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

在一個由無數固態(tài)器件支撐的時代，我們還需要關注真空管嗎？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。歡迎在本文網絡版的評論部分添加更多清單內容（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)中首次展現其光輝時刻，為英國雷達提供了動力。20世紀70年代，磁控管在雷達上的應用開始減少，但在工業(yè)、科學和醫(yī)療應用中煥發(fā)了新的生機，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)療磁控管能產生一束高能電子束。電子束中的電子被原子序數很高的物質（如鎢）組成的目標原子核偏轉時，會產生大量X射線，X射線可以被引導殺死腫瘤中的癌細胞。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的需要。圖中的醫(yī)療磁控管由e2v技術公司（e2v Technologies，現為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，足以與放療機的旋轉臂相匹配。

回旋管回旋管是20世紀60年代蘇聯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，例如現在正在法國南部建造的國際熱核聚變反應堆（ITER）。這些實驗反應堆需要的溫度高達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強磁場中的旋轉或回旋。插一句，真空管研究人員十分喜歡“管”（- trons）和“極”（-trodes）。旋轉的電子與空腔電磁場之間的相互作用會產生高頻無線電波，這些電波會被導向等離子體。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（Active Denial System）中，它們也被用于非致命群體控制。該系統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世紀的大多數行波管都是為了極高功率增益而設計的，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，所以出現了迷你行波管，如圖中展示的L3哈里斯電子設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瓦范圍的應用，以及需要小尺寸和低電壓的應用。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80年代迷你行波管問世后不久，就被用于飛機和艦船上的電子戰(zhàn)系統，以防雷達制導導彈的攻擊。20世紀90年代初，器件設計師開始將迷你行波管與小型高壓電源集成在一起，為器件和驅動它的固態(tài)放大器供電。這種組合產生了“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”等軍用無人機的雷達和通信發(fā)射機以及電子對抗中。

加速器速調管速調管幫助開創(chuàng)了高能物理的大科學時代。速調管能夠將電子束動能轉換成射頻能量。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30年代發(fā)明了速調管，并與其他人一起成立了瓦里安聯合公司來推銷它。如今，瓦里安的速調管業(yè)務仍在繼續(xù)，歸屬于通信及電力工業(yè)公司（Communications and Power Industries）。

在速調管內，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集束器時，磁場會阻止它膨脹。陽極和集束器之間是空心結構，稱為“空腔諧振器”。高頻信號被應用到了離陰極最近的諧振器上，在腔體內部建立起電磁場。電子束穿過諧振器時，這個電磁場會對電子束進行調制，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。大多數電子在穿過最后一個以高功率振蕩的諧振器時會減速。結果便是輸出信號遠大于輸入信號。

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

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，現在仍然很強大。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)槌瑥姶蟮南嗫仃嚴走_提供無線電頻率動力。這臺440兆赫的雷達名為“環(huán)形搜索雷達攻擊特征系統”（PARCS），用于尋找向北美發(fā)射的彈道導彈。作為空間監(jiān)視網絡的一部分，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，據說能夠在2000英里（3218公里）的范圍內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公里的偏遠小島，島上的相控陣雷達使用了一種更高頻率的環(huán)桿行波管。這種雷達名為“丹麥眼鏡蛇”（Cobra Dane），它負責監(jiān)測非美國彈道導彈的發(fā)射，還能收集有關太空發(fā)射和近地軌道衛(wèi)星的監(jiān)視數據。

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，其中射頻波沿著螺旋形的導線傳播。環(huán)桿管的場強更高，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70年代初開發(fā)的環(huán)桿管，現在由L3哈里斯電子設備公司制造。

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)現它們的磁聚焦不同，這導致了一個管中的光束晃動。他認為，這種波動會導致波導中的電磁波發(fā)生周期性相互作用。反過來，這有助于產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54千兆赫下產生150千瓦的峰值功率，這個功率水平保持了十多年的紀錄。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生強大的電磁輻射，可用于探索化學鍵力學、了解光合作用、分析藥物如何與靶點結合，甚至創(chuàng)造出溫暖、致密的物質，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，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，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“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2兆赫擴展到4兆赫。

鑒于其能處理的功率水平，反波管相當小巧。包括永久聚焦磁鐵在內，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？泰雷茲電子設備公司的真空電子學科學家菲利普?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，用來控制或調節(jié)電子的流動。根據電子管柵極的個數，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。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用于工業(yè)、科學和軍事領域。 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60年代開始開發(fā)，是一種獨特的圓柱形設計排列裝置。

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，用許多加熱的細絲作為電子源。每根細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，它仍然是一款強悍的產品。RCA最初想將同軸管用作射頻加速器的驅動源，但最終它在大功率UHF雷達上找到了用武之地。雖然同軸管近來被固態(tài)器件取代了，但老雷達系統中仍有一些還在使用。

德律風根音頻管在功率/頻譜方面，有一種帶柵極的重要傳統電子管與速調管和回旋管等兆瓦級巨獸分處兩端。德律風根VF14M得到了音頻工程師和錄音藝術家的厚愛，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，且只有通過紐曼篩選審查的電子管能有此名稱標識。 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。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，但它能復制出那種溫暖而悅耳的管音嗎？在這一點上，內行音頻人肯定不會同意。

責任編輯：xj

原文標題：你從未聽說過的9款最偉大的真空管

文章出處：【微信公眾號：IEEE電氣電子工程師學會】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。