真空管出人意料的漫长寿命

# 真空管令人惊讶的漫长寿命 来源：https://www.construction-physics.com/p/the-surprisingly-long-life-of-the 过去几十年的技术进步，在很大程度上，是围绕着我们用半导体及其制造技术能做越来越多的事情而展开的。微芯片几乎渗透到了每一辆汽车、飞机、家电和电子设备中。发光二极管正稳步取代那些较旧、效率较低的光线产生方法（如白炽灯泡）。太阳能光伏板已成为历史上部署最快的能源。半导体激光器使光纤通信成为可能。用于数字成像的半导体基电荷耦合器件（CCD）和CMOS传感器。这样的例子不胜枚举。 但在晶体管发明之前的几十年里，另一个庞大的技术生态系统围绕着一种控制电子流动的器件建立起来——真空管。在20世纪上半叶，真空管技术渗入了各式各样的设备，从收音机到电视，再到最早的计算机。与今天的半导体类似，真空管的应用远不止于电子逻辑——它们所利用的现象可以应用于从照明和显示器到摄像机和雷达的一切领域。尽管真空管让人觉得是一种早已被取代的古老技术，但其构筑的许多技术大厦至今仍然存在。 ##### 真空管的起源 真空管是一种抽成真空的管子（通常但并非总是由玻璃制成），内部装有电极，电子在电极之间流动。这些管子及其各种分支和技术近亲，是两条平行发展脉络的产物。 第一条发展线索来自所谓的“气体放电管”——通过高度稀薄的气体（浓度和压力极低的气体）放电的管子。在德国科学家Otto von Guericke于1650年发明第一台真空泵后不久，早期科学家便开始使用这种泵来研究高度稀薄的气体。他们观察到，让电流通过稀薄气体会使其发出五彩斑斓的光芒，但在许多年里，这主要被视为一种有趣的奇观。 [图片：气体放电管中发光的气体。在阴极附近和阳极附近的辉光之间可以看到一个暗区。图片来源：Wikipedia(https://en.wikipedia.org/wiki/Glow_discharge)。] 直到19世纪30年代，英国化学家兼物理学家Michael Faraday的实验才让人们开始更认真地研究电流对稀薄气体的影响。Faraday让各种稀薄气体通过电流，观察它们多彩的辉光，以及两个电极之间一个奇特的“暗区”。Faraday是一位备受尊敬的科学家，他的工作引起了其他人的注意：1855年，一位“崇拜Faraday”的德国科学家Julius Plücker致力于重现Faraday的实验。为了进行实验，Plücker从著名仪器制造商Heinrich Geissler那里获取了一些高度真空的玻璃管。Geissler制造了一台能够达到前所未有的高真空度的真空泵，并且Geissler的管子由于采用了铂引线，能在一定温度范围内工作。（铂的热膨胀系数与玻璃几乎相同；几十年后，Edison将采用同样的铂引线策略制造第一只白炽灯泡。）这些管子后来被称为“盖斯勒管”。 通过使用一系列精心制作、高度真空且“复杂性不断提升”的玻璃管，Plücker追随Faraday的脚步，研究高度稀薄气体中的放电行为。在他的实验中，Plücker观察到从阴极（负电极）似乎有某种发射物。这些发射物沿直线运动，能被磁场偏转，并导致管子靠近阳极（正电极）的壁面发出绿色辉光。包括William Crookes和Plücker的合作者Johann Hittorf在内的其他科学家进一步研究了这些发射物，它们最终被称为“阴极射线”。用于研究阴极射线的管子开始被称为“希托夫管”或“克鲁克斯管”，并成为研究物质本质的重要科学仪器。1895年，德国物理学家Wilhelm Roentgen在使用克鲁克斯管研究阴极射线时偶然发现了X射线，并因此于1901年获得首届诺贝尔物理学奖。1897年，英国物理学家J.J. Thomson发现阴极射线实际上是带负电的粒子流——被称为“电子”——他因此于1906年获得诺贝尔物理学奖。 [图片：19 世纪的各种实验用真空管，来源：Shiers 1974。] 真空管的另一条发展线索来自白炽灯。1802年，英国科学家Humphry Davy通过将一条细铂片连接到一个“巨大的电池”上制造出了白炽灯，在接下来的几十年里，有十多位科学家和发明家尝试通过将灯丝封闭在装有真空或惰性气体的玻璃灯泡中来制造白炽灯。但直到1879年，实用的白炽灯泡才被发明出来，几乎同时由美国的Thomas Edison和英国的Joseph Swan完成。Edison的成功很大程度上归功于他实现了比以往更高的真空度，这是通过一台经过大幅改进的Sprengler水银真空泵（最初于1865年发明）实现的。 早期的白炽灯泡内壁有逐渐变黑的趋势，这会减少发光量，最终使灯泡无法使用。在研究这一现象以期消除它时，Edison将一块小金属板放入各种灯泡的泡壳内。最终发现，从这些金属板中出乎意料地有电流流过，Edison谦虚地将这一现象称为“爱迪生效应”。（今天我们都知道这种电流是由热电子发射引起的，即电子从炽热的灯泡灯丝中射出。） ##### 真空管的崛起 到20世纪初，有两种类型的器件——克鲁克斯管和其他类似的气体放电管，以及实验性的爱迪生效应灯——在这些器件中，电子在高度真空的玻璃管内的电极之间流动。在接下来的几十年里，这两种器件催生了广泛的真空管技术。 19世纪80年代，英国科学家兼工程师John Fleming开始研究爱迪生效应，并发现电流可以从炽热的灯丝流向金属板，但不能反向流动。1904年，Fleming利用这一现象制造了弗莱明阀，这是一种用作整流器的真空管，能在早期收音机中将交流电转换为直流电。不久之后，美国发明家Lee de Forest在试图发明一种改进的无线电信号检测器时，在弗莱明阀的阴极和阳极之间添加了第三个元件——一个金属栅极。 De Forest最终发现，通过改变金属栅极的电压，可以控制从阴极到阳极的电流，从而使该器件能够起到放大器的作用。De Forest几乎不知道他的器件（他称之为“Audion”）是如何工作的：他错误地认为它依赖于管内气体带电粒子的流动。但当他把Audion提供给AT&T时，该公司的科学家和工程师认识到了它的潜力。 AT&T研究了Audion，弄清了其行为的理论，并把它变成了更有用、更可靠的三极管真空管器件。三极管使第一条横贯大陆的电话线路（AT&T于1915年首次演示）成为可能，并催生了一系列相关的真空管——四极管、五极管等等。在20世纪初迅速流行起来的收音机，是这些真空管最大的应用场景之一，但它们也被用于电话设备、电视机以及第一批数字计算机。到20世纪20年代末，AT&T在其电话系统中使用的真空管数量已超过10万个。ENIAC是最早的可编程通用数字计算机之一，由18,000个真空管驱动，其中大部分是双三极管——一个玻璃管壳内含两个三极管。 [图片：爱迪生效应真空管的谱系图，来源：Hong 2001。] 1896年，也就是意大利发明家Guglielmo Marconi向英国邮政官员演示他的收音机的那一年，德国物理学家Ferdinand Braun正在寻找一种测量交流电流波形的方法——交流电流的流向在电路中周期性变化。一些高频交流电每秒来回变化数千次，速度快到任何通过机械移动物体来记录的设备都无法跟上。但Braun怀疑阴极射线可以用来制造测量这些高频电流的器件。如果让射线通过一个狭窄的开口，管子上的发光点就会缩小成一个点。通过使用磁场，可以偏转电子束的路径，从而移动发光点，描绘出电流波形的形状。由于阴极射线束几乎没有惯性，它几乎能够瞬间响应电流的变化（这种变化会引发磁场的变化）。在Franz Müller（一位在Geissler去世后接管其公司的仪器制造商）的帮助下，Braun制造了几支实验用管子，并用它们来研究高频交流电的行为，于1897年发表了第一篇论文。Braun把他的器件称为阴极射线指示管。 [图片：Braun的阴极射线指示管，来源：Shiers 1974。] Braun管（通常称为“阴极射线管”）被广泛用于制造电子显示器。示波器——一种以图形方式显示电路电压的设备——直接源自Braun的阴极射线指示管，而在20世纪20年代，阴极射线管成为第一台电视机的基础。发明家Vladimir Zworykin的电视系统使用一种专门的阴极射线管作为摄像机来记录图像，并使用另一种阴极射线管来显示图像。（另一位并行电视发明家Philo Farnsworth在电视屏幕上使用了阴极射线管，但在摄像机上使用了略有不同的真空管技术。）此后几十年，基于阴极射线的摄像管和电视屏幕一直是主要的电视技术，直到它们被平板显示器和半导体摄像头所取代。 在20世纪20年代，阴极射线还有许多其他用途，包括制造第一台电子显微镜。阴极射线管也被用作一种早期的计算机存储形式（称为存储管或威廉姆斯管），直到被更优越的存储技术（如磁芯存储器）所取代。 催生了Braun阴极射线管的气体放电管还有许多其他应用。19世纪60年代，法国工程师Alphonse Dumas和医生Camille Benoit制造了Ruhmkorff灯，这是一种使用Geissler管连接到电池供电感应线圈的气体放电灯。19世纪90年代，美国发明家Daniel Moore设计了自己的基于Geissler管的照明系统，称为Moore灯。但真正让气体放电照明流行起来的是1898年稀有气体氖的发现。法国工程师兼液化空气公司联合创始人Georges Claude在空气液化过程中产生了大量氖气作为副产品，并于1910年展示了一种基于填充微量氖气的气体放电管的氖灯。其他流行的照明技术——汞蒸气灯、荧光灯、钠蒸气灯——也是充有不同气体的气体放电管。 气体放电管的应用远不止提供照明。闸流管发明于20世纪20年代，是一种气体放电管，其工作原理与真空管类似，但能处理更高的电流。等离子电视上的像素由数百万个微小的气体放电管组成。气体放电管可用于制造二氧化碳激光器、盖革计数器和浪涌保护器等多种设备。 [图片：等离子显示器的结构，来源：Wikipedia(https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_display#)。] 气体放电灯通过利用电流激发管内的气体分子来产生光（一种电磁辐射）。但真空管也可以用于产生其他种类的电磁辐射。如前所述，Wilhelm Roentgen在19世纪90年代意外发现克鲁克斯管会产生X射线，而今天，现代X光机仍然使用真空管来产生X射线。20世纪20年代，通用电气的研究人员发明了磁控管，这是一种最初被设计为电子开关的真空管，但后来被发现可以产生微波。二战期间英国人开发出磁控管的改进型——谐振腔磁控管，使得机载微波雷达成为可能，成为二战中最关键的技术之一。