计算机的历史03-真空管的发明

文举

世界第一台电子计算机ENIAC 1946年2月建成的世界上第一台计算机ENIAC，那时候半导体芯片还没出现，晶体管也还没有被发明出来，ENIAC这个庞然大物，使用了超过1.7万个真空管实现二进制和逻辑运算。真空管，也叫电子管，它在20世纪上半叶对无线电、电视、雷达、录音、计算机等领域的发展起了关键作用。

ENIAC使用的真空管 真空管的历史可溯自改良灯泡的商人托马斯·爱迪生。1880年的一天，爱迪生好奇地在灯泡中多放了一个电极，且洒了点箔片，结果发现了奇特的现象：第三极通正电时，箔片毫无反应；但通负电时，箔片随即翻腾漂浮。

爱迪生效应 当时爱迪生不知道此现象的起由，但由于他不经意的发现，这个现象后来被称为爱迪生效应，可惜爱迪生并没有深入研究它的用途。

欧文·瑞查森爵士(右一)一直到1901年，欧文·瑞查德森提出 以他名字命名的定律：“瑞查森定律”，明确了在高温下，金属中的自由电子获得足够的动能，逃逸出金属表面，形成电子流的过程，并给出了金属表面单位面积的电子发射电流密度和金属的温度之间的关系。该定律说明了电子的激发态引起箔片漂浮的原因，以此拿到1928年的诺贝尔物理奖。

马克斯·普朗克 德国物理学家普朗克，作为量子力学的奠基人在1900年提出了量子假说，认为光是由一些能量量子（后来称为光子）组成的。这个理论引起了很多人的兴趣和质疑，其中一个人就是发明过物理学电磁学中使用的右手法则的英国工程师约翰·安布罗斯·弗莱明。弗莱明想要用实验来验证量子理论，他想到了用一个克鲁克斯管（一种早期的阴极射线管）来检测光的能量。

威廉·克鲁克斯和他的克鲁克斯管 克鲁克斯管是1878年由英国化学家威廉·克鲁克斯发明的，它是一种在高真空中放置两个电极（阴极和阳极）的玻璃管，当通电时，阴极会发射出一束电子，形成一种看不见的射线，称为阴极射线。

弗莱明和他的二极管 然而，弗莱明发现了一个意想不到的现象，那就是当阳极和板极之间有正向电压时，检流计会显示有电流通过；而当阳极和板极之间有反向电压时，检流计则显示没有电流通过。这意味着这个装置可以把交流电转换成直流电，也就是说，它是一个整流器。 弗莱明意识到这个装置的重要性，他把它命名为“弗莱明阀门”（Fleming valve），并在1904年申请了专利。这就是世界上第一个真空管二极管。弗莱明虽然发明了真空管二极管，但他并没有深入研究它的原理和应用。他只是把它作为一个整流器来使用，主要用于无线电接收器中。

李·德·福雷斯特 和 他的三极管 真正把真空管推向新高度的人是美国物理学家李·德·福雷斯特。德·福雷斯特在1906年对弗莱明阀门进行了改进，他在阳极和板极之间加入了一个细丝网状的第四个电极，称为栅极或控制极。他发现，通过改变栅极的电压，可以控制从阴极到板极的电流的大小，从而实现了信号的放大。德·福雷斯特把这种新型的真空管称为“三极管”（triode）。他在1906年申请了专利，并在1907年开始商业化生产。三极管是第一个能够放大信号的电子器件，它开启了电子学的新时代。
他们的原理究竟是什么呢？

真空二极管原理图 真空二极管具有发射电子的阴极和工作时通常加上高压的阳极。灯丝是一种极细的金属丝，而电流通过其中使金属丝产生光和热，从而去激发阴极来放射电子。

真空三极管原理图 在真空二极管的基础上，真空三极管在阴极和阳极之间添加了一个栅极。通过在栅极和阳极间加上栅极电压，可以使栅极带上负电荷。由于电荷同性相斥，通过改变栅极的电场强度，就可以改变电子通过栅极的流量，从而起到放大作用。所以三极管不仅是电流开关控制器，还是电路功率的放大器。

三极管的发明引起了很多科学家和工程师的兴趣，他们纷纷对它进行了改进和创新，发明了更多种类和功能的真空管。例如，1913年，美国物理学家威廉·库立奇发明了第一个实用的X射线管，称为“库立奇管”（Coolidge tube），它可以产生稳定和强烈的X射线，用于医学和工业方面。

磁控管 1921年，美国物理学家阿尔伯特·赫尔发明了一种能够产生高频微波的真空管，称为“磁控管”，它是雷达和微波炉的核心部件。
1926年，美国物理学家阿尔伯特·赫尔和威廉姆斯共同发明了一种在三极管的基础上增加了一个屏蔽极的真空管，称为“四极管”，它可以提高放大效率和稳定性。
1938年，美国物理学家拉塞尔·瓦里安和西格德·瓦里安兄弟共同发明了一种利用电子在谐振腔中振荡来产生高频微波的真空管，称为“速调管”，它是现代通信和加速器的重要组成部分。

各种真空管 除了上述几种代表性的真空管外，还有许多其他类型和用途的真空管，如五极管、六极管、七极管、八极管、摆动器、振荡器、调制器、检波器、混频器、倍增器、压缩器、扩展器、限幅器、比较器、反馈器、逻辑门等等。真空管在20世纪上半叶占据了电子学的主导地位，它们被广泛应用于无线电广播、电视机、电话交换机、计算机、雷达等领域。

半导体电路 然而，随着半导体技术的发展，特别是晶体管和集成电路的出现，真空管逐渐被取代，因为半导体器件比真空管更小、更便宜、更耐用、更节能、更可靠。
今天，真空管已经不再是主流的电子器件，但它们仍然有一些特殊的应用领域，如高功率放大器、高频振荡器、高压整流器等。例如，在音乐界，许多吉他手和音响爱好者仍然喜欢使用真空管放大器来制造出一种温暖而富有个性的声音。
真空管也有一些新的发展方向，如纳米真空管、量子真空管等。这些新型的真空管，利用了纳米技术和量子效应，来提高真空管的性能和功能。

纳米真空管 例如，纳米真空管是一种结合了真空管和硅晶体管的器件，它是通过在掺磷的硅片上刻蚀出微小的空腔，然后在空腔周围加上电极，形成栅极、源极和漏极。 它们实际上是真空管的微型化版本，具有场发射电子源、集电极和栅极。¹ 空腔的尺寸非常小，大约150纳米，所以电子和空气之间的相互作用很小，不需要真空泵来抽真空，降低了制造难度和成本。² “真空管”这个名词有些不准确，因为这些器件并没有真正的真空。¹ 纳米真空管的开关速度高达0.46太赫兹，比最好的硅晶体管快10倍，有望应用于太赫兹通信领域。

量子真空管想象图 量子真空管是一种利用量子隧穿效应来产生和控制电流的器件，它是由两个金属电极之间夹着一个绝缘层组成的。 当两个电极之间有一定的电压时，由于量子隧穿效应，一些电子可以穿过绝缘层，形成一个很小但可测量的电流。这个电流可以通过改变绝缘层的厚度或者在绝缘层上加上一个栅极来调节。 量子真空管不需要加热阴极来发射电子，因此可以节省能源和延长寿命。 量子真空管也可以实现信号的放大和开关功能，有望应用于高频、低功耗、高密度的电子系统中。
总之，真空管是一种具有悠久历史和重要意义的电子器件，它见证了电子学的发展和变革，也为人类文明带来了巨大的影响。虽然真空管已经不再是主流技术，但它仍然有一些独特的优势和应用领域，也有一些新的发展方向和可能性，我们应该对真空管保持敬畏和好奇，也许它还会给我们带来更多惊喜。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0ozOWO6m
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