Memorie elettrostatiche a tubo a raggi catodici (CRT) - Electrostatic Storage Tubes

n questa pagina sono visibili alcuni particolari tipi di tubi a raggi catodici, comunemente abbreviati CRT (dall'inglese Cathode Ray Tubes), utilizzati per la memorizzazione di segnali analogici o digitali (o entrambi) sotto forma di cariche elettriche "depositate" su un'apposita superficie. Questo tipo di memorie è noto come "memorie elettrostatiche" (electrostatic storage) ed è stato una tra le primissime forme di memoria impiegate, a partire dalla fine degli anni Quaranta, nei calcolatori elettronici ed in altre applicazioni. Come già detto in questa pagina del sito, capostipite delle memorie elettrostatiche fu il cosiddetto "tubo di Williams - Kilburn" impiegato, ad esempio, nel calcolatore Ferranti Mark I. Seguirono componenti più raffinati e specializzati - ricordiamo infatti che i tubi di Williams - Kilburn altro non erano se non comuni CRT per oscilloscopio adattati alla memorizzazione di dati binari - tra cui spicca il Radechon (6499) della RCA. Dal progetto di quest'ultimo derivò una serie di tubi di memoria, tutti riconducibili al medesimo concetto di base, fabbricati da più produttori diversi (Raytheon, Fairchild-Dumont) sia negli Stati Uniti che nei Paesi del cosiddetto "blocco sovietico". Abbandonata l'applicazione nei calcolatori elettronici (il Radechon ad esempio venne utilizzato come memoria principale in un solo progetto sperimentale di computer digitale), i tubi di memoria vennero diffusamente utlizzati, per anni, in altre apparecchiature elettroniche ed in particolare negli apparati radar e nei cosiddetti "scan converter", questi ultimi nel campo della televisione. Il principale utilizzo dei tubi di memoria si è avuto, senza dubbio, negli apparati radar MTI. La sigla è acronimo di Moving Target Indication, letteralmente "indicazione dei bersagli in movimento" e fa riferimento alla vasta gamma di soluzioni tecnologiche in grado di presentare, sul display del radar appunto, i soli bersagli (oggetti) in movimento, distinguendoli da tutti gli altri che rimangono al contrario fermi ovvero si muovono ad una velocità inferiore ad un dato valore di soglia. Lo sviluppo dei radar MTI iniziò poco dopo la fine della Seconda Guerra Mondiale e fu stimolato dalla necessità di avere apparati in grado di svolgere efficacemente compiti di sorveglianza aerea ed antimissilistica. Questa esigenza, com'è ovvio, era sentita tanto in Occidente quanto nei Paesi dell'Est ed infatti i due blocchi contrapposti produssero, negli anni Cinquanta e Sessanta, apparecchiature radar abbastanza simili, almeno concettualmente. Per ottenere un display MTI si può sfruttare l'effetto Doppler (come si fa oggi normalmente) oppure operare il confronto, meglio la "sottrazione", tra due tracce radar successive, in maniera tale che rimanga visibile solo la differenza tra le due - rappresentata, appunto, dai bersagli che si sono mossi nell'intervallo di tempo tra prima e seconda traccia. Ciò richiede la temporanea memorizzazione di una traccia radar, che può essere ottenuta mediante una linea di ritardo (delay line) o con altra apparecchiatura, come ad esempio un tubo di memoria. Il funzionamento di base del tubo Radechon, concepito in origine dai Bell Labs (Laboratori Bell) e sviluppato in seguito dalla Westinghouse e dalla RCA del vulcanico presidente David Sarnoff, all'epoca oltremodo attiva nel settore della difesa, venne ripreso in URSS nella serie di tubi LN (o IN, a seconda della traslitterazione dal cirillico ЛН), che sono spesso considerati la "controparte sovietica" del Radechon americano. Il Radechon era un componente dalle molteplici applicazioni: poteva ad esempio essere utilizzato come scan converter, come memoria digitale "pura", come memoria d'immagine o di parti di immagine e così via.

Prima di passare alla descrizione di alcuni esemplari della serie LN, vediamo brevemente come nacque il concetto della memorizzazione elettrostatica. Nel 1946 F. C. Williams, ricercatore presso l'Università di Cambridge, ebbe l'idea di memorizzare una cifra binaria sotto forma di carica elettrostatica "depositata" dal fascio di elettroni sulla superficie (schermo) di un ordinario tubo catodico. Infatti, se si fa "scrivere" al fascio un punto, in quella stessa zona si formerà un piccolo accumulo di carica elettrica, la quale, se non costantemente "rinfrescata" (cioè rigenerata), si disperde nel giro di pochi millisecondi. La presenza di questa carica può essere rilevata mettendo a contatto con lo schermo del tubo una superficie metallica ed amplificando la debolissima corrente che vi si genera allorché la carica stessa viene "rinfrescata". L'idea, in sè molto semplice, richiede alla prova dei fatti lo sviluppo di un'apparecchiatura complessa e delicata, di cui il tubo catodico è solo una piccola parte. Ad esempio, occorre una schermatura molto efficace (e costosa) per evitare che le microscopiche cariche depositate sulla superficie dei CRT si disperdano prima che siano rigenerate. Nonostante ciò i tubi di Williams vennero applicati con successo alla realizzazione di tre dei primi calcolatori elettronici della storia, l'EDSAC, lo SWAC ed il Manchester Mark I nonché, successivamente, all'IBM 701. La RCA realizzò anche un apposito CRT per questo scopo, privo del fosforo sullo schermo, noto con la sigla 6571 (A Symposium on Williams Electrostatic Storage, 1951). Il concetto del tubo di Williams avrebbe dovuto essere impiegato anche nel progetto calcolatore Whirlwind dell'IBM, sotto forma di appositi CRT a doppio cannone elettronico (dual-gun); la scarsa affidabilità di tali tubi, però, unita allo sviluppo delle primissime memorie a nuclei magnetici, fece pendere l'ago della bilancia in favore di queste ultime. La RCA, che intendeva affermarsi nel campo dei calcolatori elettronici, cercò di sviluppare una propria unità di memoria elettrostatica che non violasse le proprietà intellettuali registrate per i tubi di Williams. Nacque così, ad opera dell'ingegnere J. Rajchman, il tubo Selectron, sviluppato in collaborazione con l'Institute for Advanced Studies di Princeton che lo impiegò in un suo calcolatore sperimentale (la cosiddetta "Macchina IAS"). Il Selectron, annunciato nel 1949, è in sostanza un CRT a fascio "indirizzabile" tramite una matrice di placchette di deflessione X-Y. Si trattava di un progetto estremamente ambizioso per l'epoca, soprattutto nella versione da 4 kbit, e di laboriosa realizzazione, dunque dal costo particolarmente elevato. Ecco perché il Selectron non ebbe alcun successo commerciale, restando confinato a poche realizzazioni sperimentali e ad un solo computer di grandi dimensioni, il JOHNNIAC della RAND Corporation - anch'esso in seguito trasformato con una memoria a nuclei magnetici pochi mesi dopo la sua entrata in funzione. Nemmeno la stessa RCA utilizzò il Selectron nel proprio ambizioso progetto di computer, il BIZMAC (1956). Al contrario, il Radechon (le cui caratteristiche sono descritte brevemente in questa pagina) si dimostrò un componente affidabile ed adattabile a diversi utilizzi, sia analogici che digitali. Negli Stati Uniti il Radechon venne impiegato per diversi anni nel sistema integrato di controllo radar ed intercettazione SAGE; in Unione Sovietica i vari tubi ad esso ispirati furono utilizzati principalmente in apparati radar MTI e, secondariamente, in altre applicazioni come unità di memoria per segnali analogici oltreché in due calcolatori elettronici, l'M-1 e l'M-2. L'M-1 è notevole perché è stato il primo calcolatore elettronico sviluppato e prodotto in Unione Sovietica.

Aggiornamento Gennaio 2014

Recentemente ho trovato questa versione PDF: http://www.tubebooks.org/Books/knoll_storage.pdf del libro di Knoll e Kazan, Storage Tubes and Their Basic Principles (John Wiley, 1952). E' uno dei pochi libri d'epoca dedicato ai CRT "a memoria".

Dati del tubo Radechon tratti da catalogo RCA: http://ed-thelen.org/comp-hist/rca6499-.pdf. 

Digital Memory in Barrier-Grid Storage Tubes, articolo del 1955: http://www.alcatel-lucent.com/bstj/vol34-1955/articles/bstj34-6-1241.pdf. 

A non-technical description of the EDSAC: http://www.leo-computers.org.uk/images/How%20EDSAC%20Works.pdf. 

Lo sviluppo e l'impiego di tubi di memoria nei primi calcolatori IBM è descritto in dettaglio nel libro di Pugh et al., IBM's Early Computers, MIT Press 1986, in particolare nella sezione "The Tape Processing Machine". Uno dei pochi libri interamente dedicati alle memorie elettrostatiche ed agli altri impieghi di questo tipo di tubi elettronici è  Storage Tubes and their basic principles di Knoll e Kazan, Wiley (Chapman & Hall) 1952 (vedi).

LN-5 (front) and LN-8 are two USSR-made Radechon-like charge storage tubes, mainly used in radar apparatus and as a scan converters. LN-8, also spelled IN-8, has both electrostatic deflexion and focusing; LN-5 has electromagnetic deflexion and electrostatic focusing. The storage capacity is rougly equivalent to that of the more known Radechon. These tubes were widely diffused in the Eastern Bloc during the 60s and the 70s as a picture storage devices. The majority of LN tubes has been used in military radar facilities for implementing MTI displays.

Coppia di tubi di memoria elettrostatica di fabbricazione sovietica LN-8, in alto, ed LN-5, circa 1970. Entrambi provengono da apparati radar militari (per sorveglianza aerea e per artiglieria). Concettualmente entrambi sono simili all'RCA Radechon; il modello LN-8 in particolare impiega la deflessione elettrostatica anziché quella elettromagnetica, per ridurre la complessità dei circuiti di controllo; nella foto sono visibili le placchette di deflessione orizzontale e verticale. In questo caso è ancora più evidente la somiglianza col Radechon 6499. Il modello LN-5 utilizza al contrario la deflessione elettromagnetica. I tubi di memoria ad immagazzinamento di carica (charge storage tubes) sono anche conosciuti come "potential-scope" o "potentialoscope". La categoria è più variegata di quanto si possa pensare; a questa famiglia di tubi appartengono, ad esempio, anche il Graphecon della RCA (vedi). Durante i primissimi anni di sviluppo dei calcolatori elettronici, anche in Unione Sovietica venne investigato il campo delle memorie elettrostatiche. In particolare, almeno due distinti modelli di calcolatori sviluppati in URSS all'inizio degli anni Cinquanta, l'M-1 e l'M-2, facevano uso di memorie di questo tipo. Come accaduto in America con i tubi di Williams, anche in Unione Sovietica si utilizzarono per la memorizzazione elettrostatica ordinari CRT per oscilloscopi, ad esempio il modello commerciale LO-737. In questo articolo è riportato che il calcolatore BESM, all'epoca il più potente computer digitale esistente fuori dagli Stati Uniti, utilizzava memorie elettrostatiche (potentialoscope), in sostituzione delle originarie linee di ritardo a mercurio (in una delle foto a corredo sono visibili componenti simi a tubi di Williams). L'impiego di memorie elettrostatiche nei primi computer sovietici è ben documentato in Computers in Russia: Science, Education, and Industry, di S.P. Prokhorov, riportato in IEEE Annals, vol. 21 n. 3 - 1999 (vedi). Nell'URSS, come già negli Stati Uniti, le memorie elettrostatiche furono comunque rapidamente rimpiazzate da quelle a nuclei (vedi). Uno dei lavori sovietici fondamentali sulle memorie elettrostatiche ed il loro impiego nei calcolatori elettronici è la tesi di Tamara Alexandridi (1951), Electrostatic Storage Devices. Lo sviluppo dell'M-1 e delle memorie elettrostatiche è narrato nell'articolo Automatic Digital Computer M-1 of the I.S. Brook Laboratory, in Perspectives on Soviet and Russian Computing - First IFIP WG 9.7 Conference, a cura di J. Impagliazzo, Springer Verlag (disponibile su Google Books). Non è facile stabilire se ed in quali calcolatori siano stati impiegati come memorie tubi della serie LN; uno dei pochissimi riferimenti rinvenibili online è una pubblicazione del 1960 di V. N. Laut e L. Artem'evich, The Catode ray tube memory of the High-speed electronic computer of the U.S.S.R. Academy of Sciences (vedi). Certamente questi tubi sono stati diffusamente utilizzati per molti anni in apparati radar di sorveglianza e difesa contraerea. Il tubo LN-8 è stato utilizzato in un'apparecchiatura di ricerca biomedica per rilevare deboli segnali bioelettrici (vedi l'articolo Use of the Potentialoscope to detect weak bioelectrical signals di Bersenev et al., 1972, disponibile qui) ed in analizzatori di segnale (vedi).

Vista frontale dei due tubi LN-5, ЛН-5 (a sinistra) ed LN-8 (ЛН-8). Si riconosce il retro del "bersaglio" dielettrico sulla superficie del quale viene memorizzata, ovvero depositata, la carica elettrica. Questi tubi sono progettati per registrare una traccia a spirale corrispondente ad un'intera immagine radar. I terminali più grandi visibili in primo piano raccolgono la corrente che si genera durante la fase di lettura della traccia immagazzinata. Questi tubi sono lunghi 398 mm per un diametro massimo di 11 centimetri (testa); il "collo" è largo 36 millimetri. Il modello LN-5 pesa 800 grammi, contro i quasi 1.000 dell'LN-8. Altri membri della stessa "famiglia" LN, come ad esempio il modello LN-12, sono più piccoli; per il resto, la struttura interna è sostanzialmente identica. Dalle date stampigliate sui tubi si evince che, almeno il modello LN-5, è rimasto in produzione fino alla fine degli anni Settanta. L'altro, un po' più vecchio, dovrebbe risalire alla metà degli anni Sessanta (questo esemplare è stato prodotto nel 1975, stando al datasheet e se leggo correttamente la stampigliatura). Benché sia esagerato considerarli componenti comuni, i tubi LN, soprattutto quelli più recenti (LN-14 ad esempio) sono molto meno rari del Radechon e si possono trovare abbastanza facilmente sia su Ebay che nei siti specializzati nella vendita di vecchie "valvole". Indubbiamente, come tante altre apparecchiature sovietiche per usi militari, sono stati prodotti in molti esemplari di cui tuttora esistono consistenti stock nei Paesi dell'Est.

Pagina dedicata al tubo LN5: http://www.radiomuseum.org/tubes/tube_ln5.html. 

Altra pagina dedicata a questo tubo: http://www.tubecollector.org/ln5.htm (belle immagini).

Un tubo della stessa famiglia (LN12) è visibile qui: http://www.tubecollector.org/ln12.htm. 

Interessantissimo sito che contiene parecchi modelli della famiglia LN: http://www.lampes-et-tubes.info/. 

Sito che ha talvolta in vendita tubi LN (oltre a moltissimi altri di fabbricazione sovietica e non solo): http://www.askjanfirst.com/dindex.htm?/rc.htm. 

Scansione del datasheet originale del tubo LN-8, a sinistra, e del tubo LN-5. Il primo è stato fabbricato nell'Ottobre 1975; l'esemplare di LN-5 è invece del Giugno 1986. Può sembrare a prima vista strano che ancora negli anni Ottanta, in piena "era microelettronica", si producessero componenti di questo tipo, progettati e sviluppati negli anni Cinquanta e Sessanta. Senza fare considerazioni generiche sulla modernità degli apparati radar sovietici (il discorso è complesso e sarebbe sbagliato affrontarlo in modo semplicistico dicendo che essi erano molto più arretrati delle controparti occidentali), la loro longevità è con tutta probabilità dovuta al fatto che venivano impiegati in apparecchiature militari dalla vita operativa molto lunga per le quali, dunque, c'era la necessità di avere parti di ricambio per parecchi anni dopo la loro entrata in funzione. Anche se spesso si crede il contrario, l'informatica e l'elettronica più in generale offrono parecchi esempi di macchine assai longeve, soprattutto in ambito militare ed aerospaziale, laddove l'affidabilità prevale spesso sulle prestazioni ed anche sull'innovazione tecnologica. E' noto, ad esempio, che i computer di bordo delle navette Space Shuttle usavano ancora nel 1990 memorie a nuclei magnetici (perché più resistenti alle radiazioni dei componenti a semiconduttore allora disponibili) e che, sempre all'inizio degli anni Novanta, erano tuttora operativi sulle unità della Marina USA calcolatori di bordo con memorie di tipo fixed-head disk (disco rigido a testine fisse) sviluppate dalla Librascope un quarto di secolo prima.

Aggiornamento Maggio 2012

Ho ricevuto recentemente alcuni messaggi nel forum di CPU World in cui mi si chiede se effettivamente questi tubi della serie LN possano essere considerati memorie. A mio avviso certamente sì: anche se la documentazione disponibile al riguardo è scarsa, non vi è dubbio che la loro struttura sia molto simile a quella dell'RCA Radechon e di altri barrier-grid storage tube (ricordiamo infatti che il Radechon non è stato l'unico tubo di questo tipo). Nell'ex-URSS i tubi LN hanno avuto più applicazioni diverse, principalmente nel campo dei radar (vedi sopra) e della televisione, ma non solo. Nell'allora "mondo occidentale" i vari tipi di barrier-grid storage tube hanno trovato molteplici impieghi in televisione, soprattutto come scan-converter, e secondariamente negli apparati radar. L'utilizzo nei computer è rimasto molto limitato, probabilmente a causa della complessità circuitale, dell'ingombro e della ridotta affidabilità. Per quanto riguarda il loro impiego come memorie in calcolatori digitali di fabbricazione sovietica, ho trovato a tutt'oggi conferma di ciò solamente per la prima versione del calcolatore BESM. Una buona descrizione dei tubi di memoria elettrostatica è contenuta nell'articolo The Strange World of Memory Tubes di E. Barbour, disponibile in formato PDF a questo indirizzo: http://ed-thelen.org/comp-hist/TubeCollector-.pdf. Ne consiglio la lettura a tutti gli interessati a questo tipo di componenti. In esso viene mostrato fra l'altro il tubo sovietico LN-12, di costruzione simile al LN-14 visibile qui sotto. Mi è stato inoltre chiesto dove abbia trovato la notizia che tubi di memoria barrier-grid sono stati utilizzati in strumentazione elettronica (vedi sopra la citazione del "potentialoscope"). Relativamente all'Unione Sovietica, rimando alle note dei precedenti paragrafi; per il resto, ho fatto riferimento all'opera Methods of Experimental Physics di Bleuler e Haxby, vol. 2 Electronic Methods, Academic Press 1964. Nel capitolo "Pulse amplitude Measurements", pagg. 618-619, si trova il paragrafo "Spectrometers using Electrostatic Storage" in cui si parla dell'utilizzo in tali apparecchiature sia dei tubi di Williams sia del Radechon, quest'ultimo con una capacità di memorizzazione (dichiarata) di 200 per 200 bit. Aggiungo infine che i tubi della famiglia LN si trovano spesso a prezzi convenienti presso i siti di rivenditori specializzati in materiale di provenienza sovietica: ho pagato poco più di 40 Dollari per l'LN-8 e 25 per l'LN-5, considerato evidentemente più comune. I Radechon, quelle rare volte che si trovano su Ebay o altri siti, hanno costi molto più elevati!

Barrier Grid Storage Tube and its Operation, Jensen et al.: http://www.earlytelevision.org/images/barrier_tubes.pdf

A High-speed Barrier Grid Store, Greenwood: http://www.alcatel-lucent.com/bstj/vol37-1958/articles/bstj37-5-1195.pdf

Stable High-speed D/A conversion for Storage Tube Deflection, AA. VV.: http://www.alcatel-lucent.com/bstj/vol38-1959/articles/bstj38-2-445.pdf

The RCA Radechon Storage Circuits, Jensen: http://www.bitsavers.org/pdf/rca/storage_tubes/Jensen_Radechon_Storage_Tube_Circuits_Jun55.pdf

Barrier Grid Storage Tube with High Resolution: http://tubedata.tubes.se/sheets/181/t/TCM15X.pdf. 

Digital memory in Barrier-Grid Storage Tubes: http://www.alcatel-lucent.com/bstj/vol34-1955/articles/bstj34-6-1241.pdf. 

Dettaglio della "testa" del tubo LN-8.

Parte frontale del tubo LN-5. Si nota come la costruzione interna sia, rispetto al modello LN-8, più semplice e compatta.

Parte terminale del "collo" del tubo LN-8, che mostra le placchette di deflessione elettrostatica.

In questa immagine del tubo LN-5 si vede la superficie di materiale dielettrico sulla quale viene depositata la carica; in basso a destra un dettaglio della stessa, tratto da questo sito.

Tubo di memoria LN-12 (URSS, 1984) a deflessione elettromagnetica, variante del modello LN-5 visibile sopra. Le dimensioni sono di circa 37×14 centimetri.

Vista frontale del tubo LN-12.

The Soviet LN-14 charge storage tube is essentially a scaled-down version of the LN-5 or, more precisely, the LN-12. It can be considered a miniature Radechon. Its primary use was in military MTI radar apparatus. The tube was relatively common in Eastern Bloc countries. 

Tubo di fabbricazione sovietica LN-14 (ЛН-14), in sostanza una versione compatta dell'LN-5 visibile sopra (la costruzione interna è molto simile) e, più in particolare, del tubo LN-12 appartenente alla stessa famiglia. Anch'esso utilizza la deflessione magnetica e, come l'altro, veniva impiegato negli apparati radar. Questo esemplare è stato prodotto nel 1986.

Tubo LN-7 (ЛН-7) a deflessione elettromagnetica, di fabbricazione sovietica (1984). La struttura è la medesima dei tubi LN-14 ed LN-5 raffigurati più sopra. In questa pagina: http://lampes-et-tubes.info/sc/sc008.php?l=e è raffigurato un esemplare identico a questo; qui è invece disponibile un PDF con i dati del tubo. Consiglio di guardare questa bellissima pagina dedicata ai CRT "speciali" (tubi a memoria ecc.).

Tubo Warnecke RW-1, circa 1959, probabilmente una versione preliminare del TCM13X a sua volta prodotto con la stessa sigla anche da Thomson CSF. Il numero di serie è molto basso (0024). Si tratta di un barrier-grid storage tube a deflessione elettromagnetica che, come altri tubi di questo tipo, consentiva operazioni di "lettura" e "scrittura" contemporanee. Le sue caratteristiche sono riportate qui: http://lampes-et-tubes.info/sc/TCM13X.pdf. La Warnecke Inc. era la divisione statunitense della francese CSF (Compagnie Générale de Télégraphie Sans Fil). Il suo fondatore, Robert Warnecke, era un ingegnere belga al quale si devono molti brevetti ed innovazioni nel settore dei tubi elettronici. Le dimensioni di questo tubo sono di circa 38×11 centimetri.

Vista frontale del tubo RW-1. Si nota la "blindatura" metallica anti-disturbo, presente anche nel tubo Radechon.

Schema di collegamento del tubo TCM13X/RW-1.

Tubo barrier-grid storage a deflessione elettromagnetica Raytheon QK-464A (CK6835), circa 1959/1960. Un tubo simile (QK-464B) è visibile qui: http://lampes-et-tubes.info/sc/sc029.php?l=f. Anche questo è un tubo a memoria concettualmente paragonabile al Radechon ed ai suoi numerosi derivati. Le dimensioni sono di circa 35×8 centimetri. Caratteristiche distintive del QK-464 erano l'elevata velocità di scrittura (meno di 0,05 microsecondi per singolo punto memorizzato), la risoluzione (oltre 650 righe per immagine) e la possibilità di leggere fino a 30.000 volte consecutive l'immagine memorizzata, senza la necessità di doverla "rinfrescare", cioè riscrivere a seguito del suo deterioramento causato dalle operazioni di lettura. Il tubo QK-464 è rimasto in uso in alcuni apparati radar civili fino alla metà degli anni Ottanta. Questo esemplare ha un numero di serie basso ed è stato prodotto probabilmente nei primi mesi del 1959.

 Principio di funzionamento del tubo QK-464.

Schema di collegamento del tubo QK-464 (da https://frank.pocnet.net/sheets/138/6/6835.pdf). 

The Raytheon CK7571 (QK685), here in the Fairchild/Dumont version, circa 1966, was a high-resolution charge storage tube capable of repeating informations stored for many hours up to 20,000 times without serious deterioration of signal strenght or quality. Mainly used in television and radar systems, it requires magnetic deflection but it can be focused either magnetically or electrostatically, or using a combination of both. The tube belongs to a variegate family of Radechon-like storage tubes manufactured by RCA and several other brands. Its resolution can reach 1,000 lines (700 when focused magnetically).

Tubo Fairchild/Dumont CK7571, circa 1966. Si tratta di un barrier-grid storage tube molto simile, nella costruzione, al Radechon (RCA 6499). Appartiene ad una serie di tubi di memoria simili, appunto, al Radechon fabbricati negli anni Cinquanta e Sessanta da Raytheon e Fairchild; altri membri di questa famiglia sono il 6835 (QK464A) ed il CK7570 (QK411A). In un articolo apparso nel 1963 sulla rivista Electronics World la Raytheon rivendicava la proprietà intellettuale dello sviluppo di questo tipo di tubi, affermando che "the charge-storage tube was discovered at Raytheon Co. by Dr. R. C. Hergenrother and Mr. B. C. Gardner in 1948". In realtà, la tecnica di base utilizzata nei tubi barrier-grid venne sviluppata indipendentemente da vari laboratori, tra la fine degli anni Quaranta e l'inizio dei Cinquanta. Nell'immagine qui sopra le frecce indicano dove si trova la superficie di memorizzazione. Il CK7571 (QK685) è un tubo di memoria ad alta risoluzione che può mantenere le informazioni "scritte" per molte ore, senza significativo degrado della qualità: in particolare, sono possibili fino a 20.000 successive operazioni di lettura senza che vi sia deterioramento dell'informazione immagazzinata. Nel Radechon 6499, al contrario, la lettura causava l'immediato deterioramento (cancellazione) dei dati memorizzati; questo inconveniente venne risolto nel successivo e poco diffuso modello RCA 6500. Nel CK7571 la deflessione è magnetica; la messa a fuoco, invece, può essere tanto magnetica quanto elettrostatica (oppure una combinazione delle due). Complessivamente le caratteristiche del tubo sono simili a quelle del predecessore CK6835, che era presentato dalla Raytheon stessa come un "prototype tube". La risoluzione varia da circa 700 linee nel caso in cui si utilizzi la messa a fuoco elettrostatica fino a 1.000 linee con messa a fuoco magnetica; possono essere memorizzati fino a 5 diversi toni di grigio (gray levels). Le caratteristice del CK7571 (versione Raytheon) si possono trovare in questo documento PDF. Questo tubo è stato utilizzato principalmente in apparati radar ed in televisione. Non sono noti impieghi nel campo dei calcolatori elettronici. Recentemente ho trovato, nel libro Principles of Digital Switching Systems edito nel 1965 dalla AT&T, un capitolo interamente dedicato all'impiego dei tubi barrier-grid storage come memorie in grandi apparati di commutazione telefonica, tipo l'ESS (Electronic Switching System). Nel testo si parla di una capacità massima teorica di 16.384 bit per ciascun tubo; non è tuttavia specificato quale tipo di tubo sia stato utilizzato.

Schema della struttura interna di un barrier-grid storage tube, tipo il Radechon (RCA 6499). In basso a destra, dettaglio della superficie di memorizzazione. L'immagine è tratta da questo articolo, dove viene anche spiegato in dettaglio il funzionamento di questo tipo di tubo.

Organizzazione interna di un tubo di tipo Radechon.

Breve spiegazione del funzionamento dei tubi barrier-grid storage.

Schema semplificato di connessione di un tubo barrier-grid storage. In sintesi, il suo funzionamento è il seguente. Innanzitutto bisogna precisare che in questo tipo di tubi, il fascio di elettroni è impiegato per depositare una carica elettrostatica puntiforme (ovvero una successione di cariche puntiformi) su una superficie di dielettrico, in generale mica o altro materiale dalle caratteristiche equivalenti. Lo stesso fascio viene anche impiegato nella lettura e nella cancellazione delle informazioni. Il tubo deve il proprio nome ad una maglia a trama stretta di sottilissimi fili di Tungsteno (barrier-grid, o griglia-barriera, o "screen") posta immediatamente di fronte alla superficie dielettrica (target), la quale è solitamente realizzata in mica oppure in altro materiale dalle caratteristiche simili. L'ampiezza della maglia è in genere nell'ordine di pochi millesimi di pollice, e contribuisce a determinare la risoluzione massima ottenibile dal tubo. Dall'altro lato del dielettrico si trova un elettrodo collettore metallico (plate), sicché quest'ultimo e la griglia costituiscono le due armature di un condensatore piano. Il "wall" (con riferimento all'immagine soprastante) è infine un elettrodo di forma cilindrica o più frequentemente tronco-conica che ha lo scopo di catturare gli elettroni sfuggenti dal sistema griglia-dielettrico. Quando griglia e collettore si trovano al medesimo potenziale, nel punto del dielettrico colpito dal fascio di elettroni prodotto dal catodo non si deposita alcuna carica elettrica, indipendentemente dal potenziale di quel punto, e se vi si trovasse già una carica depositata essa verrebbe annullata. Ciò si deve agli elettroni secondari (più propriamente di emissione secondaria) che si generano quando il dielettrico viene colpito dagli elettroni del fascio e che sono in sovrannumero rispetto a questi ultimi. L'effetto è dunque quello di equilibrare il potenziale del dielettrico con quello della griglia e del collettore. La situazione corrisponde alla scrittura, nel punto colpito dal fascio, del valore binario zero (assenza di carica). Se al contrario il collettore è mantenuto ad un potenziale positivo rispetto alla griglia-barriera, nel punto colpito dal fascio si depositerà una carica positiva, dovuta essenzialmente al fatto che gli elettroni che sfuggono al sistema griglia/dielettrico sono più di quelli, primari, che lo raggiungono. Per memorizzare un "1" binario si porrà allora il collettore ad un potenziale positivo maggiore rispetto alla griglia-barriera. Con lo stesso metodo ed un circuito di lettura un poco più elaborato si possono memorizzare distinti valori di carica, corrispondenti ad esempio a più toni di grigio (gray shade) di un'immagine o a più valori di un dato segnale analogico. La lettura di una data posizione si effettua annullando la carica in essa contenuta, ossia scrivendovi uno zero nel caso di memorizzazione di dati binari, nel modo sopra descritto: se nella posizione specificata è memorizzato un "1", l'eliminazione della corrispondente carica darà luogo ad un debole impulso di corrente (nell'ordine dei milionesimi di Ampere) nella griglia. Nessun impulso si genererà invece nel caso in cui la stessa posizione contenga uno "0" (ovvero non vi sia carica depositata in quel punto). La lettura è dunque un'operazione distruttiva (DRO, Destructive Read-Out) alla quale deve far seguito la ri-scrittura del dato letto nel caso in cui questo sia un "1"; alcuni tubi barrier-grid sviluppati successivamente al Radechon permettono d'altro canto una lettura solo parzialmente distruttiva, così da limitare la necessità di cicli di rinfresco dei dati memorizzati. Sotto questo aspetto il Radechon somiglia, almeno concettualmente, ad una memoria DRAM. La maggior parte dei tubi barrier-grid ha una capacità, in termini binari, di pochi kilobit; essa è limitata principalmente dalla necessità di mantenere una certa distanza minima tra punti caricati sul dielettrico, al fine di ridurne il più possibile la reciproca interferenza.

Principio di funzionamento del tubo Radechon (in tedesco, purtroppo...)

The Raytheon CK7702 was a dual-gun charge storage CRT capable of simultaneous writing and reading, combining high-output signal with high resolution. Its major application was scan conversion such as radar to TV presentation. This make possible bright video display, high resolution and adjustable priming and erasing, wich may be used to generate target trails indicating elapsed-time position. Stored signals can be held for many hours, read several thousand times, and erased in a fraction of second. The storage capabilities permit additional coherence of target information under conditions of high noise levels. The tube uses magnetic deflexion and can be focused either electrostatically or magnetically. The design results in a wide dynamic range of gray shades, fast writing speeds, and selective erasure of the information stored in.

Tubo Raytheon CK7702. Si tratta di un charge-storage tube (tubo di memoria elettrostatico) dual-gun (a doppio cannone elettronico), realizzato in due sezioni separate e frontalmente contrapposte, sicché è possibile la lettura/scrittura contemporanea. La parte a sinistra è dedicata alla lettura, quella a destra (con riferimento all'immagine) alla scrittura. Il CK7702 è, forse, il più famoso tubo di questo tipo; è stato largamente utilizzato in televisione come scan converter e per la memorizzazione di immagini, anche ad elevata risoluzione (fino a 1.200 linee); impiega la deflessione elettromagnetica e la focalizzazione elettrostatica oppure anch'essa elettromagnetica. Veniva anche impiegato negli apparati radar, sia come convertitore d'immagine tra radar PPI e televisione, sia per la memorizzazione di tracciati radar e l'indicazione delle successive posizioni di un oggetto (elapsed-time tracking). Il numero di serie molto basso fa pensare ad una pre-produzione oppure a una sorta di engineering sample.

Scansione della prima pagina del data-sheet del tubo CK7702, a sinistra e, a destra, di una lettera commerciale della Raytheon contenente un'offerta per una fornitura di tubi di questo tipo, qui proposti al prezzo unitario di 1.450 Dollari (1964). La cifra può sembrare alta, ma occorre ricordare che all'epoca una memoria di pari caratteristiche realizzata con altre tecnologie si sarebbe rivelata molto più costosa.

Tubo monoscopio "SymbolRay" prodotto da Sylvania (1968), simile al modello Raytheon CK1414F10-C (sotto). Questo tubo, che è concettualmente collegato al tubo Charactron (nome registrato nel 1954 dalla Convair che aveva brevettato la prima versione di questo dispositivo; un brevetto dalle caratteristiche leggermente diverse venne depositato anche dalla Hughes Aircraft con la denominazione "Typotron") è uno speciale tipo di tubo a raggi catodici "shaped beam" impiegato come generatore di caratteri ASCII per display vettoriali, ad esempio schermi radar, e può essere considerato una sorta di ROM contenente un set di lettere e simboli. Mentre nel Charactron il fascio di elettroni attraversa la maschera di caratteri e viene "modellato" dalla forma dello specifico carattere attraversato, prima di giungere su un normale schermo fluorescente, in questo tipo di tubo monoscopio il segnale prodotto sull'anodo (posto anteriormente) dal raggio modellato durante l'attraversamento della maschera è mescolato con il segnale video che controlla un ordinario CRT, consentendo così di sovrapporre uno o più caratteri in un qualsiasi punto di un'immagine o altro tipo di display vettoriale.

Vedi: http://www.science.uva.nl/museum/monoscopes.php.

Anche: http://www.chipsetc.com/rca.html (è visibile una maschera con set di caratteri, da un tubo RCA Charactron).

Anche: http://www.tubeclockdb.com/on-ebay/163-ck1414f39-raytheon-monoscope-tv-ascii-vacuum-tube.html. 

Anche: http://www.decadecounter.com/vta/articleview.php?item=1028; http://www.crtsite.com/miscellaneous%20crt.html. 

Anche: http://lampes-et-tubes.info/ct/ct047.php?l=f. 

Dettaglio della maschera: http://www.vitriol.com/images/tech/tubes/monoscope-matrix.jpg.

 Principio di funzionamento del tubo Charactron.

Tubo Charactron Raytheon CK1414, equivalente al tubo Sylvania SymbolRay.

Tubo IF-17 (ИФ-17) di fabbricazione sovietica (1984). Si tratta di un tubo catodico speciale utilizzato come generatore d'impulsi in apparati radar, più precisamente per generare gli "height marks" nei radar impiegati per rilevare l'altezza del bersaglio. The tube contains 17 wires, three of them (the 5th, 10th and 15th) are thicker. The electron beam moves synchronously with the height finder antenna, and generates a pulse when it passes over a wire; the ticker wires produce longer pulses. Dimensioni circa 45×13 centimetri.

Vedi: http://lampes-et-tubes.info/sc/sc013.php?l=e (con foto dettagliate)

Tubo digitalizzatore Tektronix T-7610

Questo è un oggetto davvero particolare, pressoché unico nel suo genere: un tubo catodico con output digitale, e nello stesso tempo la curiosa unione di un tubo elettronico con un componente a semiconduttore. Si tratta infatti di un tubo convertitore analogico/digitale ad 8 bit T-7610, impiegato nel digitalizzatore programmabile Tektronix 7612D. Da questa pagina, che contiene immagini dettagliate del tubo (vedi: http://lampes-et-tubes.info/sc/sc023.php?l=e), riprendo la descrizione sommaria: "Each of the two channels in the Tektronix 7612D contains an Electron-Bombarded Semiconductor (EBS) tube to perform the analog-to-digital conversion. The EBS tube contains a target at one end and an electron gun at the other. The target is arranged as an eight-bit Gray-code-pattern diode array. The beam is deflected vertically across this array by the corresponding analog input-signal level. Whenever the beam penetrates a diode junction, that diode conducts and generates an output current. The tube output is continuously sampled by memory at 5-nanosecond intervals. The time base then selects samples from this continuous stream and stores them in the waveform memory at the programmed sample rate. Since the tubes are continuously scanned and sampled, both pre- and post-triggering capabilities are provided. Basic concept of the T-7610 tube: an electron gun produces a ribbon beam which bombards a semiconductor target. The beam is focused by a cylindrical lens to form a flat ribbon-like beam which can be deflected over the target area. The target consists of a silicon chip containing a number of long diodes overlayed by a pattern of thick and thin metal in the form of a digital Gray code. The diodes are reverse biased and normally non-conducting. When the beam bombards a thin metal (window) area, it penetrates to the diode junction region and generates an output current. Due to the large number of electron hole pairs excited in the semiconductor, a considerable electron gain occurs in the target, on the order of 2000 for a 10-kV beam. In the thick metal regions of the target there is no beam penetration and no output signal."

Schema costruttivo del tubo T-7610. "The precision analog portion of the converter was a CRT tube which generated a wide 'ribbon' beam. The digital portion of the converter was a semiconductor chip of an array of diodes organized in rows to product a Gray code output. In simple terms, the ribbon beam would charge a single row of diodes which would then be read out" (da questa pagina).

Vedi: http://w140.com/tekwiki/wiki/T7610.

Vedi: https://vintagetek.org/t7610-electron-beam-analog-to-digital-converter/, https://www.youtube.com/watch?v=3q97h4O6uII.

Anche: https://vintagetek.org/wp-content/uploads/2018/06/7612D_VernIsaac_CathodeRayTubes_GettingDownToBasics.pdf.

Anche: http://www.electricstuff.co.uk/glassadc.html. 

Tubo scan-converter Tektronix T-7910

Il T-7910 è un tubo convertitore di scansione (scan-converter tube) utilizzato nel digitalizzatore di impulsi Tektronix 7912AD (1979/1980). In estrema sintesi si tratta di uno speciale CRT a memoria a due cannoni elettronici contrapposti, nel quale la scrittura e la lettura avvengono a velocità diverse - più rapida la prima, più lenta la seconda. La sezione di scrittura si trova nella parte sinistra della foto. Approssimativamente al centro del tubo è posto un sottile wafer di Silicio contenente un gran numero di diodi, realizzati con la stessa tecnica dei circuiti integrati, che vengono "caricati" dal fascio del cannone di scrittura e "scaricati" da quello del cannone di lettura. Quest'ultimo esplora in continuazione, a bassa velocità, l'intera area del wafer. La scrittura, al contrario, avviene invece ad una velocità molto elevata,  nell'ordine delle centinaia di millimetri al secondo. Con questo tubo è possibile infatti registrare transitori elettrici della durata di qualche picosecondo. Il T-7910, che ha una lunghezza complessiva di circa 57,5 centimetri, è tra i più lunghi tubi elettronici interamente in vetro mai prodotti.

Vedi: http://lampes-et-tubes.info/sc/sc018.php?l=e, http://w140.com/tekwiki/images/3/30/Tekscope_1979_V11_N1.pdf. 

Vedi: https://vintagetek.org/7912-high-speed-digitizer/, http://www.petergottlieb.com/docs/7912/7912ASM1.pdf. 

Vedi: http://www.barrytech.com/tektronix/tek7912ad.html (The 7912AD is an oscilloscope variant built by Tektronix that at its time was way, way ahead of anything else anywhere ever in the way of high speed digitizing. They were essential for such things as military EMP studies and sold for anywhere from $42,000.00 on up each)

Schema dell'organizzazione interna del tubo T-7910. "A 'write' electron gun with traveling wave deflection system deposits charge patterns on a thin silicon wafer. These patterns are read by a low velocity 'read' electron beam from a gun mounted in the opposite end of the tube, scanning the back surface of the silicon wafer."
(Peter A. Keller, The Cathode-Ray Tube, Palisades Press, 1991)

Principio di funzionamento del tubo T-7910 tratto dal brevetto Tektronix.

Struttura del wafer di Silicio (chiamato target, bersaglio) in cui avviene la memorizzazione della carica elettrica.

Un altro dettaglio del wafer.

Pagina iniziale del Museo