Ли де Форест (26.08.1873 - 30.06.1961)

Посвящается поклонникам «тёплого лампового звука»

Ли де Форест (26 августа 1873 года — 30 июня 1961 года) был американским инженером и изобретателем, родоначальником радиоэлектроники и пионером звукозаписи на киноплёнке. У него было более 180 патентов. Он участвовал в нескольких крупных судебных процессах по патентам, потратил значительную часть своего дохода на законные счета и даже был осуждён и оправдан за мошенничество с использованием почты. Его самым известным изобретением в 1906 году была трёхэлектродная вакуумная лампа Audion (триод), первое в мире практическое усилительное устройство. Хотя у Де Фореста было весьма приблизительное понимание того, как он работает, это было фундаментальное изобретение в области электроники, которое сделало возможным радиовещание, междугородние телефонные линии и звуковое кино, а также компьютеры.

Ли де Форест родился в 1873 году в Каунсил-Блафс, штат Айова, в семье Анны Маргарет (урожденной Роббинс) и Генри Свифта Де Фореста. Он был прямым потомком Джесси де Фореста, лидера группы валлонских гугенотов, которые бежали из Европы в XVII веке из-за религиозных преследований.

Отец Де Фореста был священником-конгрегационалистом, который надеялся, что его сын тоже станет пастором. В 1879 году старейшина де Форест стал президентом Талладегского колледжа Американской миссионерской ассоциации в Талладеге, штат Алабама, школы, «открытой для всех полов, независимо от секты, расы или цвета кожи», в которой обучались в основном афроамериканцы. Многие местные белые граждане возмущались школой и её миссией, и Ли провел большую часть своей юности в Талладеге, изолированном от белой общины, с несколькими близкими друзьями среди чернокожих детей города.

Де Форест подготовился к поступлению в колледж, посещал школу Маунт-Хермон для мальчиков, штат Массачусетс, в течение двух лет, начиная с 1891 года. В 1893 году он поступил на трёхлетний курс обучения в Шеффилдскую научную школу Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Он получал стипендию в 300 долларов в год, которая была установлена для родственников Дэвида де Фореста. Убеждённый в том, что ему суждено стать известным и богатым изобретателем, и ему постоянно не хватает средств, он стремился заинтересовать компании серией созданных им устройств и головоломок и представил эссе на призовых конкурсах, причём все с небольшим успехом.

После завершения в сентябре 1896 года обучения в университете де Форест три года учился в аспирантуре. Его электрические эксперименты имели тенденцию вызывать взрывы, которые приводили к отключению электричества во всём здании. Даже после того как его предупредили, чтобы он был более осторожным, ему удалось отключить свет во время важной лекции профессора Чарльза Гастингса, который ответил тем, что де Форест был исключён из Шеффилда.

Всё же ему удалось окончить обучение в 1896 году, и он получил степень бакалавра, а позже, в 1899 году, степень доктора философии. Его научным руководителем был Джозайя Уиллард Гиббс.

До изобретения лампы Audion радиоаппаратура, которой пользовались Оливер Лодж, Гульельмо Маркони и Александр Попов, отличалась весьма низкой чувствительностью и была способна принимать только импульсные сигналы кода Морзе. Передатчик представлял собой катушку Румкорфа, источник постоянного тока и телеграфный ключ, соединённые в электрическую цепь. К высоковольтным выводам катушки присоединялись провода антенны и заземления (или противовес). Устройством, воспринимавшим высокочастотные сигналы, являлся когерер (трубка Бранли), а индикация точек и тире производилась электрическим звонком или зуммером. Введение в электрическую схему приёмника радиоламп позволяло резко повысить дальность приёма радиосигналов и также принимать не только код Морзе, но и голосовые передачи. В этом случае вместо звонка использовались высокоомные головные телефоны (наушники). 12 января 1910 года состоялась экспериментальная радиопередача — трансляция отрывков оперы «Тоска» с использованием аппаратуры де Фореста. В дальнейшем Ли де Форест для коммерциализации своего изобретения стал транслировать по радио рекламу, биржевые сводки и результаты выборов.

Создание Audion позволило теперь без труда конструировать усилители, генераторы незатухающих токов высокой частоты, аналоговые сумматоры, электронные коммутаторы, стабилизаторы тока и многое другое.

Первоначально Audion имел массу недостатков. Из-за несовершенства вакуумной техники в то время, внутри радиолампы было ещё очень много молекул газов. При работе прибора они ионизировались и служили побочными носителями зарядов. Это придавало вольт-амперной характеристике лампы существенную нелинейность и добавляло искажений в выходной сигнал. Кроме того, быстро изнашивались электроды лампы, в первую очередь катод. Сам де Форест искренне заблуждался и считал ионную проводимость в триоде основной, а электронную побочной.

В радиолампе эффект усиления получается благодаря тому, что слабый электрический сигнал управляет протекающим через лампу током, то есть движением зарядов, а этот ток может развивать значительную мощность за счёт энергии внешней батареи или другого источника постоянного тока. Основные физические процессы в лампе происходят в вакууме — в стальном, керамическом или стеклянном баллоне, из которого тщательно откачан воздух. В вакууме свободных носителей зарядов нет, и вакуум является очень хорошим изолятором. Для того чтобы носители зарядов появились, внутрь колбы лампы вводится первый электрод — катод. Катод нагревается постоянным или переменным током до высокой температуры 800-2500 градусов Цельсия. Для этого катод изготавливается в виде спирали из проволоки тугоплавкого металла, например вольфрама с двумя электрическими выводами. При нагревании катода вокруг него образуется облако электронов, которые уходят с поверхности металла. Это явление называют термоэлектронной эмиссией. Так устроена лампа Эдисона. У неё только один электрод — катод. Далее. Вводим в лампу второй электрод — анод. Если катод находится под положительным потенциалом, а анод — под отрицательным, то ток через лампу не идёт, так как электроны (отрицательные заряды) отталкиваются от анода (отрицательный заряд) и возвращаются обратно на катод (положительный заряд). А если катод заряжен отрицательно, а анод положительно — ток идёт. Таким образом, двухэлектродная радиолампа (диод) может работать как выпрямитель мощного переменного тока (кенотрон), так и как детектор высокочастотного сигнала в радиоприёмнике. Кенотрон изобрёл сэр Джон Амброз Флеминг в 1904 году. Если между анодом и катодом поместить ещё один электрод — сетку, то получится лампа с тремя электродами — триод.

Значение третьего электрода в лампе очень велико. Подавая слабый сигнал в цепь сетки триода, мы получаем точно такой же сигнал, но с большей амплитудой в цепи анода лампы. Таким образом, триод производит увеличенную копию слабого электрического сигнала. Форма сигнала при этом не имеет значения. Сигнал может быть синусоидальным, импульсным, треугольным, прямоугольным, трапециевидным. Ли де Форест изобрёл вакуумный триод в 1906 году и назвал его «аудион», а в следующем году получил патент на изобретение лампового радиоприёмника прямого усиления. Де Форест подал ещё одну заявку в 1916 году на изобретение регенеративного радиоприёмника с положительной обратной связью, что стало причиной продолжительной судебной тяжбы с другим американским изобретателем Эдвином Армстронгом, подавшем заявку двумя годами ранее.

Оптическая запись звука по методу Ли де Фореста «Фонофильм» была запатентована в 1919-1920 годах. Это была одна из первых в мире попыток производства звукового кино. Качество такой звукозаписи оставляло желать лучшего.

Запись звука происходила следующим образом. Сигнал от микрофона поступал на вход усилителя низкой частоты. Усилитель был выполнен на лампах Audion. Нагрузкой усилителя была небольшая лампа накаливания. Яркость свечения лампы соответствовала амплитуде звукового сигнала, а скважность световых импульсов кодировала частоту звука. Оптическая фонограмма записывается непосредственно на плёнку в виде параллельных линий переменной черноты (оптической плотности). Световой поток при помощи отражателя и набора линз направлялся на движущуюся киноплёнку и оставлял на ней звуковую дорожку. Синхронно с фотозаписью звука на киноплёнку экспонировались кинокадры. Таким образом, после экспонирования и химической обработки получался кинофильм с оптической звуковой дорожкой. Она располагалась между кадрами фильма и перфорацией. Перфорация в киноплёнке необходима для прерывистого движения последней в фильмовом канале. Киноплёнка имела ширину 35 мм.

Устройство для считывания фонограммы устанавливалось не позади, а впереди кадрового окна кинопроекционного аппарата. Из-за того что в кадровом окне кинопроекционного аппарата киноплёнка движется прерывисто, считывание и воспроизведение звука сопровождалось большими нелинейными детонационными искажениями. Считывание фонограммы происходило при помощи фоточувствительного резистора.

Из-за инерционности нити накаливания лампы верхняя граница звукового диапазона при записи получалась всего 200-400 герц. Для сравнения — звуковой диапазон механической граммофонной записи составляет от 150 до 4000 герц. К тому же «Фонофильм» был привязан к стандартной скорости проекции немого кино 16 кадров в секунду. Поэтому после появления более совершенных систем записи звука изобретение Ли де Фореста быстро утратило актуальность.

В 1922 году де Форест получил Медаль почёта IRE за «изобретение трёхэлектродной лампы и признание его большого вклада в радио». В 1946 году он получил Медаль Эдисона Американского института инженеров по электротехнике «За большие технические и социальные достижения, связанные с изобретением электронной лампы с управляющей сеткой».

Ли де Форест получил премию Академии Киноискусства (Оскар) в 1960 г. за «свои новаторские изобретения, которые привнесли звук в движущиеся изображения», а также звезду на голливудской Аллее славы.

Ли де Форест был приглашён 22 мая 1957 года на телевизионного шоу «Это твоя жизнь», где был представлен как «отец радио и дедушка телевидения». Он перенёс тяжёлый сердечный приступ в 1958 году, после чего оставался почти полностью прикованным к постели. Он умер в Голливуде 30 июня 1961 года в возрасте 87 лет и был похоронен на кладбище Миссии Сан Фернандо в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. Де Форест умер относительно бедным, имея только 1250 долларов на своем счёте в банке.

Есть теория, что в случае войны с применением ядерного оружия вся радиоаппаратура и компьютеры на полупроводниках, не имеющие стальных экранов, выйдут из строя под воздействием электромагнитного импульса. Но это не относится к радиоаппаратуре на лампах.

Список использованной литературы:

1. Lee de Forest
2. Audion
3. Phonofilm
4. Сворень Рудольф Анатольевич. Шаг за шагом. От детекторного приёмника до супергетеродина. Государственное издательство детской литературы. М. 1963