永不消逝的电波——电子在“蒸腾”

永不消逝的电波————————电子在““““蒸腾””””[编者按]上回为大家引荐了无线战场的“开山鼻祖”——火花发射机和矿石接收机，但是这一对搭档的频率精确度实在是差强人意。在频谱空间中，频率精确度好的电台就像狙击步枪，能够集中能量把信息传送给目标，而一部频率精确度差的电台就好像一支霰弹枪，几乎不用瞄准就把前面一片给照顾到，这样白白耗费有限的辐射功率，很容易被窃听和干扰，在小范围内部署时自扰也十分严重。于是，在这个谁也看不见的神秘赛场上，接力棒被传给了——真空管。主席亲自保管的“宝贝”第二次反围剿获得胜利后，红军挺进赣东闽西地区。1931年7月的一天下午，配属红3军的报务员正在值班，忽然，耳机里意外地传来了一阵急促的“滴滴滴答——滴滴滴答——滴滴滴答”电码声。这是敌人发报前发出的三个试机符号，红军报务员迅速拿起笔，抄下了这份324字的电报。当译电员把这份电文译出时，不禁倒吸了一口凉气。原来，电报是敌前线总司令兼左翼集团军司令何应钦发给各路部队的，主题是——“限10天扑灭共匪”。时任红一方面军总政委的毛泽东看过电报后，迅速调整兵力部署，指挥红军做好迎敌准备。但是，他似乎有些不放心电台的安全，找来了电台队政委的伍云甫。“电台缺了什么就不能工作?”他问道。“真空管。”伍云甫答道。“那这个宝贝就由我亲自保管吧!”无线电台对当时的红军来讲，是一件极其稀缺的装备，仅有的几部电台也都是在战斗中缴获的，而真空管作为电台的核心元件，主席称之为“宝贝”也就不足为奇了。这个“宝贝”究竟有什么本事呢?被“烘烤”出的电子流真空管也叫电子管，见过它的朋友一定知道，它外形其实很像一只大灯泡。事实上，真空管的发明还真和灯泡的发明有着深厚渊源。众所周知，爱迪生是灯泡的发明者，他在试制灯泡时，曾在抽成真空的灯泡中加了一块小金属板，但没有与灯丝有任何接触，然后将金属板连接电流表，另一端连接到电源正极上。当灯泡点亮时，爱迪生发现电流表的指针竟然发生了偏转——这就是著名的“爱迪生效应”。如果当年有春晚，这一“见证奇迹的时刻”足以博得看客五分钟的掌声。因为就当时的科学认识水平而言，这块金属板与电源和灯丝没有任何连接，而且还是在真空中，不存在空气被电离击穿的可能，人们无法理解为什么电流可以穿过真空。这到底是为什么呢?其中的原理可以用一个简单的现象来类比。用火烤湿衣服，衣服上会冒出水蒸气，火越旺，水蒸气越多，可以解释为，衣服上的水被火产生的热量蒸发了。同样，爱迪生所发现的这个现象可以理解为，灯丝中的电子被灯丝产生的热量“蒸发”了。当然，这不能算严格意义的“蒸发”，只是灯丝中的电子在温度不断升高时，感到酷热难耐，纷纷逃了出来——这个现象，被称为“电子的热发射”。脱离了“组织”的电子们在玻璃管内游荡，带负电荷的电子不免感到有些寂寞。这时，带正电荷的金属板向他们敞开了怀抱，于是，电子们秉承着“异性相吸”这一亘古不变的真理向金属板扑去……如此，电流表的指针偏转了，爱迪生先生惊喜了，真空管横空出世的时刻不远了。爱迪生曾为这个发现感到匪夷所思，为此去申报了一个没有任何实际用途的“纯科学”专利。后来，人们通过进一步研究，发现如果灯丝旁的金属板连接到电源的正极才会有电流通过，如果反过来连接是没有电流的，这是因为金属板必须带正电才能让带负电的电子“投怀送抱”，如果金属板接上负极也带了负电，就会对游离的热电子产生排斥。也就是说，在这个电路中，金属板这一端只允许电流流出，而不允许电流流入，根据这一特性，第一个二极管诞就生了。二极管的作用和上一篇中提到的方铅矿石一样，同样具有单向导电性，可以在接收机的检波和整流领域大显身手。二极管刚问世的时候，被称为“热离子阀”，也就是说，它可以像个阀门一样，控制电流的流向。既然二极管已经从一大堆灯泡中脱颖而出，那么里面的部件自然有更为专业的称呼：用于发射热电子的一端称为阴极，而连接金属板，用于吸收或排斥热电子的一端称为阳极(也可以叫屏极)。二极管诞生初期，阴极其实就是灯丝，通过自加热来发射电子，这种形式叫作直热式。这种管型结构简单，但经不起高电压考验，因为阳极的正电压高到一定程度时，它的“魅力”也就变得越来越无法抗拒，不光是游离的热电子组成了“粉丝团”，真空管内所有带负电的东西都会感觉到阳极强烈的吸引力。不要忘了，充当阴极的灯丝也是带负电的，同样摆脱不了对阳极的深深“迷恋”。但当电压方向改变时，阳极就会突然翻脸不认人，对游离的电子和灯丝本身产生强大的推斥力。在交流电路中，这种情形每一秒都要重复成千上万次，直热式二极管的灯丝一会儿收到引力，一会儿又受到斥力，导致灯丝提前发生变形，使用寿命也随之缩短。科学家们当然不愿看到这样的情景发生，决定让灯丝和阳极“分居”，在灯丝外套上了一圈金属套筒来充当阴极，上面涂覆有钍、钡等利于电子发散的物质，工作时通过灯丝对阴极的炙烤，热电子直接从金属套筒上发射出去奔向阳极。有了套筒的阻隔，灯丝不再直接受力，使用寿命也大大增加。也正是因为隔了一层金属，旁热式二极管的耗能要大于直热式，所以在电压相对较小，且对功耗比较敏感的电路中，直热式二极管仍占有一席之地。发射机的“扩音筒”，接收机的“助听器”从上一篇文章我们可以看出，要想提高火花发报机的功率，只有一条途径可循，就是换上一个更加“给力”的电源，但电源的体积总不能无限增大。20世纪初在莫斯科建立的火花发报台，就用了一栋二层小楼专门放置电池。更要命的是，火花发报机的搭档一一矿石接收机又是一个天生耳朵不怎么好使的主儿。这样一来，要进一步拓展无线电的通信距离，确实需要一场技术上的革命。解决问题的关键，是在阳极和阴极之间插入一个“第三者”。真空二极管问世不久，一个美国牧师的儿子——发明家德弗雷斯特，在阳极和阴极之间加了一段弯曲的金属丝，居然有了重大发现。当把金属丝加上正电时，它会帮助阳极吸引更多的电子，反之，当金属丝通上负电压，它会帮助阳极排斥电子。经过不断的试验，弯曲的金属丝最后由螺旋状的栅网替代了，这一极也被称为栅极，三极管就这样被制造了出来。栅极实际上起到了一个控制阳极电流的作用，只要栅极的电压有一个较小的起伏，在阳极就会产生一个形状相同，但幅度大得多的起伏，放大的功能就这样实现了。还记得上一篇中那两个“乒乓球选手”吗?万变不离其宗，电磁波产生的源泉仍然是LC振荡回路，LC电路输出的微弱交流信号导入三极管的栅极之后，就能在阳极得到一个被放大了若干倍的信号，这个信号再通过天线发射出去，功率就大多了。同理，在电波的接收端，可以利用三极管放大微弱的信号。这样一来，三极管就像是给发射机加装了一个“扩音筒”，给接收机戴上了一副“助听器”，大大提高了电台的性能。真空二极管和三极管的出现使那个年代的电台具有了频率调谐的能力，也就是说发射和接收频率可以做到更加精准，也减少了有效功率的浪费，使通信距离进一步增加。在真空三极管的基础上，又出现了四极管、五级管甚至六极管，但都是为了改良三极管的放大特性，功能上没有实质变化。点燃无线电通信的星星之火真空管的出现，使无线电通信的质量和距离都得以大幅提高，也把设备的体积、重量和能耗控制在了可接受的范围，因此在第二次世界大战期间，各参战国都装备了真空管电台。下面为大家介绍其中几款。以今天的审美观看，那时的电台实在是其貌不扬，不过在当时，所有装了真空管的东西可都是宝贝啊。日本94-6式电台一战结束后，世界各军事强国开始对无线电的研究表现出极大兴趣，日本也不例外。日军从1934年开始陆续接受几种标准型号的无线电台。由于当年正值日本“神武纪年”的2594年，所以该系列电台被命名为“94式”。装备量较大的94-3和94-5型电台都是发射机和接收机分开，而94-6是日军使用的首款集无线电收、发功能于一身的电台。收信的时候，该电台用电池供电，发信时必须依赖手摇发电机提供最高135伏的电压。在电台的面板上，我们可以清楚地看到一只个头不小的真空管。实际上这只真空管内有两个三极管，当电台工作时，这只UZ30型真空管会发出黄色的光。94式电台的早期型号只有一个波段，94-6则改进为三个波段。由于94-6电台体积小，重量也不足2千克，方便携带。因此在二战后期日军节节败退时，该电台就成了一部分盟军士兵的个人藏品。英国WS-38Mkll电台这种便携式电台在二战时生产了数万部，它在7.3-9兆赫兹的频段工作，使用0.2瓦的功率就使通信距离达到2英里以上，这在真空管出现以前是难以想像的。从外表看，这个英国货的做工比日本的那一部显得精致许多，拆开外壳，内部电路依然很整洁。我们可以看到机内有5个并列的真空管，而且都是放大性能比三极管要好的五极管。为了提高整机抗震、抗摔性能，其中4个真空管的外壳是金属制成的。这种电台的缺陷在于使用了3.65米高的天线，非常容易暴露，招致炮火袭击。德国Torn.Fu.b1步兵电台这部20千克重的电台由两名通信兵背负，一名背收发信机，另一名背电池包和耳机、麦克风等其它附件。Torn.Fu.b1使用了8只RV2P800真空五极管，其中发射机2只，接收机6只，真空管同样使用了金属外壳封装。该电台的功率为0.65瓦，使用波段3-6兆赫兹，通信距离可达10英里。它在1936年开始生产，是希特勒在一战后重新武装德军的新一代无线电设备，也是二战中德国陆军广泛装备的电台之一，其最显著的识别特征是面板上像笑脸一样的频率显示窗。这种电台相比英军WS-38标配的天线，配备了一种非常短小的天线，大大降低了被发现的概率。美国SCR-300电台这是摩托罗拉公司在1943年为美国海军陆战队研制的电台，并在盟军进攻意大利时开始投入使用。战争中超过5万部SCR-300下线，广泛装备于海军陆战队，并被士兵们简称为“300”。它采用了18只真空管，重38磅，功率0.3瓦，通信距离为3英里。在太平洋战场上，“300”经历了高盐高湿的考验，其最大的优点在于部分工作频段可与坦克电台兼容，给步坦协同作战带来极大便利。真空管虽然为无线电通信打开了一个新局面，但是由于其很难适应较高的频段，所以采用真空管的电台多工作于频率较低的短波波段，超短波、微波的应用受到很大限制。而且，真空管的使用寿命普遍较短，加上军用设备免不了磕磕碰碰，也极易损坏。一架米格-21战机每年要更换掉15％的真空管，大修时更是要补充安装总数的60％左右。历史的车轮不断前进，真空管的接力棒又该传给谁呢?