Диод Флеминга (прибор также носит названия: «лампа с термокатодом», «вакуумный диод», «кенотрон», «термоионная лампа», «вентиль Флеминга») представлял собой герметичный стеклянный баллон с впаянной в него угольной нитью накаливания, окруженной металлическим цилиндром. Цилиндр был назван анодом (от греч. «анодос» – путь вверх), нить накала – катодом (от греч. «катодос» – спуск). В начале XX века полагали, что электрический ток течет от положительного полюса к отрицательному, подобно тому, как стекает, сверху вниз, вода. Сегодня мы знаем, что, на самом деле, происходит обратное: под действием электромагнитных сил электроны «путешествуют» от отрицательного полюса к положительному.
В триоде Фореста (прибор также носит название «аудион» и «лампа де Фореста») между угольной нитью накала и анодом располагалась проволочная решетка («управляющая сетка»), позволявшая не только детектировать, но и усиливать принятые радиосигналы. Однако, Флеминг и де Форест неправильно понимали принципы работы своих приборов, объясняя их выпрямительные (диод) и усилительные (триод) свойства ионизацией разреженного газа. И даже предупреждали, что из баллона электронной лампы никоим образом нельзя откачивать газ, создавая в ней вакуум.
Де Форест сумел заинтересовать своим изобретением American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T), и в 1913 г. продал ей за 50 тыс. долларов право на использование аудионных усилителей для телефонной связи. Де Форест, помимо прочего, считается отцом-основателем общественного радиовещания. 12 января 1910 г. с помощью дугового передатчика Паульсена, установленного на сцене чикагского Metropolitan House, он провел трансляцию в эфир живого исполнения оперы Пуччини «Тоска». Изобретатель участвовал в нескольких громких судебных процессах по патентным правам, и потратил целое состояние, полученное от своих изобретений, на оплату счетов адвокатов. В 1920 г. он запатентовал оптический способ записи звуковой дорожки на кинопленку, и всю оставшуюся долгую жизнь прожил и проработал в Голливуде.
В 1906 г. немецкий инженер и предприниматель Роберт фон Либен сконструировал триод с управляющей сеткой в виде перфорированного листа алюминия (в патенте изобретателя прибор назывался «катодно-лучевое реле»). Сетка помещалась в центре баллона, деля его на две части: в нижней части – нить накала (катод), в верхней части – анод. В целях увеличения эмиссионных свойств радиолампы фон Либен предложил покрывать нить накала тонким слоем окисла кальция или бария и заполнять баллон парами ртути.
Патенты фон Либена приобрели все ведущие немецкие производители телефонно-телеграфного оборудования: Siemens & Halske, AEG, Telefunken, Felten & Guillaume. В 1913 г. инженер компании Telefunken Александр Мейсснер использовал лампу фон Либена для генерирования радиосигналов, и построил на ее основе первый в мире ламповый радиопередатчик, способный передавать как телефонные, так и телеграфные сигналы. Ламповый генератор Мейсснера содержал ламповый триод и колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора.
Преимуществом ламповых радиостанций и приемников по отношению к другим радиоустройствам являлась более высокая стабильность генерации и приема сигнала. Они были просты в изготовлении и эксплуатации, имели небольшой вес, легко перестраивались с волны на волну и обеспечивали высококачественную передачу речи и музыки, а в дальнейшем изображения. Электронная лампа становится материальной основой или элементной базой первой «электронной революции».
Конструкцию триода в 1915 г. усовершенствовал сотрудник исследовательской лаборатории компании Siemens and Halske Вальтер Шоттки. Он обнаружил зависимость термоэлектронной эмиссии от внешнего электрического поля и предложил для ослабления этого эффекта устанавливать вблизи катода экранную сетку. Запатентованная им в 1915 г. радиолампа была названа «тетродом», по числу электродов («тетра» по-гречески «четыре»). Научные открытия Шоттки в области физики твердого тела и электроники привели к изобретению множества устройств, носящих в настоящее время его имя.
Первые радиолампы имели слабый коэффициент усиления. Радиосигналы в эфире часто перекрывались один другим и мешали друг другу. Необходимы были дополнительные изыскания, чтобы превратить триод в настоящий усилитель. Этим новым устройством стала регенеративная схема (англ. pulse regenerating circuit), запатентованная в 1914-1916 гг. Ли де Форестом и Эдвином Армстронгом (Edwin Armstrong). Принцип изобретения состоял в том, что сигнал, полученный с выхода приемно-усилительной лампы, подавался обратно на вход. Затем в радиоприемниках появились усилители высокой и низкой частоты.
В 1915 г. ученый и инженер Ирвинг Ленгмюр (Irving Langmuir) из исследовательской лаборатории General Electric Company (GE) изобрел парортутный вакуумный насос, в 100 раз более мощный, чем любой, ранее существовавший. Это дало ему возможность сконструировать первый полноценный вакуумный триод (в патенте изобретателя прибор назывался «плиотрон») и, таким образом, положить начало развитию вакуумной электроники. Электрические токи в вакууме нашли широчайшую область применения. Это – все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры и СВЧ-генераторы. И везде, где производятся электровакуумные приборы, применяются насосы ленгмюровского типа.
В 1932 г. Ленгмюр удостоился Нобелевской премии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений», одним из которых являлось описание им в 1916 г. термоэлектронной эмиссии вольфрамовой нити накала, покрытой слоем оксида тория. В последующие годы вакуумные радиолампы с вольфрамовым торированным катодом и цепями накала, питающимися переменным током, во всем мире были признаны наилучшими по своей надежности и экономичности.
Большинство приемно-усилительных радиоламп, применявшихся в массовых радиоустройствах (радиоприемники и телевизоры) в 1930-1950-е годы, представляли собой полые стеклянные баллоны диаметром 2-3 см и длиной около 6 см и имели стандартный электрический разъём – октальный цоколь. Их изготовление осуществлялось по так называемой «гребешковой технологии». Собранная арматура лампы (гибкие выводы и несущие траверсы) заваривалась в специальную стеклянную ножку. Ножка вваривалась в стеклянный баллон, а из «юбки» баллона формовался плоский «гребешок», в который вторично заваривались длинные гибкие выводы от электродов. Затем эти выводы приваривались к штырькам разъёма.
Предназначение радиолампы – создание потока электронов, перемещающихся от разогретого катода к аноду, и управление этим потоком. Чтобы на своем пути электроны не сталкивались с молекулами воздуха, в баллоне лампы создавали высокий вакуум. Воздух из лампы откачивали насосом, и давление понижалось до одной тысячной миллиметра ртутного столба. Часть молекул воздуха оставалась и, чтобы их удалить, перед созданием вакуума в баллоне лампы на никелевой пластине помещали вещество, активно поглощающее газы. Понизив давление внутри лампы, её запаивали и размещали возле высокочастотной катушки. От этого в веществе, поглощающем газы, наводились токи, которые раскаляли его, и оно испарялось. Вот эти-то пары, поглотив газы, оседали на внутренних стенках баллона лампы, отчего часть стекла становилась непрозрачна.
После окончания I мировой войны радиотехника выделяется в самостоятельную инженерно-техническую дисциплину, предмет исследования которой – колебательные и связанные контуры, фильтрующие цепи, усилители низкой, промежуточной и высокой частоты, модуляторы, детекторы, мультивибраторы, генераторы, ограничители, линии задержки и т. д. Небольшие заводские лаборатории GE, AT&T и других ведущих американских электротехнических компаний превращаются в крупные научно-исследовательские центры с многотысячными коллективами ученых, инженеров, техников и вспомогательного персонала. В 1907 г., когда де Форест обратился за патентом на триод, персонал лаборатории GE в Скенектеди (штат Нью-Йорк) насчитывал 40 ученых и инженеров и 55 технических работников. В 1918 г. персонал лаборатории GE состоял из 3 тыс. человек.
Прогресс в использовании радиоприемных устройств дал возможность в 1920 г. открыть первую радиовещательную станцию в США (г. Питсбург). В 1921 г. заработала первая радиовещательная станция во Франции. С помощью передатчика мощностью 5 кВт, установленного на Эйфелевой башне, на волне 2600 м передавались новости, сообщения о погоде и сигналы точного времени. В 1922 г. была создана Британская Вещательная Компания (British Broadcasting Company – BBC). В 1923 г. вступила в эксплуатацию московская радиостанция имени Коминтерна с передатчиком мощностью 12 кВт. Станция работала на волне 3000 м., и была рассчитана на прием ее вещания «революционным пролетариатом европейских стран». В Японии регулярное радиовещание и производство бытовых детекторных радиоприемников (самая популярная модель – “Sharp Dyne”) начинается в 1925 г.
