电子管的过去现在和将来

1865年麦克斯韦首先从理论上推断了电磁波的存在。1887年赫兹通过实验完全证实了麦克斯韦理论的正确性。到1895年前后马可尼、波波夫等才实现了无线电通讯，迈开了应用的第一步。但当时所用的晶体管，只能检波，不能放大，使它在无线电中的应用受到了极大的限制。1906年德福雷斯特发明了真空三极管后，情况就全然不同了。电子管可以完成整流、放大、振荡、调制、检波等任务，它推动了整个无线电技术的蓬勃发展。到三、四十年代，所有的无线电设备都用电子管，电子管被称为无线电的心脏，这并不是偶然的。

可是人们并没有忘记晶体管。1948年巴丁和布拉顿发明了可以起放大作用的点接触晶体管，次年肖克莱制成了P-N结，晶体管飞速发展起来，并在一些领域里逐步取代电子管。到了六十年代，比较多的无线电装备，都使用了晶体管，只有比较少的装备仍然使用电子管。在美国，一些大学的电子管专业停办，许多研究电子管的人员改行。在这种情况下，似乎给人们一种印象：“电子管已经过时了，没有什么发展前途了。”这是一个从正确事实中得出错误结论的例子。如果大家都接受这个结论，不去搞电子管了，那就势必使我国的科学技术发展不平衡，从而影响到四个现代化的进度，因此很有必要把这个问题澄清。

要想得到正确的结论，我们不能单看事物的现象，必须透过现象，抓住事物的本质。首先，在电子管能完成的任务中，有多数任务晶体管也能胜任。并且晶体管与电子管相比较，有重量轻、体积小、耗电省的优点。更有甚者，电子管制备工艺复杂、成本高，而晶体管则制备工艺简单、成本低。因此，许多小功率的设备都采用了晶体管，这是很自然的。然而还有另一方面情况：当功率增大时，晶体管就逐渐失去它原有的优点；而电子管体积大、电压高、电流大的缺点，此时却转化为能承受大功率的优点。所以，在大功率放大器中，仍然要用电子管。

电子管和晶体管的工作原理是完全不同的。晶体管的电子在固体中运动，因而可以做得小巧和便宜；但是控制它的运动就不那么容易了，电子运动时受到许多障碍，产生热量，而这些热量也不容易散掉。电子管则利用电子在真空中运动，因而体积不能做得太小；此外，电子在真空中运动时比较自由，人们控制电子运动的办法也多一些，例如可以加入各种电极或磁场，完成比较多的任务。

通过上面的简单分析可以知道，电子管和晶体管是两种本质上不同的器件，它们各有优缺点，各在不同的领域中工作，是互相补充、互相促进的。不应该笼统地说：谁比谁优越，谁将来一定代替谁。这好比穿鞋子一样：晴天时以穿布鞋为舒适，下雨时则以穿胶靴为妥当。二者各有千秋。

无线电的发展之一，是向短波长进军，这对精密雷达、空间技术、受控热核反应、射电天文等都是很有用的。当波长变短到一定程度时，普通电子管中的电子惯性起了障碍作用。由于存在电子惯性，电子从阴极走到阳极需要一定时间，叫做渡越时间。这个时间限制了电信号的变化频率，使得电子管的工作波长不能太短。当时有些科学家曾经预言：电子管工作到1米以下的波长是不可能的。但是科学的发展往往突破专家们的估计。四十年代出现了微波管。微波管利用电子惯性，给电子以不同的渡越时间而使之群聚；再将本来在管外的谐振系统与管子结合起来，放在管子的内部，即所谓的谐振腔或慢波结构，使群聚了的电子直接与之作用而产生微波。这种化不利因素为有利因素的作法，使电子管的工作波长大大缩短了。

但是，到了毫米波和亚毫米波领域中，微波管又遇到了困难。首先，电子之间相互有拒斥力，不容易群聚到比毫米还短得多的尺寸上；其次，谐振腔和慢波结构变小了，机械加工困难，热量也不容易散发，因此达不到一定的功率要求。于是又有人跑出来说：“电子管没有前途了。”事实驳斥了这种悲观论点。最近又出现了两种原理上崭新的电子管。

一种管子是使高速度的电子在强磁场中回旋，利用相对论的质量变化，使电子作相位群聚；同时采用开放式谐振和开放式波导，避免了加工和散热上的困难。这种管子叫做电子回旋共振管，或叫自由电子微波激射器。它颇适宜于产生毫米波和亚毫米波，并且可以做到数十千瓦的连续波功率。如果说，从普通电子管过渡到微波管算作一个里程碑，那么从微波管到自由电子激射器就是另一个里程碑了。

当功率增大时，必然会产生提高效率的问题，否则一部分能量就要转变成热能，而人们还要设法把这些热散出去，这是一桩很讨厌的事情。研究工作者一直在想办法提高电子管的效率。最近研制的一种偏转调制管，对于解决这个问题显示出光明的前途。它是将阴极发射出来的电子束，用微波调制的方法，使之在一个锥体面上运动，然后引导它打到环形谐振腔上。由于环形谐振腔上的直流电压可以是零，打到腔上的电子速度也接近于零，不致于产生热，没有能量损失。从理论上说，这种管子的效率可以达到百分之百，目前实际上已达到百分之八十，如果再进一步研究改进，还有可能提高。这又是一个原理上的突破。

以上两个突破都是在苏联取得的，因为苏联一直坚持对电子管的研究。而美国本来电子管的水平是很高的，但由于它从六十年代以来放松了对电子管的研究，所以在这一方面落后了。认识到这一点后，美国在1978年开了一些会，共同订出：政府加强资助、转业研究人员归队、大学重开课程、招收研究生等项措施，以便急起直追。

无线电从传送语言和音乐发展到转送图象，是一个重大的进展。这个进展是靠电子管的改进来完成的，这就是光电转换器件。它可以将光图象转换成电信号（摄象管），又可以把电信号还原成光图象（显象管）。关键之一在于实现了电子扫描，而电子扫描正是上面所说的电子在真空中运动易于控制的典型例子。大家都知道，显象管又大、又重，弄不好还有内爆的危险，是一个用起来很不方便的器件。国际上许多工作者都千方百计地想研究出一种代替显象管的装置，曾经试验过固体发光、等离子体、液晶、激光等等方案。但到目前为止，全面权衡利弊，还是以用那个又大又重的显象管为宜。

还有一种类型的光电转换器件，能将弱光变成强光（象增强管）；或将不可见光变成可见光（变象管）。它们是利用电子光学方法，将从光电阴极发出的电子进行聚焦、或放大、或缩小，使电子打在荧光屏上，又重新发出光来。这些器件不用电子扫描，是直接控制电子在真空中运动而成象的，所谓在真空中控制电子可以灵活多样，就是这个道理。举例来说：在多云的夜晚，不见月亮也没有星光，举手不见五指、但空间仍然存在着少量的近红外线，于是利用变象和增强相结合的管子，仍然能看见景物，这就是微光夜视管。这种类型的器件，在科学研究、医疗卫生、国防等方面有着广泛的应用，并且还在不断发展。

无线电是传递信息的学科，但要传得远，也需要能量。广泛地说，人类的文明和幸福，完全寄托在自然界能提供我们丰富的能源。目前应用得最多的是煤和石油，但它们的蕴藏量却随着用量的迅速增长以同一速度迅速下降。因此能源的问题是应该及早考虑的。现在人们考虑比较多的一是太阳能、一是原子能。在这两种能源的利用中，电子管都可以发挥作用。由于它本身的特点，电子管已冲破了为无线电服务的界限，向能源方面进军。

利用太阳能的方法之一是将卫星送到空间，张开宽阔的翅翼，截获射向太空的太阳能。但这样得到的太阳能还是直流电的形式，还不能直接送到地球来，还需要在空间把直流电转变成微波，再利用定向天线送到地面接收站。这个庞大的计划，美国已经着手拨款、组织，打算在八十年代将实验站送入轨道。为此就要研究大功率、高效率、高可靠、长寿命的微波管。

原子核反应可以产生高温热能。目前有一种新方法能将这种高温热能直接转变成电，这就是热电子发电。在电子管中，我们用电流加热阴极，使电子运动加剧而发射，电子发射时就带有阴极的一部分能量。这个原理便可以被利用来发电。一个特殊装置的二极管，就是一部没有机械转动、没有废气、安静的、干净的发电机，并且效率相当高。这种发电的方式，国外已经有实验装置在运转了。当然，要使它达到完美的程度，还有许多科学问题和技术问题需要我们去研究。

尽管电子管在某些领域中让位于晶体管，但由于这几十年来整个科学的大发展，电子管所开辟的新领域，比起它所退出的还是要多。目前电子管在数量上和品种上，都比它在二、三十年代独占无线电领域时为多。所以，电子管在实际上是发展了，不是收缩了，只不过它的应用多在尖端技术上，不那么容易被人们察觉罢了。

要判断一个事物是否有发展前途，除了看它是否有用之外，还要看它的科学问题是否已完全被人们所认识了。如果尚有科学问题有待于我们去认识，则认识之后往往会带来新的发展。以研究电子在真空中运动为主的电子管，并不是已经做到尽善尽美了。还有许多科学问题对于我们说来并不清楚。例如：电子是怎样发射出来的？电子与物质表面的相互作用；高速度、高密度的电子运动；强磁场中大群电子的回旋；电子与场的相互作用……。总之还有大量的工作需要我们去做，因而它也就具有广阔的前景。 (张恩虬)