大乐透杀号定胆:行波管的真实历史:被忽视的电子管最早期的重要研究

2018-06-28 来源:悦智网作者:Jack Copeland, Andre A.Haeff 我要评论(0) 字号:

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一个神色紧张的年轻人走出他在加州理工学院的工程实验室,查看到底发生了什么事情。在这所大学附近的高压实验室里,大团大团的电光从古怪的设备中腾跃而出。这是1931年,好莱坞的一个剧组正在拍摄波利斯•卡洛夫的电影《科学怪人》的第一部,那些电光就是现场的火花特效。这名严肃的年轻工程师喜欢电影,但当他走回凯洛格辐射实验室的长凳边坐下时,他可能还不知道,他正在研究的一种新型真空管有一天会彻底颠覆电影业,使电视台能够将《科学怪人》和无数其他电影通过卫星发送到千家万户。

这个年轻人就是安德瑞•哈耶夫(Andrei Haeff),也就是“安迪(Andy)”(本文作者之一Andre Haeff的父亲),而他正在研究的设备就是后来被称为行波管的设备的雏形。这种颇为奇特的真空管是早期电信、雷达以及电视广播系统的关键组成部分。例如,1952年,英国广播公司(BBC)利用该技术在英格兰的曼彻斯特和一个广播站(位于格拉斯哥和爱丁堡之间)间开拓了一系列微波连接,使该公司无须铺设冗长的电缆就可以将电视节目发送到苏格兰。但是,在通信卫星出现以后,这种轻型、低功耗的行波管才真正闪耀出光彩。现在,由于卫星行波管的出现,人们最喜爱的所有信号——宽带、电话和电视信号——几乎都可以到达地球上的任何地方。

尽管行波管如此重要,但它的起源还是鲜为人知。大多数权威机构将它的发明归功于一个名为鲁道夫•康夫纳(Rudolf Kompfner)的奥地利建筑师,据说是他于第二次世界大战期间在英国发明了行波管。事实上,有关这个课题的教材往往也趋于承认康夫纳是唯一的发明者。

不过事实上,行波管可以追溯到更早以前。它的首创者并不是康夫纳,而是生性腼腆、认真的安迪•哈耶夫。因此,我们有必要重新审视哈耶夫对这一重要技术所作的贡献,并探讨他究竟是怎么被这段技术史忽略的。

故事开始于1931年的美国加州。当时哈耶夫来到美国只有短短几年的时间,这之前,在他的祖国俄国发生布尔什维克革命不久后,他曾于1920年随父母和兄弟姐妹移居中国。

那时,哈耶夫刚刚在加州理工学院获得了硕士学位,并且正在进行研究工作,希望很快可以获得博士学位。他的论文课题是微波电子学,在那个时代,这代表着高技术的前沿。没有人知道如何有效地放大微波信号,标准真空管还无法处理这么高的频率。

这位年轻的工程师开始研究一种真空管,高频无线电波螺旋式环绕其中,连接着一个螺旋铜电极,而电子在平行于螺旋轴线的方向投射出一个电子束。在螺旋周围的移动降低了波沿着真空管轴线移动的速度,使其与慢速电子的速度相匹配,产生强大的相互作用,从电子束中吸收能量并将波放大。哈耶夫的原型中使用两个平行的螺旋形电极,一个电子束在其间穿梭。他在1933年10月为这个新型管申请他的第一个专利时,用了“行波”这个词来指代螺旋运动的高频波。他的发明成为后来的螺旋行波管的第一个实例。

哈耶夫这一新型行波管的灵感来自对圣莫尼卡海滩上冲浪者的观察,他发现冲浪板和波浪的速率必须匹配,冲浪者才能有效地利用波浪的能量。

哈耶夫在1932年获得了博士学位,之后他在加州理工学院电子工程系担任研究员,继续从事他革命性的新型管研究。一些在行波管的起源中提到哈耶夫的故事通常都会(非常不准确地)说,他忽略了行波管作为放大器的用途。事实上,当哈耶夫为他的设计申请专利时,他强调了行波管的3种用途,包括作为微波信号探测器,以及“放大……非常高的无线电频率”。因此,毫无疑问,他意识到了他的行波管有能力超越传统真空管的上限放大频率。

更重要的是,哈耶夫的新型管并不只是纸上谈兵:在他提交专利申请前不久,他用一个行波管搭建了一个在750兆赫频率下运行的便携式无线电发射器和接收器——这个频率远远超越了当时的其他无线电设备。

1934年3月,哈耶夫离开了加州理工学院,加入了新泽西州哈里森市RCA公司的研究和工程部。加州理工学院的负责人、物理学家罗伯特•A•米利肯(Robert A. Millikan)代表该学院的管理机构授予了他发明的所有权利。哈耶夫很快以1.2万美元的高价——约合今天的20万美元——将行波管的专利权以及一台可用的原型机出售给了RCA公司。后来,在1936年,RCA公司为哈耶夫的设计申请了第二项专利。但是,该公司并没有允许哈耶夫对这项发明进行进一步开发,而是希望他集中精力开发用于电视接收器的微型管和电路。

随后,行波管被重新发现了不是一次,而是两次。第一次是在1940年,RCA公司的一名天线专家尼尔斯•林顿布莱德(Nils Lindenblad)为一种改良的行波管申请了专利。这是在哈耶夫将他1933年的专利权出售给RCA公司6年之后。很难想象林顿布莱德会不知道哈耶夫的早期发明:林顿布莱德的专利申请和RCA公司1936年对哈耶夫行波管的专利申请都是由RCA公司的同一个专利律师哈里•G•格罗弗(Harry G. Grover)经手的。

林顿布莱德并不是真空管设计师,人们还不清楚他后来是如何开始研究螺旋电极的。虽然他和哈耶夫当时都是RCA公司的雇员,但他们的实验室相距约100公里(约60英里),我们也没有证据表明他们曾见过面。

一个很大的可能性是,哈耶夫在加州理工学院的同事弗雷德•克罗格(Fred Kroger)可能指导林顿布莱德研究了哈耶夫的专利。1933年,克罗格曾帮助哈耶夫制造了用来展示行波管功能的微波发射器和接收器。而当哈耶夫从加州搬到新泽西时,正是克罗格将行波管的原型机装在自己的汽车后备箱里运到了那里。他也曾参与哈耶夫对RCA公司进行的那项利润丰厚的专利权出售。与林顿布莱德一样,克罗格也曾在纽约州罗基波因特的RCA通信公司工作,他们都是RCA公司早期进军电视广播的关键人物。事实上,正是为此,林顿布莱德才重塑了行波管。

几年之内,行波管又被第三次发现——这次是在英国的伯明翰大学。1940年,物理学家们在一个由英国海军部设立的特殊实验室里开发了一种产生微波的强大真空管:多腔磁控管。据说,磁控管对第二次世界大战进程的影响要比其他任何一个发明都大,因为它是构建功能强大、精准的小型雷达装置的关键,它结构紧凑、重量轻,可以安装到飞机上。

当1941年康夫纳加入该实验室后,他白天研究磁控管和速调管(另一种用于放大微波的真空管),而在晚上进行自己的发明,包括一种行波管放大器??捣蚰稍诓骱彩笛槭彝瓿闪怂牡谝桓鲂胁ü?,自己动手在车床上缠绕了长长的铜螺旋。结果还是不错的,1944年6月,英国海军部代表他提出了专利申请。

在1946年《无线世界》(Wireless World)的一篇文章中,康夫纳描述了成为未来商用版原型的行波管。不过,他的行波管在本质上与林顿布莱德不太知名的设计并没有什么不同,而讽刺的是,林顿布莱德的行波管在1942年10月就被授予了美国专利,而此时,康夫纳还正在重新发现行波管。

虽然康夫纳在《无线世界》的文章中描述的行波管与哈耶夫的行波管利用了基本相同的原理,但它相比哈耶夫的设计还是有了显著改进,其中电子束的运动范围更靠近螺旋圆周。与林顿布莱德的早期设计一样,康夫纳采用了哈耶夫在进行开创性工作时还没有的精密电子枪,使电子束在螺旋内部沿着中心轴行进。这种方法带来了更高的放大率,因为它利用了不同的物理原理——调速和电子群聚。

这些现象在20世纪30年代的下半叶才被发现并研究——最初是由奥斯卡•海尔(Oskar Heil)和艾格尼丝•阿森耶娃-海尔(Agnes Arsenjewa-Heil)夫妻二人进行的——他们使林顿布莱德和康夫纳的设计成为可能。事实上,哈耶夫借由他1939年发明的感应输出管,成为了利用这些原理的第一批人之一(见本文最后章节:《哈耶夫的其他真空管》)。

康夫纳在1964年出版的一本名为《行波管的发明》(The Invention of theTraveling Wave Tube)的30页的小册子里讲述了他行波管的早期设计。在这本小册子里,康夫纳透露,使用螺旋电极的重要想法并不是他自己的。在试图设计一种高频示波器时,他意识到——就像之前的哈耶夫一样——如果一个电场可以从光速降低到电子束的速度,那么电场就可以与电子束进行交互作用。但是康夫纳并不知道实现速度降低的方法??捣蚰伤?,1942年9月,他在伯明翰与其他真空管专家讨论了他的高频示波器,“有人建议使用螺旋”。

康夫纳首先用电子束在螺旋外运行的行波管进行尝试,就像哈耶夫在10年前做的那样,即所谓的偏转型行波管。但直到1943年4月,康夫纳才产生了与林顿布莱德同样的想法——用一个精准的电子枪将电子束射向螺旋的中心。同年11月,康夫纳表示,这种方法使放大增强了。

康夫纳撰写了大量关于他“发现”行波管的情况,多数见于1964年那本小册子里。但在这大量的著作中,他从来没有提到过哈耶夫的早期工作——而于1953年授予康夫纳行波管设计的美国专利确实引用了哈耶夫以往的专利。

虽然康夫纳对于哈耶夫早期的行波管闭口不提,但他还是强调了哈耶夫在调速和电子群聚工作方面的重要贡献。1949年,康夫纳在表示了海尔和阿森耶娃-海尔的早期尝试“并没有真正成功”之后,他接着说道:“然后,在几个月(1938-年~1939年间)的时间里,美国研究人员发表了一系列论文,特别是哈耶夫、哈恩(William Hahn)和梅特卡夫(George Metcalf)、瓦里安兄弟(Russell Varian和Sigurd Varian)、汉森(William Webster Hansen)和韦伯斯特(David Webster),这改变了整个局面。”

哈耶夫生性谦虚,不愿自吹自擂。虽然对于自己早期的贡献被忽视一事不怎么高兴,但他并没有公开表示抗议。不过他在1950年左右撰写的一生工作总结中写道:“我饶有兴趣地注意到,最近公布的被称为‘行波管’的‘革命性’设备是以我在我的专利中首先陈述的原理为基础的,专利号为2064469和2233126,它们描述了行波管的基本理念。”但除此之外,他没有做任何将自己与这个非凡的设备联系起来的事,在约翰•皮尔斯将行波管的理念带到RCA公司的竞争对手——贝尔实验室之后,也就是1944年他在英国遇到康夫纳之后不久,行波管就变得极为重要了。1951年,康夫纳自己也作为皮尔斯的门生加入了贝尔实验室。

皮尔斯是一名工程师,他最有名的事迹也许是在1948年发明了“晶体管”这个词,后来他晋升为贝尔实验室的执行董事。他与哈耶夫关系十分密切,在20世纪50年代初,他有一次还曾在哈耶夫的家里用餐。尽管如此,皮尔斯仍然无情地推销康夫纳——以及间接地推销贝尔实验室——对于该专利的优先权。他在1956年写道:“关于行波管的来源,我只会说,它是在二战期间由奥地利建筑师鲁道夫•康夫纳在英国发明的,他一直想成为一名物理学家。”

皮尔斯1950年出版的权威教科书《行波管》(Traveling-Wave Tubes)一书中并没有提及哈耶夫的贡献。而在欧洲,一本于1951年出版的法国教科书却介绍了哈耶夫在行波管方面的早期工作。10年后,皮尔斯在一封信中告诉哈耶夫,他计划撰写一篇有关微波管发展历史的文章,将涉及到哈耶夫“在1935年左右对行波与电子束的利用”。但是直到皮尔斯2002年去世,他都没有撰写一篇文章修正历史。而且,只有少数一些专家意识到了哈耶夫早期工作的重要性,比如马里兰大学的维克多•格拉纳茨坦(Victor Granatstein)在2000年写道,哈耶夫“对于螺旋行波管的发展作出了不可或缺的贡献”,并指出,利用螺旋将高频波的速度降到与电子束同速这一“关键”想法“是在安德瑞•哈耶夫的专利中首次出现的”。

在1941年,哈耶夫离开RCA公司,去了美国海军研究实验室研究雷达;1950年,他又加入了加州卡尔弗城快速扩张的休斯飞机公司的研发实验室。在那里,他建立并领导了休斯电子管实验室,并最终成为了休斯公司的副总裁兼研发总监。哈耶夫的实验室迅速开始开发行波管的高级版。

随着卫星通信成为广播电视工程师研究的新前沿,1957年10月发射的俄罗斯人造卫星给了哈耶夫更多的动力。贝尔实验室的研究人员提出发射一个轨道中继站,利用一个基于地面站的网络来连续追踪它在空中的移动。在1945年的一期《无线世界》中,科幻作家阿瑟•C•克拉克(Arthur C. Clarke)曾描述过把通信卫星置于固定轨道上的想法,这样就不会产生追踪相对地球表面运动的卫星时遇到的那些问题了。当休斯公司的工程师哈罗德•罗森(Harold Rosen)建议公司开发这样一种静止卫星时,他的许多同事都持怀疑态度,但哈耶夫说服了总经理劳伦斯•海兰(Lawrence Hyland),他认为相比贝尔实验室的方案,静止卫星方案是更好的方案。

哈耶夫成立了一个特别工作组,研究商业卫星通信的问题。1959年10月,这个特别工作组建议休斯公司继续以闪电般的速度“在严密的安全措施下……进行重大太空计划”。这样做的目的是要在大西洋上方的一个近似地球静止轨道上安装一个简单的宽带中继卫星。

该特别工作组进一步倡导开发一种轻巧、高效的特别行波管,其重量约为1磅——大约是休斯公司标准版本的二十分之一。这种行波管将成为“提议的卫星电子系统的心脏”,在卫星将收到的信号以不同的频率中继回地球之前对其进行放大。

休斯公司的Syncom卫星成为世界上第一颗地球同步通信卫星,于1963年成功进入轨道。这次发射只是NASA赞助的一次测试,但它很快带来了第一个商用通信卫星,即1965年进入轨道的、基于Syncom的“晨鸟(Early Bird)”卫星,也被称为Intelsat I。“晨鸟”的成功最终使休斯公司在后来的许多年里主导了通信卫星制造。

当这个由哈耶夫在二十多岁时开创、却又很少与他的名字相关联的设备成功搭载了人类的声音穿越宇宙空间时,他一定会感到骄傲——还有万千感慨吧。

哈耶夫的其他真空管

这名多产的工程师

几十年来一直在进行发明。

除了他的行波管以及他对军事雷达和电子战的广泛贡献,安德瑞•哈耶夫还发明了一系列重要的真空管,包括两种富有创造性的放大器——电子波和吸收壁放大管。他还有一项突破也是一种放大器,称为感应输出管(IOT,原型见上图),这一发明使得RCA公司在1939年开创性地实现了电视广播,在纽约市帝国大厦的顶部架设了发射器,并在纽约长岛沿线设立了一系列中继站。

哈耶夫对计算的贡献包括他的电脑显示器双稳态存储技术和他在图形和文本显示上的早期工作。是他第一个发现了维持屏幕显示内容的方法,使屏幕内容不只显示一两秒钟。

哈耶夫还预见了虚拟现实的一些方面,早在1964年,他就发明了一种激光设备,用于扫描艺术品、建筑、博物馆珍宝以及其他三维物品,以便技术人员可以对它们进行虚拟重建。不过,行波管仍然是他所有发明中最伟大的。

作者:Jack Copeland, Andre A.Haeff

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