二极电子管的故事（读书学习）

期号：第1期
总期号：总第13期
年份：1956年第1期
页码：第30页
栏目：消息
条号：第1条
标题：二极电子管的故事
作者：沈肇熙
字数：3183字
关联：9图片

    (沈肇熙)电子管的发明，把无线电的技术逐步从60年以前的实验阶段发展到了今天的水平。电子管早已不限用在无线电方面，一切科学上最新的成就，往往就是电子管应用上新的发展。例如一部巨型的电子计算机，就用得着几千个电子管。
    适应各种不同用途的电子管，可能已经有成千上万种了。我们最好先介绍一种最简单的电子管——二极管，懂得二极管的道理，便容易了解其他电子管的作用。

    二极管里有两个电极，叫做“屏极”和“阴极”。使用时将阴极加热，阴极是金属物质做的，里面原来就有自由电子，还有金属原子，受热以后，自由电子的质量比原子小得多，就先个别的然后发展到集体的从金属表面大量跳了出来，这就是“热放射”现象，和煮开水的道理是一样的。不到沸点，水面上的水汽很少，一到沸点，水便大量化为气体，这时水的温度叫做“临界温度”；阴极开始大量发射电子的温度，也叫做“临界温度”。为了避免电子放射不足，阴极的工作温度，是在它的临界温度以上。
    临界温度低的阴极，产生电子放射，可以少加热量，所以它的“放射效率”高；临界温度高的阴极损失的热量很大，所以它的“放射效率”低。我们晓得任何物体辐射的热能，是和它的温度的四次方成正比，温度加倍，热能的损失就增加16倍，所以工作温度愈高的阴极，放射效率愈低。
    屏极在正常的情形下，它不放射电子。不管怎样只可能有电子由阴极跑到屏极，不会有电子相反地由屏极跑到阴极。

    如果将一个交流电压加到两个电极上，上半周屏极正、阴极负，把电子由阴极吸引到屏极去，这时既有电压又有电流，电子管相当于一个有电阻的通路；下半周屏极负、阴极正，没有电力把电子拉向屏极，这时只有电压而没有电流，电子管内成了断路。所以二极管在交流电路里好像一个自动开关，把交流变成了直流，这是二极管的基本作用，术语叫做“整流”。装了整流管的收音机，就可以利用交流电源来供给直流。

    对阴极加热，可以用“直热”和“傍热”两种方法。直热式是在灯丝两端加电压，有电流通过灯丝，灯丝发热，直接放射电子，所以灯丝就是阴极；傍热式是在管罩里贴近阴极放上一个灯丝，灯丝一热，辐射热量，使阴极受热便放出电子。

    工程师们，为了把二极电子管做成一个理想的自动开关，先寻找放射效率高的阴极材料。试验过程中，发现许多金属，一热到能够放射电子的温度，已经开始有金属原子蒸发出去。这样失去的每一颗原子，就是阴极物质的消耗，这种阴极是不经用的。最后被找到了放射电子容易而原子蒸发难的一些材料，做成了阴极。现在常用的阴极材料如钨、含钍的钨和涂氧化钙（或氧化钡）的镍等是其中几种。它们的临界温度，大约钨是2700℃，含钍的钨是2000℃，氧化物是1400℃。如果使用适当，它们的寿命大约依次序是2000小时，3000小时和5000小时。
    但是，当工程师们做好阴极并用耐热而价廉的金属做好屏极，放进管罩里，进行试验时，便发现如果屏阴极上加的电压稍高，许多阴极便粉碎了；另外一些阴极热了不久，就根本不能够放射电子了。工程师们肯定是温度高的阴极和空气中的各种气体，起了化学作用，使阴极“毒化”而变了质，失去了放射电子的作用；而且屏极电位一高，气体分子容易电离，有正离子猛烈地撞击阴极，把阴极打得粉碎。
    这时，工程师们就想：“把电子管里设法抽成真空吧！真空度愈高愈好！”
    怎样才算是高度真空呢？物理学告诉我们：在标准温度（20℃）和气压（760公厘水银柱）下，每立方公分的任何气体所含分子数大约是2520亿亿个。拿最简单的氢气来做例子，氢原子的直径大约是一亿分之一公分，因此氢气所占据的只约有百万分之一的体积。设气压降低到百万分之一（0.00076公厘水银柱），气体分子便只占1000亿分之一的体积。这样的气体密度普通就认为真空度相当高了。真空度多少我们用水银柱的公厘高度数来表示。新式的抽气机，在不长的时间可以抽到0.0005公厘水银柱的真空度。
    但工程师们又发现金属电极去吸收气体，例如钨就容易吸收氢气，抽不出来，工作时电极受热氢气才跑出来，又减低管内真空度。后来用“高频电热”的方法，解决了这个问题。就是拿一个通有高频电流的线圈套在管外，高频磁场便在个别金属电极里，感应出高频电流来，发生高热，大部分吸收的气体就冒了出来。
    但是需要的真空度愈高，高频电热所应达到的温度也要愈高，如果阴极耐热度不够，一加到高热就有原子蒸发，当然不合用。因此，大型电子管里不得不用放射效率低而耐热度高的钨做直热式阴极，中型或小型电子管，便可以用放射效率较好而耐热度较差的含钍钨做直热式阴极，而小型的更可以用放射效率最高而耐热度最差的氧化涂层傍热式阴极。这是因为大、中、小型电子管要求的真空度依次减低的缘故。

    为什么大、中、小型电子管所需要的真空度不同呢？我们不妨设想把电力由发电厂供给工厂的情形。同样的电力有两种馈送法，一种是加高电压而减小电流，另一种是加大电流而减低电压，只要电压和电流的乘积不变，输送的电力就可以不变。
    二极管像是一个直流电源的发电厂，二极管的灯丝不能加热过高，免得放射效率太低。不够经济；这就限制了电子放射量和管内电流，因此只好选择高电压和低电流的供电方法。

    把屏极对阴极的电压提高了以后，管内只要微微有些残余的气体便会产生电离，质量比电子大数千倍的正离子，便在强电力的作用下奔到阴极，阴极被它一撞就坏。所以输出电力愈大的电子管，电压应愈高，而真空度的要求也愈高。大型电子管往往用到成千上万的电压，制造上相当困难，所以售价往往数百倍于小型电子管。
    想了种种办法，所谓“真空式二极电子管”毕竟制造成功，工程师们是胜利了！但是作为一个自动电子开关，还有缺点：它的电压大而电流小，表示电阻很大，可是普通的开关简直没有什么电阻。
    产生这种电阻的原因立刻被找到了，因为阴极发射出来的电子，雾似的包围着阴极，这种电子叫做“空间电荷”。空间电荷是阴性的，对继续发射的电子有抗拒作用，因此电流小；空间电荷又抵消部分屏极对电子的吸力，要保持相当大的电流，屏阴极间的电压便要提高。所以就是这种空间电荷增加了电子管的电阻。
    管内有正离子时显然就可以消除阴性空间电荷的影响，但是供应正离子的气体，又会毒化和粉碎阴极。工程师们要解决这个矛盾问题，便想着用氩、氖和水银蒸汽等不灵活的气体来试试。
    最初为了制造大量的正离子，在管内加入了3—8公分水银柱的氩气，气体的密度很大，并用了比较经得住打击的钨做阴极。结果发现正离子走不了多远就被气体分子碰撞，根本没有可能得到足够的速度打伤阴极。毒化阴极的作用也没有了。果然正离子和电子中和，维持很大电流所需的屏压很小，管内电阻显然降低了。靠气体产生有用的正离子，又靠气体阻挡住正离子，使它没有破坏作用，是新的发现。这种电子管现在叫做吞茄管。吞茄管的主要缺点是管内气体密度大，电压稍高，不应当导电的交流半周也往往能破坏气体的绝缘，产生电流，失去整流作用，所以它只限用于100伏以下的交流电压。还不能解决大电力的直流供电问题。
    为了克服吞茄管的缺点，工程师们降低了气压逐渐试验，最后试到管内加入约0.03公厘水银柱的汞汽（在管内放入液体水银，加热蒸发得来），结果便很满意，这时正离子恰好能够将空间电荷的作用完全抵消；而且电流愈大，相当于空间电荷愈多时，电离产生的正离子也愈多，仍旧相消。这样，尽管电流有相当大的变动，屏阴极间的电压可以保持很低，通常约是15伏。屏压一低，正离子只能缓慢的蠕动，不致打伤阴极，可以用放射效率最高的氧化涂层阴极。实际试验证明屏压超过25伏，阴极才会受伤损坏。这样便做成了汞汽整流管。管内气体密度小，绝缘不容易破坏，可以用到很高的电压。现在公认这种汞汽整流管，就是工程师们所追求的理想的自动电子开关，它的电流大，电阻小，所以工作效率高，可以由很高的交流电压得出同样高的直流电压。因此在各种无线电设备里，汞汽整流管已经完全代替了真空式整流管。除非灵敏度高的收音机，因为怕电离作用发出杂音的干扰，还保留着使用真空式整流管。