أوديون

الأوديون هو أنبوب مفرغ إلكتروني للكشف أو التضخيم ^{[ 1 ]} اخترعه المهندس الكهربائي الأمريكي لي دي فورست كصمام ثنائي في عام 1906. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} بعد تطويره، حصل على براءة اختراع كأول صمام ثلاثي في ​​عام 1908، ^{[ 1 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} ويتكون من أنبوب زجاجي مفرغ يحتوي على ثلاثة أقطاب كهربائية : سلك مسخن (الكاثود، مصنوع من التنتالوم )، وشبكة ، ولوحة ( الأنود). ^{[ 4 ]} تكمن أهميته في تاريخ التكنولوجيا لكونه أول جهاز إلكتروني واسع الانتشار قادر على التضخيم . ^{[ 4 ]} إذ يمكن لإشارة منخفضة الطاقة عند الشبكة التحكم في طاقة أكبر بكثير في دائرة اللوحة.

احتوت أنابيب أوديون على كمية أكبر من الغاز المتبقي مقارنةً بالأنابيب المفرغة اللاحقة؛ وقد حدّ هذا الغاز المتبقي من النطاق الديناميكي ، مما أكسبها خصائص غير خطية وأداءً غير منتظم. ^{[ 1 ] [ 8 ]} طُوّرت في الأصل ككاشف لجهاز استقبال الراديو ^{[ 3 ]} بإضافة قطب شبكي إلى صمام فليمنج ، ولم تُستخدم إلا نادرًا حتى اكتشف العديد من الباحثين قدرتها على التضخيم حوالي عام 1912، ^{[ 8 ] [ 10 ]} حيث استخدموها لبناء أول أجهزة استقبال راديو مُضخّمة ومذبذبات إلكترونية . ^{[ 9 ] [ 11 ]} حفّزت التطبيقات العملية العديدة للتضخيم على تطويرها السريع، وحلّت محلّ أنابيب أوديون الأصلية في غضون سنوات قليلة نسخ مُحسّنة ذات مستوى فراغ أعلى. ^{[ 8 ] [ 10 ]}

كان معروفًا منذ منتصف القرن التاسع عشر أن لهب الغاز موصل للكهرباء ، وقد لاحظ رواد التجارب اللاسلكية الأوائل أن هذه الموصلية تتأثر بوجود موجات الراديو . اكتشف دي فورست أن الغاز في فراغ جزئي مُسخّن بفتيل مصباح تقليدي يتصرف بطريقة مشابهة، وأنه إذا لُفّ سلك حول الغلاف الزجاجي، يمكن للجهاز أن يعمل ككاشف لإشارات الراديو. في تصميمه الأصلي، وُضعت صفيحة معدنية صغيرة داخل غلاف المصباح، ووُصلت هذه الصفيحة بالقطب الموجب لبطارية 22 فولت عبر سماعات رأس، بينما وُصل القطب السالب بأحد طرفي فتيل المصباح. عند تطبيق إشارات لاسلكية على السلك الملفوف حول الجزء الخارجي من الزجاج، تسببت هذه الإشارات في اضطرابات في التيار، مما أدى إلى ظهور أصوات في سماعات الرأس.

كان هذا تطورًا هامًا نظرًا لحماية براءات الاختراع القوية لأنظمة الاتصالات اللاسلكية التجارية القائمة ؛ إذ سمح نوع جديد من أجهزة الكشف لدي فورست بتسويق نظامه الخاص. واكتشف لاحقًا أن توصيل دائرة الهوائي بقطب كهربائي ثالث موضوع مباشرة في مسار التيار الفضائي يحسن الحساسية بشكل كبير؛ في النسخ الأولى، كان هذا القطب عبارة عن سلك مثني على شكل شبكة حديدية (ومن هنا جاءت تسمية الشبكة ).

وفّر جهاز أوديون تضخيمًا للطاقة؛ أما مع أجهزة الكشف الأخرى، فكان لا بد من أن تأتي الطاقة اللازمة لتشغيل سماعات الرأس من دائرة الهوائي نفسها. ونتيجة لذلك، كان من الممكن سماع الإشارات الضعيفة من مسافات أبعد.

براءات الاختراع والنزاعات

قلّل دي فورست، وغيره في ذلك الوقت، من شأن إمكانيات جهاز أوديون الشبكي، متوهمين أنه سيقتصر على التطبيقات العسكرية في الغالب. ومن اللافت للنظر أن دي فورست لم يدرك على ما يبدو إمكانية استخدامه كمضخم لمكررات الهاتف عند تقديمه طلب براءة الاختراع، رغم أنه كان قد حصل سابقًا على براءات اختراع لأجهزة تضخيم، وأن مكبرات الصوت الكهروميكانيكية البدائية كانت تُشكّل عائقًا أمام صناعة الهاتف لعقدين على الأقل. (ومن المفارقات، أنه في سنوات النزاعات على براءات الاختراع التي سبقت الحرب العالمية الأولى، لم يكن سوى هذه "الثغرة" هي التي سمحت بتصنيع الصمامات الثلاثية الفراغية، إذ لم تذكر براءة اختراع دي فورست لجهاز أوديون الشبكي هذا التطبيق).

(يسار) النموذج الأولي الأول لأنبوب أوديون، مزودًا بشبكة (أسلاك متعرجة) بين الفتيل والصفيحة. ^{[ 12 ]} (يمين) تصميم لاحق لأنبوب أوديون. تتكون الشبكة والصفيحة من جزأين على جانبي الفتيل المركزي. في كلا الأنبوبين، يكون الفتيل محترقًا.

حصل دي فورست على براءة اختراع لنسخته المبكرة من صمام أوديون ثنائي الأقطاب في 13 نوفمبر 1906 ( براءة الاختراع الأمريكية رقم 841,386 )، وحصل على براءة اختراع للنسخة ثلاثية الأقطاب (الثلاثية) في عام 1908 ( براءة الاختراع الأمريكية رقم 879,532 ). استمر دي فورست في الادعاء بأنه طور صمام أوديون بشكل مستقل عن أبحاث جون أمبروز فليمنج السابقة حول الصمام الحراري (والتي حصل فليمنج بموجبها على براءة اختراع بريطانية رقم 24850 وبراءة اختراع أمريكية رقم 803,684 )، وتورط دي فورست في العديد من النزاعات المتعلقة ببراءات الاختراع في مجال الراديو. اشتهر دي فورست بقوله: "لم أكن أعرف لماذا يعمل، لقد كان يعمل فحسب".

كان يشير دائمًا إلى الصمامات الثلاثية المفرغة التي طورها باحثون آخرون باسم "أوسيلوديون"، على الرغم من عدم وجود دليل على مساهمته الفعّالة في تطويرها. صحيح أنه بعد اختراع الصمام الثلاثي المفرغ الحقيقي عام ١٩١٣ (انظر أدناه)، استمر دي فورست في تصنيع أنواع مختلفة من أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكي (أمثلة منها موضحة في هذه الصفحة). ومع ذلك، فرغم أنه كان يصف هذه الأجهزة باستمرار بأنها تستخدم "أوسيلوديون"، إلا أنها في الواقع كانت تستخدم صمامات ثلاثية مفرغة عالية، باستخدام دوائر كهربائية مشابهة جدًا لتلك التي طورها مجرّبون آخرون.

في عام ١٩١٤، تعاون إدوين هوارد أرمسترونغ، طالب جامعة كولومبيا ، مع البروفيسور جون هارولد موركروفت لتوثيق المبادئ الكهربائية لجهاز أوديون. ونشر أرمسترونغ شرحه لجهاز أوديون في مجلة " العالم الكهربائي" في ديسمبر ١٩١٤، مرفقًا بمخططات الدوائر ورسومات راسم الذبذبات . ^{[ ١٣ ]} وفي مارس وأبريل ١٩١٥، ألقى أرمسترونغ محاضرتين أمام معهد مهندسي الراديو في نيويورك وبوسطن على التوالي، حيث قدم بحثه بعنوان "بعض التطورات الحديثة في مستقبل أوديون"، والذي نُشر في سبتمبر. ^{[ ١١ ]} وأُعيد نشر البحثين معًا في دوريات أخرى مثل " حوليات أكاديمية نيويورك للعلوم" . ^{[ ١٣ ]} وعندما تقابل أرمسترونغ ودي فورست لاحقًا في نزاع حول براءة اختراع التجديد ، تمكن أرمسترونغ من إثبات بشكل قاطع أن دي فورست ما زال يجهل آلية عمله. ^{[ ٨ ] [ ١٤ ]}

تكمن المشكلة في أن براءات اختراع دي فورست الأصلية (ربما لتمييز اختراعه عن صمام فليمنج) نصت على أن وجود غاز منخفض الضغط داخل صمام أوديون ضروري لتشغيله (أوديون اختصار لـ "أوديو-أيون")، وفي الواقع، عانت صمامات أوديون الأولى من مشاكل خطيرة في الموثوقية بسبب امتصاص هذا الغاز بواسطة الأقطاب المعدنية. كانت صمامات أوديون تعمل أحيانًا بكفاءة عالية جدًا، وفي أحيان أخرى بالكاد تعمل على الإطلاق.

إلى جانب دي فورست نفسه، سعى العديد من الباحثين إلى إيجاد طرق لتحسين موثوقية الجهاز من خلال تثبيت الفراغ الجزئي. وقد أجرى إيرفينغ لانغمير جزءًا كبيرًا من الأبحاث التي أدت إلى تطوير أنابيب التفريغ الحقيقية في مختبرات أبحاث جنرال إلكتريك (GE).

كينوترون وبليوترون

لطالما شكّ لانغمير في أن بعض القيود المفترضة على أداء الأجهزة الكهربائية المختلفة التي تعمل تحت ضغط منخفض أو في الفراغ، قد لا تكون قيودًا فيزيائية جوهرية على الإطلاق، بل ناتجة ببساطة عن التلوث والشوائب في عملية التصنيع. وكان أول نجاح له هو إثبات أنه، خلافًا لما أكده إديسون وغيره لفترة طويلة، يمكن للمصابيح المتوهجة أن تعمل بكفاءة أكبر وعمر أطول إذا مُلئ غلافها الزجاجي بغاز خامل منخفض الضغط بدلًا من الفراغ التام. لكن هذا لم ينجح إلا إذا تم تنقية الغاز المستخدم بدقة متناهية من جميع آثار الأكسجين وبخار الماء. ثم طبق نفس النهج لإنتاج مقوم لأنابيب الأشعة السينية "كوليدج" المطورة حديثًا. ومرة ​​أخرى، وخلافًا لما كان يُعتقد على نطاق واسع أنه ممكن، وبفضل النظافة الدقيقة والاهتمام بالتفاصيل، تمكن من إنتاج نسخ من صمام فليمنج الثنائي قادرة على تقويم مئات الآلاف من الفولتات. سُميت مقوماته "كينوترون"، وهي كلمة مشتقة من الكلمتين اليونانيتين " كينو " (فارغ، لا يحتوي على شيء، كما في الفراغ) و "ترون" (جهاز، أداة).

ثم وجه انتباهه إلى أنبوب أوديون، معتقداً مرة أخرى أن سلوكه غير المتوقع سيئ السمعة يمكن ترويضه بمزيد من العناية في عملية التصنيع.

لكنه اتبع نهجاً غير تقليدي إلى حد ما. فبدلاً من محاولة تثبيت الفراغ الجزئي، تساءل عما إذا كان من الممكن جعل جهاز أوديون يعمل مع الفراغ الكامل لجهاز كينوترون، لأن ذلك كان أسهل نوعاً ما في تثبيته.

سرعان ما أدرك أن جهازه "الفراغي" أوديون يتميز بخصائص مختلفة تمامًا عن نسخة دي فورست، وأنه في الواقع جهاز مختلف تمامًا، قادر على التضخيم الخطي وبترددات أعلى بكثير. ولتمييز جهازه عن أوديون، أطلق عليه اسم "بليوترون"، من الكلمة اليونانية بليو (أكثر أو إضافي، بمعنى كسب ، إشارة خرج أكبر من إشارة دخل).

باختصار، كان يُشير إلى جميع تصميماته لأنابيب التفريغ باسم "كينوترون"، وكان "بليوترون" نوعًا متخصصًا من "كينوترون". مع ذلك، ولأن "بليوترون" و"كينوترون" علامتان تجاريتان مسجلتان، فقد مال الكتّاب التقنيون إلى استخدام مصطلح "أنبوب التفريغ" الأكثر عمومية. وبحلول منتصف عشرينيات القرن العشرين، أصبح مصطلح "كينوترون" يُشير حصريًا إلى مقومات أنابيب التفريغ، بينما هُجر مصطلح "بليوترون". ومن المفارقات، أن العلامتين التجاريتين المتشابهتين في النطق "راديوترون" و"كين-راد" استمرتا في الاستخدام الشائع لفترة أطول من الأسماء الأصلية.

استمرت شركة دي فورست في تصنيع وتوريد صمامات أوديون للبحرية الأمريكية حتى أوائل عشرينيات القرن الماضي، وذلك لصيانة المعدات الموجودة، ولكن في أماكن أخرى، كانت تُعتبر قديمة الطراز تمامًا بحلول ذلك الوقت. وكان الصمام الثلاثي الفراغي هو الذي جعل البث الإذاعي العملي حقيقة واقعة.

قبل ظهور جهاز أوديون، كانت أجهزة استقبال الراديو تستخدم أنواعًا مختلفة من الكواشف، بما في ذلك الكواشف المتماسكة ، والكواشف الشريطية ، والكواشف البلورية . وكان الكاشف البلوري الأكثر شيوعًا عبارة عن قطعة صغيرة من بلورة الغالينا تُفحص بواسطة سلك رفيع يُعرف باسم " كاشف شعيرات القط ". كانت هذه الكواشف غير موثوقة، وتتطلب تعديلًا متكررًا لشعيرات القط، كما أنها لا توفر أي تضخيم للإشارة. عادةً ما كانت هذه الأنظمة تتطلب من المستخدم الاستماع إلى الإشارة عبر سماعات الرأس، وأحيانًا بصوت منخفض جدًا، لأن الطاقة الوحيدة المتاحة لتشغيل سماعات الرأس كانت تلك التي يلتقطها الهوائي. للاتصالات بعيدة المدى، كانت هناك حاجة عادةً إلى هوائيات ضخمة، وكان لا بد من تزويد جهاز الإرسال بكميات هائلة من الطاقة الكهربائية.

شكّل جهاز أوديون تحسينًا ملحوظًا على هذا الجهاز، إلا أن الأجهزة الأصلية لم تكن قادرة على تضخيم الإشارة الناتجة عن عملية الكشف. أما الصمامات الثلاثية الفراغية اللاحقة، فقد سمحت بتضخيم الإشارة إلى أي مستوى مطلوب، وذلك عادةً عن طريق تغذية خرج أحد الصمامات الثلاثية المُضخّمة إلى شبكة الصمام الثلاثي التالي، مما يوفر في النهاية طاقة كافية لتشغيل مكبر صوت كامل الحجم. إضافةً إلى ذلك، فقد كانت هذه الصمامات قادرة على تضخيم إشارات الراديو الواردة قبل عملية الكشف، مما جعلها تعمل بكفاءة أعلى بكثير.

كما يمكن استخدام الصمامات المفرغة لصنع أجهزة إرسال لاسلكية فائقة الجودة . وقد أحدث الجمع بين أجهزة الإرسال الأكثر كفاءة وأجهزة الاستقبال الأكثر حساسية ثورة في الاتصالات اللاسلكية خلال الحرب العالمية الأولى .

بحلول أواخر عشرينيات القرن العشرين، بدأت أجهزة الراديو الأنبوبية هذه تصبح جزءًا أساسيًا من معظم منازل العالم الغربي ، وظلت كذلك حتى بعد فترة طويلة من ظهور أجهزة الراديو الترانزستورية في منتصف خمسينيات القرن العشرين.

في الإلكترونيات الحديثة ، حلت أجهزة الحالة الصلبة ، مثل الترانزستور الذي اخترع عام 1947 وطُبِّق في الدوائر المتكاملة عام 1959، محل الصمامات المفرغة إلى حد كبير ، على الرغم من أن الصمامات المفرغة لا تزال تُستخدم حتى يومنا هذا في تطبيقات مثل أجهزة الإرسال عالية الطاقة، ومضخمات صوت الجيتار، وبعض أجهزة الصوت عالية الدقة. صور توضيحية للتطبيقات

• 
  أول جهاز إرسال راديو Audion AM ، الذي بناه لي دي فورست وأُعلن عنه في أبريل 1914
• 
  بعض من أقدم أجهزة إرسال راديو Audion AM ، التي بناها دي فورست حوالي عام 1916. وقد جعل اختراع مذبذب Audion في عام 1912 إرسال الصوت عبر الراديو غير المكلف ممكنًا، وكان مسؤولاً عن ظهور البث الإذاعي حوالي عام 1920.
• 
  إعلان أوديون، مجلة التجارب الكهربائية ، 1916

• شركة الراديو ضد مختبرات هندسة الراديو ، 293 الولايات المتحدة 1 (المحكمة العليا للولايات المتحدة 1934).
• هونغ، سونغوك (2001)، اللاسلكي: من الصندوق الأسود لماركوني إلى أوديون ، مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، رقم ISBN 9780262082983
• من أين تأتي الأفكار الجيدة ، الفصل الخامس، ستيفن جونسون، كتب ريفرهيد، (2011).

• صورة فوتوغرافية لأنبوب أوديون الأصلي تعود لعام 1906، من معرض الصور الرقمية لمكتبة نيويورك العامة
• لويس، توم (1991). "تاريخ الهاتف - إمبراطورية الأثير: الرجال الذين صنعوا الراديو" . Privateline.com . مؤرشف من الأصل في 11 مايو 2014.
• http://www.britannica.com/EBchecked/topic/1262240/radio-technology/25131/The-Fleming-diode-and-De-Forest-Audion
• لانغمير، إيرفينغ (سبتمبر 1997) [1915]، "تفريغ الإلكترون النقي وتطبيقاته في التلغراف اللاسلكي والهاتف" (ملف PDF) ، وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ، 85 (9): 1496-1508 ، doi : 10.1109/jproc.1997.628726 ، S2CID 47501618 ، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 24 سبتمبر 2015 إعادة طبع لمقال لانغمير، إيرفينغ (سبتمبر 1915)، "تفريغ الإلكترون النقي وتطبيقاته في التلغراف اللاسلكي والهاتف" ، وقائع معهد مهندسي الراديو ، 3 (3): 261-293 ، doi : 10.1109/jrproc.1915.216680(يتضمن تعليقات من دي فورست.)
• أوديون: جهاز استقبال جديد للتلغراف اللاسلكي ، لي دي فورست، ملحق ساينتفك أمريكان رقم 1665، 30 نوفمبر 1907، الصفحات 348-350، ملحق ساينتفك أمريكان رقم 1666، 7 ديسمبر 1907، الصفحات 354-356.
• بيانو أوديون للي دي فورست في "120 عامًا من الموسيقى الإلكترونية"
• https://books.google.com/books?id=YEASAAAAIAAJ&pg=PA166 مناظرة دي فورست وأرمسترونغ
• كول، أ.ب. (مارس 1916). "إرشادات عملية حول الأوديون" . مجلة العلوم الكمية : 41-44 . يختلف مصباح مكبر الأوديون تمامًا عن مصباح كاشف الأوديون من حيث التركيب والفراغ. [صفحة 43]

  وجاء في الصفحة 43 أيضًا ما يلي:

  مصابيح كاشف أوديون العادية غير مناسبة لاستقبال الموجات المستمرة، لأن الفراغ ليس صحيحًا لهذا الغرض ولأن الفتائل يجب تشغيلها بكثافة عالية جدًا مما يجعلها قصيرة العمر، مما يجعلها باهظة الثمن بلا داع.

  وجاء في الصفحة 44 أيضًا:

  توهج أزرق

  يظهر هذا في بعض مصابيح أوديون دون غيرها. إذا استمر، سيزداد الفراغ تلقائيًا. لهذا السبب، يجب منع ظهور هذا التوهج، وبالتأكيد عدم السماح له بالاستمرار، لأن الفراغ قد يرتفع إلى قيمة عالية جدًا، مما يتطلب جهدًا عاليًا جدًا في البطارية "ب".