生生不息的真空管——赖英智
回顾百年音响史,真空管可以说是「死而复活」的奇特产品。从一次大战后急速发展,二次大战后进入黄金时期, 1965年后却被视为落伍的东西,九0年代兴起一股直热式三极管风潮,连最古董的真空管都被拿出来献宝,我们只能说它是生生不息。真空管的发明不但为音响回放开启新页,也带动录音从机械时代进入电气时代,它温热而充满生命感的声音,多年来一直掳获人心,谁能想到这么重要的发明,是无心插柳柳成荫的呢!
真空管的发明
当爱迪生在研究电灯泡时,他做了管壁的防尘防烟实验,1880年无意间发现在灯泡管内插入独立电极的地方与灯丝之间,在某种条件下会产生电流。这个现象被称为「爱迪生效应」,爱迪生本人没有继续探讨,J.W. Swan(Swan灯泡公司创始人)等人则开始研究此一现象的奥秘。1904年英国佛莱明在横越大西洋无线电通信发报机中,才首次利用「爱迪生效应」发明了佛莱明管(二极检波管)。佛莱明出生于英格兰的兰卡斯特,在伦敦大学与皇家化学学院毕业后,1892年到1898年间先后担任了爱迪生、Swan、Ferranti电力公司的工程师与顾问。佛莱明在白热灯、电表、发电机等方面有许多改良,并且发明了佛莱明左手定律。1899年起担任马可尼无线电电报公司顾问,1901年马可尼首次进行横越大西洋传送,当时所使用的器材大部份都是佛莱明制作的。1904年他寻找一个可靠的无线电侦测器,想到「爱迪生效应」,于是制作了一个在灯丝与真空管四周有金属圆筒的制品,这是真空管的原型。当时的佛莱明管只有检波与整流的功用,而且并不稳定。<图1>耶鲁大学毕业后即进入西屋公司WE服务的美国年轻工程师Le de Forest,对「爱迪生效应」同样感兴趣,1899年他的毕业论文是「由并行线终端赫兹波的反射」,而在1900年就开始着手研究真空管,1906年申请到二极管的专利(使用电池)。同时他提出许多新的构想,例如在灯丝两边加入白金侧翼,灯丝材料指定用白金、钽和碳丝,因为钨丝当时还未上市,他认为佛莱明管可用在整流,而自己的真空管可作为继电器。1906年底,他在二极管中多加入一个栅极,让真空管具有放大与振荡的功能,他同时委托灯泡工厂生产,称为Audion。此专利在1908年2月18日通过,但我们通常认定1906年是真空管元年,而Le de Forest就成了「真空管之父」。
真空管的改良最早的真空管都是采用直流电,只能在业务与及少数业余玩家间流通,因此真空管的第一次改良就是让它省电。不过电池实在不方面,而且价格也高,所以第一次大战后就有人尝试让真空管以交流电来工作。为了解决哼声问题,包括使用钨氩灯管、灯丝DC点火,用大型管如210发射射线以高周波点火等,都被拿出来实验。GE公司为了提高电话线安定性,从1913年起着手研究交流真空管,终于在1923年获得专利。西屋公司也在1921年获得不同样式的专利,并由McCullough在1925年推出第一号成品。之后两年,有许多改良式收音机推出,但基本上还是电池式,只是加上旁热式变压器与线路,方便直接使用AC插头而已。西屋公司早于1913年开始研究旁热管,并在1915年提出申请,不过一直到1927年,RCA才推出旁热管UY-277(成为美国旁热真空管的标准规格);英国MOV也在同年推出Cosmos AC/R(建立世界旁热式真空管的标准制造方式),使交流器材得以普及化。最早GE从事电灯泡制造,藉此之便,他们将钨丝混入少量的二氧化钍。有一次,这个配方被误用在真空管中,结果却使放射能力大增。1921年Irvin Langmuir开发出钍钨灯丝,大大的提高了电子发射能力,但是用了这种灯丝,如果管内有残余氧气,效果立即打折,最后又研究出各种收氧剂来改良真空效果。当时西屋推出的UX-245、250与245,都已经不是球型灯泡管了,而是气泡状的玻璃管,之后再改良才变成后来所看到的可乐瓶型形状ST管。多极管陆续出现另一波改良是多极管的出现。德国西门子很早就开始动作,希望推出电压更低、动作更有效率的空间电荷栅极管(Space Charge Grid),西门子的萧特基博士发明双栅极管,一次大战后1923年正式推出作为手提收音机的检波管。马可尼公司则为了减低栅极与屏极间容量,提高放大率,开发了廉栅极(Screen Grid)高频放大用四极管。四极管可用于高周波放大,却无法用在低周波上,荷兰Philips在1927年实验将廉栅极和阳极中间插入另一条栅极,成功开发五极管。第一号产品是B443,为电池式收音机的输出管,和该公司的2502型收音机一起销售。得力于B443的成功,Philips在1929年推出AC电源用的C443直热管,巩固了其输出管的领导地位。<图2>1926年德国Loewe发表了2HF与3NF的复合管,成为复合管的鼻祖。所谓复合管是把两个或两个以上的真空管装入一个管子内,同时各自有其独立的功能。由于德国使用收音机必须课税,课税标准以真空管数量为标准,为减低管数,所以有了复合管的诞生。此外英国的Ediswan、美国爱默生的Multi Value也都生产复合管。一次大战后英国的MOV开始开发金属管,希望改善玻璃管易碎的缺点,第一支发信管CAT的推出是一项重大突破,美国RCA从CAT偷学技术,1935年也推出金属管,之后还有GE与许多小厂加入,但金属管复杂且昂贵,所以很快就消失了。
英国真空管发展
1838年,英国法拉第对1mm/Hg低压空气放电、发光、电导度等加以研究,可以说开启了真空管技术的序幕。二极管的发明人佛莱明也是英国人,他在马可尼公司从事横越大西洋传讯实验时,收信装置相当原始。他试制作磁石收信机,但无法使用:佛莱明的听觉不佳,所以还开发了把收信机讯号记录,用眼睛解读的装置。当时感度最高的电流指示计为德逊保指示计,为了利用它,必须有能将高频率电流转换成直流的整流机,但他尝试过各种低周用整流器都没有用。1904年他把爱迪生实验用装有电极的电灯泡拿来改装,发明了二极管(他称为振荡管),现在英国以Valve称呼真空管,即引用佛莱明的命名。当时已经知道管内的真空度越高,整流作用越佳,但只能以加热方式排出管内空气。<图3>最初佛莱明检波器与矿石检波器一样没有阳极,不久就加入电阳极,可惜提出专利的时间比Le de Forest稍晚,把真空管之父的美誉拱手让人。由于英国不像美国那么迫切需要长途电话,所以真空管的开发脚步并不急。1911年马可尼公司的兰尼首度开发出三极管,多用于军方的无线电收信机,但由于管内真空无法长期保存,工作很不稳定,后来从美国引进球型真空管的排气,才改良了安定性。1916年BTH推出Type R管,与法国的TM管几乎一样。一次大战中,英国海军致力开发发信管,生产大型真空管,1917年Marconi-Osram Valve所生产的Type T1,是最早的大型发信管。1937年,与RCA有关系的马可尼与GEC两家公司,发表了International Octal系列真空管,以KT(Kinkless Tetrode)这个型号加入束射功率管的行列,也为英国真空管开辟了另一片天空。不论与6V6同级的KT61,或者与6L6相近的KT66,都获得许多人的喜爱。稍后所开发的KT88,成为与RCA 6550鼎足而立的产品。
法国的真空管
1908年,Le de Forest到法国宣传他的新球型管Audion,会见当时法国通信部队负责人菲力上校,争取到在巴黎艾菲尔铁塔上展示发射机的机会。菲力上校对三极管很感兴趣,但示范并不成功,所以没有采用。不过法国本身没有设计真空管的经验,而德国军力扩充迅速,随时有爆发欧战的可能,通信部队的需求迫在眉睫。1914年大战前夕,一位美国人保罗皮森,受德律风根的指派在美国收集最新通信器材情报,当他准备返回德国而在伦敦过境时,德国已经对法宣战。保罗潜入法国被捕,他被引见菲力将军,并从口袋拿出Audion真空管详述其优点,菲力将军立刻安排他在通信部队成立真空管紧急开发项目,这是法国真空管的起源。保罗找到里昂一家灯泡厂Grammont合作,推出原筒型的三极管,成品称为Fotos。虽然法国很晚才加入,但Fotos中的设计精巧,充分发会法国人的创意天分,所以推出后订单如雪。另一家曾试做过佛莱明管的Generale des Lampes公司也紧急加入生产,产品命名为Metal,而产品编号就以负责开发的法军通信队的缩写-TM(Telegraph Military)命名。TM管是一次大战中公认最好的三极管,英国马可尼公司战后买下专利生产。它所采用的管座/插座设计,可轻易的分离开来,也是真空管的一大突破,四脚结构也在欧洲被长期采用。
德国真空管的起源
1903年,德国人威奈特将放电管上面涂以钡钙等碱性金属氧化物,开发出氧化膜热阴极的原型,这项发明对后来的佛莱明二极管有很大的启示。1906年利班由Braun管得到灵感,以阴极射线Relay的名称申请专利,日后经过多次改良,在1911年8月发表了新的真空管。新真空管在柏林大学举行发表会,结果AEG/德律风根、西门子等公司愿一起合作进行改良,他们的完成品叫LRS Relay。LRS Relay易受温度等外在环境与电源电压的影响,杂音多,灯丝氧化膜也容易剥落,但一次大战前却是长距离电话线的主角。<图4>德国在1914年决定为民间电话线路开发新真空管,克服LRS Relay的缺点,最后西门子的Type A获选。Type A师承球型三极真空管,1916年开始发售,一部份用于战场上窃听敌军通信用的手提放大器。之后德国真空管就由西门子与德律风根两家公司为主导,陆续推出许多真空管。
美国西屋公司的贡献
美国由于幅员广阔,对长距离电话特别需要,国营的AT&T与他的制造商西屋电器WH(Westinghouse),也因此很早就投入相关研究,甚至将触角延伸到欧洲。西屋公司曾是家电大厂也参与最早的有声电影开发,并积极介入电话相关制造业。Le de Forest尝试把他的三极管用在低周波放大而没有成功,直到1912年终于有些成果,他立刻把中继放大器权利卖给AT&T/WE,并向西屋公司展示其Audion。当时Audion讯号增强会有失真,管内残留气体,阳极电压提高后容易失控,灯丝寿命极短,物理特性不易维持,每个Audion规格都不固定。这个情况对电话中继放大器并不合适,曾经在芝加哥大学研究真空技术,同时在西屋公司从事水银弧光灯中继器研究的阿诺博士,却看出Audion的潜力。阿诺博士首先强化Audion电极的结构,再采用氧化皮膜灯丝,降低工作温度,提高真空度,结果使Audion寿命提高到一千小时。1918年10月,这项成果实际用于费城、纽约、华盛顿间的电话线上,这是世界首度将真空管运用于商用通信电路中,真空管的编号为Type A。之后西屋继续研究,推出广为收音机使用的UV管(Unit Vacuum Tube),比欧洲的四脚管早一年。第一个附有管座的Type M,用于1915年开放的纽约-旧金山大陆横断电话线路中,寿命约400小时。1915年推出的Type L灯丝为Type M的两倍长,寿命则延长为4500小时。一次大战期间,美国政府责成西屋优先投入军用真空管开发。军用管需承受严酷的温度变化、震动、电压不稳等考验,西屋公司最有名的军用管为VT-1与VT-2。最初西屋的电话真空管称为Telephono Repeater Element,军用管则称Vacuum Tube。1920年匹兹堡成立了世界第一家无线广播局,在KDKA开播,引起很大回响,西屋以Aeriola的品牌投入家用收音机制造。不过以西屋为名所开发的真空管数量并不多,美国主要的直热式三极管都是Radiotron的产品,有人认为是RCA制造,实际上像112、171、250、245等都是出自西屋手中,西屋在低周波功率管方面技术领先。
通用电器与真空管
通用电器以制造直流发电机、电动机、汽车引擎等而闻名,他们介入无线电通信也是从高周波发电机开始。初期无线电公司为得到高周波连续功率而煞费苦心,最初使用电弧式发信机,但工作不稳定。后来想到利用电力交流发电机,并委托通用电器生产,1906年完成的产品只能达到10KHz频率。不过通用预见此后的发展,于是积极投入,1913年完成200KHz,数KW出力的发电机。另一方面,通用的研究室也很快开发出真空管,Pliotron(希腊语,多的意思)与Kenotron(希腊语,真空之意)为通用早期真空管的名字。Pliotron很快朝大型化发展,1914年使用于67KM长距离小型高周波发电机调变实验成功;而通用也发展出200KW的大规模调变发电机。一次世界大战期间,通用把技术加以活用,以克里夫兰的工厂为中心,生产了多种真空管,大战中约生产了20多万个,而西屋责生产了50多万个,对军方贡献良多。