معجزه لوله خلأ در دنیای الکترونیک

پدیده‌ای به نام ترانزیستور را می‌توان در هر وسیله برقی امروزی از ساعت زنگ‌دار گرفته تا تلفن، رایانه و تلویزیون پیدا کرد. امروز میلیاردها ترانزیستور پیرامون ما وجود دارد که در جایگاه اتم‌های سامانه‌های محاسبات امروزی کار می‌کنند تا امکان پردازش و محاسبات را در اختیار دستگاه‌‌‌های الکترونیکی قرار دهند.

اختراع ترانزیستور در سال 1947 دری را به دنیای اطلاعات باز کرد که امروز به‌خوبی آن را می‌شناسیم. گرچه رایانه‌ها، به شکلی ابتدایی پیش از اختراع ترانزیستور نیز وجود داشتند؛ غول‌های فناورانه و عظیمی که فضای اتاق‌ها را اشغال می‌کردند، هزاران کیلو وزن داشتند، اما قدرتی کمتر از رایانه‌هایی که امروز می‌توانیم در جیب‌هایمان قرار دهیم، در اختیار می‌گذاشتند.

عنصر کلیدی در ساخت آن رایانه‌های غول‌پیکر نه ترانزیستور بلکه پدیده‌‌ای به نام دریچه‌های ترمیونیک بود که بیشتر به نام لوله‌های خلأ (Vacuum Tube) معروف هستند. آن دستگاه‌های حاوی لامپ یا لوله خلأ امروز کم‌و‌بیش منسوخ شده‌اند، اما در دوران اوج خود زیربنای طراحی بسیاری از سامانه‌های الکترونیکی، از رادیو گرفته تا تلفن و رایانه را شکل می‌دادند.

---

انتشار ترمیونیک

---

اساس کار لوله خلأ را پدیده‌ای به نام انتشار ترمیونی شکل می‌دهد؛ به این گونه که یک قطعه فلز را گرم می‌کنید و انرژی حرارتی به آزادشدن تعدادی الکترون می‌انجامد. فیزیکدان انگلیسی، جان امبروز فلمینگ در سال 1904 از این اثر استفاده کرد تا نخستین دستگاه لوله خلأ را بسازد که آن را دریچه نوسانی (Oscillation Valve) نامید.

هنگامی که یک قطب فلزی به نام کاتد گرم می‌شود، موجب آزاد شدن الکترون از طریق پدیده‌ای به نام گسیل ترمیونی می‌شود، سپس با وارد کردن یک ولتاژ مثبت به قطب دیگر (آند که صفحه نیز نامیده می‌شود)، الکترون‌ها جذب می‌شوند و به این ترتیب می‌توانند جریان پیدا کنند. اگر هوا از لوله خارج و خلأ ایجاد شود، الکترون‌ها مسیر روشنی از کاتد تا آند را می‌پیمایند که موجب ایجاد جریان می‌شود.

مخترع آمریکایی لی دو فارست (Lee de Forest) در سال 1907 با اضافه کردن یک الکترود دیگر به این ترکیب توانست نخستین لوله تریود را بسازد. الکترود سوم که شبکه کنترل نامیده می‌شود، لوله خلأ را قادر ساخت نه‌تنها به عنوان یکسوکننده بلکه به عنوان تقویت‌کننده سیگنال‌های الکتریکی نیز عمل کند.

شبکه کنترل که به شکل یک شبکه توری است، بین کاتد و آند قرار می‌گیرد و با تنظیم ولتاژ اعمال‌شده به این شبکه امکان کنترل تعداد الکترون‌هایی که از کاتد به آند جریان می‌یابند، فراهم می‌شود. به این ترتیب لوله تریود می‌تواند به عنوان کلید روشن/ خاموش برای جریان الکتریکی و همچنین تقویت‌کننده سیگنال به کار آید.

اما چرا هنگامی که می‌توان چهار الکترود در اختیار داشت، روی سه الکترود توقف کنید؟ بنابراین پیشرفت‌های بیشتری در ساخت لوله‌های خلأ با قرار دادن شبکه اضافی به نام شبکه صفحه نمایش و شبکه دیگری به نام شبکه کاهنده ایجاد شد که به ساخت لوله‌هایی به نام تترود و پنتود منجر شد. شبکه‌های اضافی در لوله‌های خلأ برخی از مشکلات پایداری را حل کرد و پاره‌ای از محدودیت‌های طراحی تریود را کنار زد، اما عملکرد تا حد زیادی یکسان باقی ماند.

وزن یک دستگاه تلویزیون 40 اینچی سونی مدل Trinitron CRT که در سال 2002 ساخته شد، معادل 136 کیلوگرم بود. این تلویزیون که برای صفحه نمایش خود از یک لامپ اشعه کاتدی (CRT) برای نمایش تصویر استفاده می‌کرد، در واقع مجهز به یک لوله خلأ قطعات الکترونیکی بود.

فناوری CRT نیز در کنار لوله‌های خلأ برای کارهای محاسباتی و تولید صدا در دهه 1940 توسعه یافت که به‌خوبی تا قرن بیست و یکم باقی ماند. پس از آنکه گرایش بازار از تلویزیون‌های قدیمی به سمت تلویزیون‌های صفحه تخت رفت، لوله‌های خلأ چیرگی خود بر بازار محصولات حوزه صدا را حفظ کرد. با این حال، لوله‌های خلأ در دنیای مدرن امروزی کاربردهای شگفت انگیزی دارند و حتی ممکن است آینده روشن‌تری در انتظارشان باشد.

---

ترانزیستور متولد شد، اما لوله خلأ زنده است

---

سه فیزیکدان به نام‌های ویلیام شاکلی، والتر براتین و جان باردین در سال 1947 نخستین ترانزیستور جهان را ساختند تا آغاز پایان لوله خلأ رقم بخورد. ترانزیستور می‌توانست تمام عملکردهای لوله‌های خلأ مانند سوئیچینگ و تقویت را تکرار کند، اما به جای ورقه‌های فلزی در لوله خلأ از مواد نیمه‌رسانا ساخته شده بود.

هنگامی که این سه دانشمند این پدیده جدید را از کیسه خارج کردند، راه خاموش کردن لوله‌های خلأ در همه زمینه‌ها به جز برخی کاربردهای ویژه هموار شد. ترانزیستورها بسیار بادوام‌تر هستند (لوله‌های خلأ مانند لامپ‌ها در نهایت باید تعویض شوند)، ترانزیستورها بسیار کوچک‌تر هستند (دو میلیارد در یک تلفن همراه امروزی) و برای کارکرد به ولتاژ بسیار کمتری نیاز دارند (رشته فلزی که نیاز به گرمایش داشته باشد در ترانزیستور وجود ندارد)؛ اما لوله‌های خلأ کاملاً منقرض نشده‌اند و در اندکی از کاربردهای ویژه مفید هستند.

برای مثال لوله‌های خلأ هنوز در فرستنده‌های RF با قدرت بالا به‌کار می‌روند، زیرا می‌توانند قدرت بیشتری نسبت به معادل‌های نیمه‌رسانای مدرن تولید کنند. به همین دلیل می‌توان در شتاب‌دهنده‌های ذرات، اسکنرهای MRI و حتی اجاق‌های مایکروویو لوله‌های خلأ را یافت. شاید جذاب‌ترین کاربرد مدرن لوله‌های خلأ در دنیای موسیقی باشد. علاقه‌مندان به صدا کیفیت تقویت‌کننده‌های صوتی لوله خلأ را دوست دارند و صدای آنها را به تقویت‌کننده‌های نیمه‌هادی ترجیح می‌دهند.

در سال 1978 امرالد سیتی گیتارز مبلغ 159 هزار دلار برای یک آمپلی‌فایر (تقویت‌کننده) سفارشی ساخته‌شده از لوله‌های خلأ درخواست کرد. این تقویت‌کننده که برای مرل هاگارد (Merle Haggard) ساخته شد، در آن زمان گران‌ترین تقویت‌کننده موجود برای خرید در جهان بود.