Основным фактором, который должны были учитывать инженеры, стали особые условия, в которых работает лампа: это высокие температуры и вакуум.
Работа над технологией начиналась с выбора материала. Проблемой материалов для электронных ламп занимались целые институты, были опубликованы тысячи статей и книг. В крупных фирмах существовали даже специальные металлургические отделы. Ситуация обычно складывалась так, что материалы, которые способны выдерживать высокие температуры, например тугоплавкие молибден и вольфрам, сильнее и нагреваются из-за плохой теплопроводности. Приходилось экспериментировать со сплавами или с композициями (смесями). Так, у смеси вольфрама и меди высокая проводимость сочетается с хорошей теплопроводностью и достаточной прочностью.
После того как материалы выбраны, деталям из них нужно придать соответствующую форму. Зачастую для этого применяли те же способы механической обработки, что и в других отраслях машиностроения и приборостроения. Правда, старались, например, обойтись без механической полировки — после нее в поверхностном слое остается много загрязнений. В качестве альтернативы использовали химическую или электрохимическую полировку, а также шлифовку. Раньше чем где-либо, в производстве радиоламп нашли применение электрофизические методы размерной обработки: электроэрозионная и ультразвуковая.
Подавляющее большинство металлических деталей ламп получали пластической деформацией — гибкой (токопроводящие элементы, сетки, навиваемые в виде спиралей на траверсы), штамповкой (фрагменты анодов) и др. В результате менялась структура материала — в нем возникали механические напряжения, которые впоследствии могли исказить форму и размеры деталей. Снизить напряжения и восстановить структуру металла помогает отжиг — выдержка при высокой температуре и медленное охлаждение.
ЧТО ОБЩЕГО МЕЖДУ РАДИОЛАМПОЙ И БУТЫЛКОЙ ШАМПАНСКОГО?
Когда открывают бутылку с шампанским или газированной водой, начинают выделяться пузырьки газа: при уменьшении давления растворимость газов в жидкости уменьшается. То же происходит и при нагреве. В металлах, из которых делают радиолампы, тоже растворены газы, и, чтобы в готовой лампе сохранялся хороший вакуум, детали подвергают отжигу.
Атмосфера в отжиговой печи должна быть очень чистой, только в этом случае примеси уходят с поверхности, а не насыщают ее. На первый взгляд кажется, что оптимально было бы отжигать детали и заготовки в вакууме. Но получить высокий вакуум в большой печи, набитой грязными (по меркам электроники) деталями, весьма непросто и дорого. Вместо вакуума для отжига хорошо подошла атмосфера водорода, который заодно восстанавливал оксидные пленки. Правда, водород проникает в некоторые металлы. Но на это, как правило, не обращали внимания: при обработке уже собранной лампы водород относительно легко выходил из деталей и откачивался насосами. Нельзя лишь отжигать в водороде металлы, активно поглощающие водород, например титан, — они становятся хрупкими. Такие детали отжигали в аргоне, а иногда в смесях инертного и восстанавливающего газов.
При отжиге из металлов удаляли азот, углерод и кислород. На поверхности образовывались вода и углекислый газ — это диффундирующие из глубины металла атомы водорода и углерода взаимодействуют с оксидами. Углерод, содержавшийся в стальных деталях, при таких температурах не вступал в реакцию с водородом, и их отжигали во «влажном водороде» — смеси водорода и водяного пара. Из стекла и керамики при отжиге также выделяются водяной пар и углекислый газ, но они в таком виде растворены в диэлектриках.
Отжечь детали, чтобы они стали чище «снаружи и внутри», очень сложно. В поисках решения этой проблемы выполнено множество исследований, опубликовано немало статей, а в учебниках по технологии электронных ламп отжигу отводится весьма заметное место.
Температура, продолжительность процесса, состав газа, скорость его течения, количество, материал, расположение загружаемых изделий — все влияло на результат, причем зачастую непредсказуемым образом. Бывало, при отжиге загрязнения переносились с одних деталей на другие; несмотря на избыточное давление в печи, туда проникали газы из атмосферы; лампы, собранные из тщательно очищенных деталей, оказывались хуже, чем те, где детали были более грязными. Эти и десятки других загадок, успешные и безуспешные попытки их решения составляли ежедневную работу технологов.
Со временем тайну брака ламп со слишком хорошо очищенными деталями удалось раскрыть. Оказалось, что при особо тщательной очистке поверхность деталей становится химически активной и мгновенно окисляется при извлечении их из печи. У относительно же грязных изделий на поверхности уже существует оксидная пленка, защищающая их от дальнейшего загрязнения.
БЕЗ ПОКРЫТИЙ НЕ ОБОЙТИСЬ
Другим чрезвычайно важным аспектом в производстве радиоламп стало нанесение покрытий. На мебель покрытия наносят, чтобы выглядела красиво, на детали машин — чтобы предохранить их от коррозии, повысить износоустойчивость, улучшить внешний вид. То есть детали и без покрытий не теряют работоспособности. В электронных лампах покрытия, как правило, выполняли именно рабочую функцию. Так, оксид кальция увеличивает эмиссионную способность катода. Такими же свойствами обладают оксиды других щелочноземельных металлов, в частности бария и тория. В связи с этим изменилась конструкция катодов: внутри узкого металлического цилиндра с нанесенным на его наружную поверхность эмиссионным покрытием помещали нить нагревателя, покрытую, в свою очередь, изоляционной пленкой.
Лампы с подогревными катодами оказались во много раз более эффективными и долговечными. Поэтому в технологии электронных ламп иногда логичнее было говорить не о покрытиях на деталях, а о деталях, которые существуют лишь как основа для покрытия. Например, на экраны электронно-лучевых трубок наносили (и сейчас наносят) люминофоры — без них не получишь видимого изображения.
Применялись и вообще непонятные на первый взгляд процессы. Например, на слюдяные изоляторы ламп наносили покрытия из частиц оксидов магния и алюминия, чтобы сделать поверхность шероховатой. Изолятор на изолятор, да еще ради придания шероховатости? Все дело в том, что из-за высоких температур металлические детали ламп частично испаряются, и нельзя допустить, чтобы частицы металла, осаждаясь на изоляторах, создавали сплошную пленку — может произойти короткое замыкание. А так они попадут только на выступы поверхности изоляторов, а углубления останутся чистыми.
Вообще, методов нанесения покрытий существует великое множество. Например, чтобы сетки не эмитировали электроны (термические из-за нагрева от расположенного рядом катода или вторичные), на них гальванически наносят слой металла с высокой работой выхода — золото, серебро, титан, сплав олова с никелем и др.
Однако в технологии электровакуумных приборов для образования покрытий на детали чаще наносят слой порошка и затем его спекают. Частицы порошка и подложки срастаются друг с другом за счет взаимной диффузии. Степень спекания обычно невелика, и покрытие получается пористым. Пористость не мешает работе лампы, а подчас даже полезна. Похожее структурой на губку, пористое покрытие имеет очень большую поверхность, благодаря чему, скажем, увеличивается эмиссионная способность катода или поглощающая способность геттера — специального вещества, помещаемого в баллон лампы и адсорбирующего оставшиеся после откачки газы.
СВАРКА ИЛИ ПАЙКА?
Готовые детали — катоды с эмиссионным покрытием, намотанные на траверсы сетки, подогреватели со слоем изолятора, штампованные из листа или массивные медные аноды, изоляторы из слюды или керамики, заготовки колб и выводов — укладывали в особые боксы, называемые эксикаторами, с обезвоженной и обеспыленной атмосферой, и можно было начинать сборку.
В лампах детали неподвижны (они и не должны двигаться, иначе все параметры «поплывут»), поэтому их соединяли с помощью сварки, пайки и неподвижных посадок. Правда, вначале некоторые мощные лампы делали разборными, и они работали с постоянной откачкой вакуумными насосами (но так продолжалось совсем недолго).
Главная проблема для технологов заключалась в том, что приходилось сваривать и паять самые разнородные материалы: металлы с металлами, стекло с металлом, керамику с металлом. Кроме того, в процессе работы элементы лампы разогреваются, и если соединяемые материалы имеют различные коэффициенты теплового расширения, то в соединении могут возникать механические напряжения, приводящие даже к его разрушению. Металлические детали маломощных ламп соединяли обычно точечной контактной электросваркой; при производстве мощных ламп применяли аргонно-дуговую сварку, дававшую вакуумно-плотный шов и поэтому позволявшую сваривать детали оболочки лампы.
При сварке плавятся материалы обеих свариваемых деталей. Если же один из материалов остается твердым, то такой процесс называется пайкой оплавлением. Именно так соединяли стеклянную колбу лампы с металлическими выводами, причем плавилось стекло. Кстати, для выводов изобрели особый сплав железа с никелем (28%) и кобальтом (18%). Он называется коваром и имеет коэффициент температурного расширения почти такой, как стекло. Чтобы не возникало термических напряжений в местах соединения выводов с электродами лампы, которые изготовлены из материалов с совсем другими коэффициентами температурного расширения, использовали промежуточные тонкие и гибкие провода, игравшие роль амортизаторов.
При пайке керамики и металла, напротив, плавится металл, причем часто применяют так называемую «активную пайку»: между керамической и металлической деталями прокладывают фольгу из титана, затем этот комплект сжимают и нагревают. За счет диффузии возникала переходная зона, и материалы накрепко соединялись. Наконец, металл с керамикой (впрочем, и стекло со стеклом) можно соединить с помощью пайки, но не металлическими припоями, а «глазурями» — специальным легкоплавким стеклом.
А на какие ухищрения приходилось идти, чтобы соединить, например, сапфир со стеклом или кварц со стеклом! Кварц расширяется при повышении температуры на порядок меньше, чем стекло, и технологам пришлось разработать ряд из примерно десяти стекол с постепенно уменьшающимся коэффициентом температурного расширения. Процесс пайки шел так: на кварц наплавляли первое стекло, далее на него — второе и так далее до обычного стекла: получался этакий слоеный пирог.
Мы так подробно рассказываем о технологии, чтобы стало понятным, как много проблем, подчас самых неожиданных, возникает перед инженерами и как порой изящно с ними справляется человеческий ум.
ТРЕНИРОВАННАЯ ЛАМПА РАБОТАЕТ ДОЛЬШЕ
Но вот лампа собрана, пора откачать из нее воздух, а заодно окончательно очистить и обезгазить детали. Для этого, не прекращая откачки, на электроды подавали рабочие напряжения. С помощью подобного приема, который называют тренировкой, удавалось решить одновременно несколько задач.
Во-первых, происходило активирование катода: чисто практически эмиссионное покрытие проще было наносить в виде карбонатов металлов, а уже они при нагреве превращались в оксиды, выделяя углекислый газ, удаляемый вакуумным насосом.
Во-вторых, на электродах могли оставаться мелкие пылинки. Электрическое поле срывало их с места и переносило на более заряженный электрод. Разогнавшись в поле, они, как метеориты, ударялись о поверхность и испарялись.
Наконец, на поверхности анода, которая никогда не бывает абсолютно ровной, оставались острые выступы. Напряженность поля там оказывалась максимальной, и острие подвергалось интенсивной бомбардировке электронами. Металл в этих местах нагревался до температуры испарения, выступы автоматически сглаживались, а пары металла откачивались. (Случись такое в готовой лампе, наверняка произошел бы электрический пробой.) Напоследок на стенки баллона напыляли тонкий слой металлического геттера, и оставалось лишь отпаять стеклянную трубку (штенгель), соединявшую лампу с откачивающей системой. После этого на баллон устанавливали цоколь и припаивали к выводам ножки.
Наконец промаркированные лампы упакованы в картонные коробочки — и на радиозавод. А там в какие только устройства они не попадали: в бытовые радиоприемники, в радиовещательные передатчики, переносные радиостанции, телевизоры, в устройства автоматики, а позже — в первые компьютеры. На переломе ХХ века электровакуумные приборы выпускали десятками миллионов в год, и их будущее казалось безоблачным. Однако в физических лабораториях уже рождался «могильщик» радиоламп. Им стал созданный в 1947 году американскими учеными У. Шокли и Дж. Бардиным полупроводниковый транзистор. Новый прибор выполнял те же функции, что и электровакуумный триод, но был очень маленьким, долговечным и экономичным, поскольку не требовал энергии для подогрева катода.
(Окончание следует.)
