявку на патент «статического вентиля для беспроводного телеграфа», а чуть погодя- еще одну, на прибор под названием «аудион». Однако, несмотря на некоторые отличия, это были всего лишь небольшие модификации вентиля Флеминга.
аудион
А вот следующее изобретение Ли де Фореста было полностью его собственным, и именно оно принесло ему мировую славу и звание «отца радиовещания». После множества неудачных экспериментов изобретатель решил вставить между нитью накаливания и пластиной никелевую зигзагообразную нить, которую он назвал сеткой. Подавая на эту нить положительный потенциал, можно было разгонять поток электронов с нити накаливания, попадающий на пластину, а отрицательный потенциал «закрывал» вентиль. Хотя сам изобретатель имел весьма туманное представление о принципах, лежащих в основе работы прибора (его теории позднее оказались ошибочными), лампа де Фореста, в отличие от вентиля Флеминга, позволяла не только детектировать, но и усиливать сигнал. Так был изобретен триод, положивший начало новой отрасли техники — электронике.
Лампы де Фореста
В России вакуумными приборами занимался Михаил Александрович Бонч-Бруевич.
Катодное реле Бонч-Бруевича
Какую лампу создал Ли Форест?
По принципу работы трехэлектродной радиолампы — триода, эти нары радисты метко прозвали анод, катод и управляющая сетка.
В эпоху ламповых машин, когда каждый разряд арифметического устройства — это минимум один триод, необходима простая машина с простыми командами.
Приборчики, кои мы из него изготовили для пробы, могли усиливать и выпрямлять ток, чувствовали тепло и свет как и наши диоды, триоды, фоторезисторы, только при температурах за четыре сотни градусов Цельсия.
Общее количество электронных ламп составляет около 3500 триодов и около 2500 диодов, в том числе в запоминающем устройстве 2500 триодов и 1500 диодов.
Так вот почему Ксенон клянчил у других инженеров триоды да пентоды, вот почему замечали его то с обрезком трубы водопроводной, то с микролазером, то с мензуркой трансформаторного масла.
Полупроводниковые триоды применены в схемах, обслуживающих матрицу запоминающего устройства на ферритовых сердечниках и в усилителях сигналов, считываемых с магнитного барабана.