Радиолампа - удивительно простой и в тот же момент неимоверно сложный прибор. В подтверждение, цитирую отрывок статьи Леонида Ашкинази "Океан в капле воды, или вся техника в одной стекляшке"
Чтобы лампа реально существовала и работала, мало придумать принцип ее работы и конструкцию. Лампу, как и любую вещь, надо сделать. Когда все упирается в технологию? Довольно часто. Особенно если попытаться сделать что-то новое – ЭВП рекордной мощности, КПД или частоты. Оказывается, что либо нельзя сделать такую конструкцию, как хочется, либо сделать можно, но нет материалов, при использовании которых все это сможет работать. Выход из положения – создание новой технологии или новых материалов.
Собственно технология начинается с исходных материалов. Своих материалов требует любая область техники; а специфика состоит в том, какие именно материалы и с какими именно свойствами требуются. Например, металл А, особо чистый по примесям В, С и Д – это обычная формулировка. Но А, В и т.д. – в каждой области свои. Электротехнике страшны те примеси к меди, которые понижают электропроводность – P и Si. Технике электронных ламп страшны примеси Cd, Zn и O к меди, на электропроводность не влияющие. Ниже мы объясним, почему.
Есть требования и по структуре – материал может иметь кристаллическую структуру, и в этом случае важно, какого размера эти кристаллы и как они расположены. Причем как примеси, так и структура могут быть важны не только для работы лампы, но и для процессов изготовления: примесь (S в меди) или структура (длинные одинаково ориентированные кристаллы), которые делают металл хрупким, не дадут применить пластическое деформирование (гибку, выдавливание).
Проблемой исходных материалов для техники электронных ламп занимались целые институты, были опубликованы тысячи статей, есть и книги на эту тему. Все это не аргумент, – скажете вы, – мало ли кто занимался ерундой, мало ли дурацких книг было издано. Но в крупнейших электронных фирмах были специальные металлургические отделы. Те, кто делал лампы, считали необходимым иметь свою собственную металлургию.
Многие технологические проблемы сводятся к выбору материала. Причем ситуация обычно устроена так, что материал, который способен выдерживать более высокие температуры (например, тугоплавкие и прочные при высоких температурах молибден и вольфрам), будет и нагреваться сильнее (например, из-за плохой проводимости и плохой теплопроводности). Чистых металлов в природе не так уж много, но сплавов – не счесть. Вдобавок есть еще композитные материалы – например, смесь (не сплав) вольфрама и меди – сочетающие высокие проводимость, теплопроводность и прочность.
После того, как изготовлены и разложены по полкам на складе исходные материалы, начинается изготовление деталей. Для изготовления деталей ламп применяются те же способы, что и в технике вообще. Но одни применяются чаще, другие реже, а третьи – в каких-то вариантах или модификациях. Например, реже применяется механическая полировка – потому что при ней в поверхность внедряются загрязнения. Вместо нее используют химическую или электрохимическую полировку, а если надо применить именно механический процесс – то шлифовку.
Требования к чистоте деталей в электронной технике намного выше, чем в технике вообще. Чтобы понять, почему это так – достаточно посмотреть на лампу и осознать, что в ней вакуум. В технологии электронных ламп, как и во всей технике, применяются химические способы очистки. Характерное отличие – широкое применение ультразвуковой очистки. Возможно, это связано просто с тем, что технология электронных ламп создавалась позже общетехнической и впитала в себя новые (на тот момент) решения. Затем, взрастив эти решения внутри себя, она стала источником этих решений для остальной техники. Позже такая же ситуация в какой-то мере возникла между техникой электронных ламп и полупроводниковых приборов – вторая строилась на более прогрессивных методах, но первая позже заимствовала их, увидев, как они хороши.
Намного чаще, чем в остальной технике, используют при производстве ламп для очистки отжиг. Если он правильно проведен, то содержание загрязнений уменьшается не только на поверхности, но и в глубине деталей. Там, откуда они все равно при работе лампы попали бы сначала на поверхность деталей, а потом в ее объем. Таким образом, процесс отжига в некотором смысле имитирует работу деталей в лампе.
При отжиге из металлов выделяется в основном водород, иногда азот и кислород. Выделение воды и оксидов углерода – результат взаимодействия диффундирующих из глубины металла водорода и углерода с оксидами на поверхности, поскольку газы диффундируют в металлах не в виде молекул, а в виде отдельных атомов. При значительном содержании углерода желательно, чтобы металл был окислен, так как углерод сам по себе, без реакции с кислородом, с поверхности не удалится – он и не испаряется (при этих температурах), и в реакцию с водородом не вступает. Если же оксида для окисления углерода не хватает, то металл отжигают во «влажном водороде» – смеси водорода и воды – для окисления.
В диэлектриках газы могут диффундировать и в виде молекул, поэтому выделяющиеся из стекол и керамик вода и углекислый газ – не продукт реакций, а их собственные, имевшиеся в объеме вода и углекислый газ. Для удаления примесей в печи должна быть среда, концентрация загрязнений в которой достаточно мала. Иначе загрязнения будут не удаляться из деталей, а насыщать их. Отжиг в вакууме является первым приходящим в голову решением. Но это плохое решение: получить в большой печи, набитой грязными (по меркам электроники) деталями, такой вакуум, какой нужен в лампе, – трудная задача. Поэтому чаще отжигают в водороде, который заодно восстанавливает оксидные пленки. Правда, при этом водород проникает в некоторые металлы; само по себе это не очень опасно – при обработке уже собранной лампы водород относительно легко покидает детали и откачивается насосами. Но нельзя отжигать в водороде металлы, активно поглощающие водород – при поглощении ими водорода они становятся хрупкими.
Кроме того, проникновение водорода в металл опасно, например, если проникший в глубь металла водород соединяется с кислородом, получившиеся водяные пары разрывают металл. Называется это явление «водородная болезнь». Поэтому, например, если используют медь и предполагают позже отжигать детали в водороде, то берут металл с пониженным содержанием кислорода (бескислородную медь). Кроме водорода, детали отжигают в аргоне, а иногда в смесях инертного и восстанавливающегося газов.
Отжечь детали так, чтобы они стали чище «снаружи и изнутри» – сложная задача. В этой области выполнено множество исследований, опубликовано немало статей, а в книгах по технологии электронных ламп отжигу отводится обычно весьма заметное место. Температура, время, состав газа, скорость протока, загружаемые детали – их количество, материал, расположение – все влияет на результат, зачастую непонятным и непредсказуемым образом. Загрязнения переносятся при отжиге с одних деталей на другие; несмотря на избыточное давление, атмосферные газы проникают в печь; лампы, собранные из более тщательно очищенных деталей оказываются грязнее собранных из менее очищенных. Эти и десятки других загадок, успешные и безуспешные попытки их решения – вот что такое ежедневная работа технолога.
Что же до ситуаций, когда хорошо очищенные детали хуже очищенных плохо, то причина такова: при особо тщательной очистке поверхность детали оказывается химически очень активной и мгновенно окисляется при извлечении деталей из печи. Если же очистка производилась не столь «зверски», то слегка окисленные детали далее окисляются уже медленно. Отсюда видна важность проблемы хранения; и действительно, в технике электронных ламп это – отдельная проблема. Существует специальная тара для хранения и транспортировки деталей, их хранят в осушенной и очищенной от пыли среде, а иногда в среде инертного газа или в вакууме.
Отжиг применяется в технологии электронных ламп не только для очистки, он еще применяется для восстановления исходной, равновесной кристаллической структуры, изменившейся при механической обработке. При многих видах механической обработки, особенно при вытяжке и иной пластической деформации, происходит увеличение количества дислокаций (нарушений кристаллической решетки) и изменение размера кристаллов – удлинение в направлении деформации. У такого материала меняются свойства – механические, электрические, химические. В частности, у него становится меньше способность деформироваться – она уже частично (или полностью) израсходована. Для восстановления исходных свойств и, в частности, для возможности дальнейшей деформации надо уменьшить количество дислокаций и измельчить вытянутые кристаллы. Это и происходит при так называемом рекристаллизационном отжиге.
Если же материал деформирован в упругой области и форма его стабилизирована какой-то технологической оснасткой (например, на оправку навита проволока – мы хотим сделать пружину), то отжиг необходим для снятия напряжений. Иначе проволока после снятия с оправки благополучно раскрутится, и вместо пружины мы получим проволокой по носу, и хорошо, если не по глазам. Автор это проходил...
Другой процесс, который также имеет в электронике свою специфику, – это процесс нанесения покрытий. Вообще в технике покрытия применяются чаще всего для увеличения коррозионной стойкости, трения, коэффициента излучения и твердости, уменьшения трения, коэффициента излучения и износа. То есть детали и устройства в целом работали бы и без покрытий, но хуже, и быстрее вышли бы из строя. В отличие от этого в технике электронных ламп покрытия, как правило, и являются тем, что работает, несет основную функцию. Покрытия экранов кинескопов излучают свет – без них кинескоп не работал бы вообще. Катодные покрытия эмиттируют, изоляционное покрытие на подогревателе изолирует его от катода – без них лампы не будут работать. Поэтому в технике электронных ламп было бы иногда логичнее говорить не о покрытиях на деталях, а о деталях, которые существуют лишь для того, чтобы на них могли быть покрытия.
Разумеется, в технике электронных ламп могут применяться все обычные покрытия – например, медные радиаторы вполне могут снабжаться покрытиями, предохраняющими их от коррозии или увеличивающими проводимость (в области сверхвысоких частот, когда токи протекают по поверхности). Внутриламповые детали могут иметь покрытия, уменьшающие коэффициент излучения (для увеличения экономичности) или увеличивающие его для охлаждения соответствующих деталей. Все остальные покрытия, которые мы рассмотрим, специфичны для электровакуумных приборов, причем многие из них наносится по специфической, применяемой в основном в этой области, технологии.
По обычным технологиям наносится в основном два типа покрытий. Антиэмиссионные покрытия на сетках ламп (золото, серебро, сплав олово-никель, титан и др.), предназначенные для увеличения работы выхода сеток при попадании на них с катода бария или тория наносят либо гальванически, либо протягиванием проволоки для сетки через расплав того металла или сплава, который надо нанести. Полупроводящие прозрачные покрытия из оксида олова получают либо пиролизом паров хлорида олова либо осаждением из раствора хлорида олова (стекло с таким покрытием можно нагревать пропусканием тока, например, чтобы оно не обледеневало).
Много сил и времени было потрачено на поиск материала и конструкции окон, допускающих вывод больших мощностей. Рекорд мощности клистрона 30 мегаватт (импульсная мощность, при длине импульса несколько микросекунд) продержался около 20 лет. Но в 1983 году в Стэнфордском университете был разработан клистрон мощностью 50 мегаватт, а еще через 2 года там же американские и японские специалисты сделали клистрон мощностью 150 мегаватт. Кроме всего прочего, оказался важным выбор антиэмиссионного покрытия для окна вывода энергии (помните – вторичноэлектронный разряд?).
Остальные процессы нанесения покрытий в технике электронных ламп строятся по следующей схеме: на поверхность наносится порошок вещества, которым мы хотим покрыть поверхность, а затем деталь нагревается так, чтобы произошло «спекание» – срастание частиц друг с другом и с поверхностью путем взаимной диффузии. Степень спекания обычно невелика, и покрытие получается пористым. Для эмиссионных и геттерных покрытий это необходимое условие работоспособности, для прочих оно допустимо. Обеспечить же высокую степень спекания нельзя потому, что для такого спекания нужна либо недопустимо высокая температура, либо давление, что обычно неудобно технологически.
Сам порошок может наноситься несколькими способами, различающимися тем, в какой среде находятся перед нанесением частицы порошка – в газе или жидкости – и под действием каких сил они приближаются к поверхности – электрических, гравитационных или упругих. Например, из суспензии в жидкости под действием электрических сил – это электрофорез, когда заряженные частицы устремляются к детали, на которую подается потенциал. Из жидкости под действием гравитации – это просто осаждение, так наносят в основном люминофорное покрытие на кинескопы. Из жидкости под действием упругих сил – это распыление или намазка суспензии. Из газа под действием электростатических сил – это так называемое электростатическое напыление, вообще применяемое в технике для нанесения красок. Чтобы порошок, попавший на поверхность, не осыпался с нее сразу, а дождался начала процесса спекания, к суспензии часто добавляют органические вещества с большой адгезией, клеи, испаряющиеся или разлагающиеся в процессе спекания.
По этим технологиям наносят покрытия почти всех видов – перечислим их. Проводящие покрытия из мелких частиц графита на баллонах кинескопов и электронных ламп. Полупроводящие покрытия из частиц оксидов хрома, железа и марганца для выравнивания потенциалов в высоковольтных электронных приборах. Геттерные покрытия из частиц активно взаимодействующих с остаточными газами металлов для поглощения газов внутри лампы. Изоляционные покрытия из частиц оксида алюминия на подогревателях. Люминесцентные покрытия в кинескопах и – кто помнит? – лампах-индикаторах настройки («кошачий глаз», серия Е). Эмиссионные покрытия оксидных катодов из оксидов щелочноземельных металлов и покрытия из металлических, как правило, никелевых частиц, на которые обычно и наносится собственно эмиссионное покрытие. И наконец, покрытия из частиц оксидов магния и алюминия на слюдяных изоляторах в лампах. Зачем же наносить изоляционное покрытие на изолятор? – удивитесь вы. Но его наносят не для изоляции, а для того, чтобы слюда стала шероховатой. А зачем ей становиться шероховатой? – еще больше удивитесь вы – ведь она в вакууме ни обо что не трется, это же не тормозные диски для Чероки! Шероховатость нужна для того, чтобы напыляющиеся на слюду при работе лампы металлические пленки не могли стать сплошными, проводящими и закоротить зазор.
Теперь, когда все детали изготовлены и молча лежат в эксикаторах с обеспыленной и высушенной средой или, пуще того, в вакуумных шкафах, из которых выкачан воздух, чтобы детали не окислялись, окинем их взглядом: катоды с эмиссионным покрытием; сетки из проволоки с антиэмиссионным покрытием, намотанной на траверсы (стойки) или, для ламп с планарной геометрией – на рамки; подогреватели, покрытые изоляцией; аноды, штампованные из черненного тонкого листового металла – для расположения внутри лампы и охлаждения излучением – или массивные медные, составляющие часть оболочки лампы и предназначенные для воздушного или водяного охлаждения; всяческие изоляторы из слюды или в мощных лампах из керамики, чтобы стабилизировать положение деталей относительно друг друга; оболочки ламп или, точнее, заготовки оболочек из стекла или иногда, в частности, для мощных ламп, из керамики; вводы, которые будут впаяны в стекло и начнут доставлять в лампу и из лампы электроны; и, наконец, газопоглотители или геттеры, которых, впрочем, может и не быть (об этом позже), а если они есть, то они могут существовать в виде покрытий на других деталях и в виде отдельных деталей – нераспыляемых геттеров или распыляемых – они при обработке лампы будут нагреты и напылят на стекло слой бария, который и будет поглощать потом остаточные газы.
Теперь мы приступим к сборке. На заре эпохи электронных ламп, 3/4 века назад, для работы в области больших мощностей применялись разборные лампы, работавшие с постоянной откачкой. Стучал насос, радиоволны неслись в эфир. Сейчас все лампы – неразборные и соединения в них выполняются, как правило, неразборными. Только в мощных лампах – и то редко – детали соединяют винтами; впрочем, поверх головок все равно приваривают накладки, исключающие ослабление и отвинчивание винтов. Лампа – не картофелеуборочный комбайн, в нее с гаечным ключом не залезешь. В маломощных лампах основной метод соединения деталей – контактная электросварка, называемая часто точечной сваркой; применяется также лазерная сварка. В мощных лампах применяется еще и аргонно-дуговая сварка, она дает вакуумно-плотный шов и поэтому может использоваться для соединения деталей оболочки лампы.
Сварка – это такой метод соединения деталей, когда расплавляется материал обеих соединяемых деталей. Если материалы остаются твердыми, а зазор между ними заполняется жидким металлом, который застывает, – это пайка. Если же расплавляется один из материалов, это называется пайка оплавлением. До сих пор мы говорили о соединении металл-металл. При соединении металлов с диэлектриками сварка – в обычном ее виде – не применяется, так как температура плавления керамик значительно выше температур плавления большинства металлов и, вдобавок, при плавлении керамики разлагаются. Стекло же плавится легко, но – наоборот, слишком легко – металлы же, с которыми соединяют стекло, плавятся при более высоких температурах. То есть это пайка оплавлением, причем плавится стекло.
А зачем вообще при пайке оплавлением расплавляют один из соединяемых материалов? Чтобы сблизить соединяемые материалы. Но можно и не плавить – нагреть и сильно сжать. За счет пластичности нагретых материалов они сблизятся на атомные расстояния, и диффузия, ускоренная нагревом, перемешает их. Такой способ соединения называется термокомпрессионной сваркой. Слово «сварка» тут совершенно не к месту, но такова традиция.
Часто говорят, что те или иные материалы соединить можно или нельзя. Так говорить некорректно – ибо соединить можно любые материалы. Вопрос в том, какую прочность будет иметь такое соединение. Тем более, что кроме внешних усилий (лампы роняют), существуют еще и внутренние, возникающие из-за различий в термических расширениях. Действительно, все эти пайки – сварки делаются при высоких температурах. Потом мы прибор охлаждаем, и если соединенные при высокой температуре материалы по-разному укорачиваются при охлаждении, то в соединении возникают термические напряжения.
Поэтому вопрос о соединении – это вопрос о согласовании расширений, о возникающих в соединении усилиях и о прочности тех соединений, которые возникают в сварной зоне или в зоне диффузии припоя и материала деталей друг в друга. Если говорят, что два металла хорошо соединяются, это означает, что возникающие в зоне их взаимодействия соединения не хрупки и прочны.
А еще в некоторых случаях в зоне соединения образуются легкоплавкие соединения. Автору этой статьи понадобилось как-то распылить в вакууме никель. Он взял титановую фольгу, вырезал ленточку, закрепил ее в вакуумной камере, положил на ленточку квадратик из никелевой фольги и начал греть титан, пропуская по нему ток. И в какой-то момент с ужасом увидел, что никель исчез, а в титановой ленте зияет аккуратное квадратное отверстие. Как квадратное отверстие в облаках у Стругацких, в «Гадких лебедях». При 955 по Цельсию в зоне контакта титан-никель началось плавление интерметаллида и расплавившаяся зона молча капнула вниз.
В отличие от спая металл-стекло, который по существу делается путем оплавления металла стеклом, соединение металла и керамики так получить нельзя – керамика тугоплавка. Поэтому сначала ее металлизируют, нанося на поверхность металлический порошок или соединения и расплавляя их. При этом за счет диффузии и реакций образуется переходная зона. А уже потом паяют керамическую металлизированную деталь и собственно металлическую.
Можно, впрочем, обойтись и без металлизации. При так называемой «активной пайке» между керамической и металлической деталью прокладывают фольгу из титана, затем этот комплект сжимают и нагревают. При взаимодействии образуется переходная зона, и детали соединяются. Заметим, что в электронике – как и вообще в жизни – более простая на вид технология требует более высокой технологической культуры и она более «строга», то есть требует лучшей стабилизации параметров. Поэтому попытки заимствования «простых» технологий не всегда бывают успешны.
Наконец, металл с керамикой (впрочем, и стекло со стеклом), можно соединить с помощью пайки, но не металлическими припоями, а легкоплавкими стеклами, или «глазурями» – фантазия технологов неисчерпаема. Особенно, когда постоянно приходят конструкторы с очередными безумными идеями. Проблема согласования коэффициентов термического расширения особенно важна, если один из соединяемых материалов хрупок: например, при спаивании металла со стеклом. В частности, для согласования с теми или иными сортами и группами сортов стекла разрабатывались специальные сплавы. А иногда разрабатывались стекла, надежно спаивавшиеся с каким-то определенным металлом. А на какие чудовищные ухищрения приходилось идти, чтобы спаять, например, германий со стеклом, сапфир со стеклом или кварц со стеклом. У вас не сжалось сердце? У кварца термическое расширение на порядок меньше, чем у стекол, и технологам пришлось разработать ряд из примерно десяти стекол, которые спаивались так: первое с кварцем, второе с первым и так далее – до последнего, которое спаивалось с обычным электровакуумным стеклом.
А вот еще маленькая одиссея: в древности вводы в стекло делали из платины, подобрали стекла, которые с ней хорошо спаиваются, и привыкли к ним. Но рано или поздно, а от платины пришлось отказываться. И придумали вводы из «платинита» – проволоки из сплава Н42 (42% никеля, остальное – железо), покрытой медью, причем толщина меди подбиралась так, чтобы у этой композитной проволоки расширение было, как у платины.
Итак, лампа собрана и надо начинать ее обработку. Для этого, разумеется, недостаточно выкачать из нее воздух и запаять стеклянную трубку (штенгель), по которой шла откачка (или перекусить, сварив холодной сваркой – металлическую). Даже если лампа собрана из чистых деталей, то они чистые «не в том смысле», в котором должны быть чистыми в лампе. А некоторые – даже очень грязные, и вообще – они еще не детали, а полуфабрикаты. А одной детали в лампе при сборке просто нет. Позже мы узнаем, откуда она возьмется.
Как бы ни была хорошо очищена деталь до сборки, после нее она оказывается грязнее. И хоть собирают лампы в капроновых перчатках, и хоть отбирают девочек-монтажниц по сопротивлению кожи влажных рук (что связано и со степенью влажности и с концентрацией ионов), но все равно – после сборки надо чистить. Вдобавок, в печи деталь нагревается и обезгаживается не так, как в лампе. Во-первых, не при тех температурах – обычно при более высоких, но не всегда. Во-вторых, в лампе нагрев неравномерен. И, наконец, в лампе нагрев производится не только нагревателем и излучением катода, но и электронным потоком, который разлагает оксиды на поверхности деталей. В печи его нет, значит – чистить придется в собранной лампе.
Для создания электронного потока катод должен эмиттировать, а для этого лампа не должна быть уж очень грязной. Поэтому процесс очистки лампы электронной бомбардировкой – отчасти саморегулирующийся. Если грязи летит слишком много, эмиссия катода уменьшается. Из этого сразу следует, что существует оптимальный режим, но его построение – немалое искусство, вопрос чутья технолога. Одна из главных идей очистки лампы – грязь не надо гонять с электрода на электрод. Очистка всех частей должна вестись одновременно. В технике электронных ламп стараются чистить все электроды лампы одновременно, причем по возможности по всей площади.
Поскольку очистка всех деталей и чистая сборка – большие проблемы, то в технике электронных ламп известны по крайней мере два приема, позволяющих сделать более чистой лампу, собранную из грязных деталей. Во-первых, это прогрев лампы при прокачке через нее водорода, имитация отжига в среде водорода. Во-вторых, это зажигание в лампе газового разряда, очистка электродов бомбардирующими их ионами, аналогично очистке в газовом разряде, применяющейся в полупроводниковой технике для обработки подложек перед напылением. Разумеется, откачка ламп при их прогреве – это также и очистка деталей в уже собранной лампе, но, поскольку прогрев стеклянной лампы обычно производится при температуре около 400 по Цельсию, реально обезгаживается только стекло.
Деталь, которая поступает на сборку и помещается в лампу в виде полуфабриката – это катод, а также все покрытия, нанесенные, как указано выше, с применением связок (клеев). При нагреве клей должен испариться или разложиться, при этом выделяется значительное количество газа и возможно загрязнение других деталей. Для оксидного катода эта ситуация усугубляется тем, что он наносится в виде кристаллов карбоната щелочноземельных металлов, а для перевода в оксиды их надо нагреть, разложить, откачать выделяющуюся смесь оксидов углерода, которая опять же, может окислить детали лампы. Построение такого режима нагрева катода, то есть зависимости температуры от времени, чтобы клей не разлагался, а испарялся, а карбонаты разлагались, но не окисляли – предмет многих научных работ, объект стараний поколений технологов и их головная боль.
После того, как лампа в основном обезгажена и даже катод превращен в оксиды, наступает этап активирования катода и обработки геттера. Активирование катода – это загадочный процесс, при котором в результате нагрева, отбора с него тока и химического взаимодействия оксида с активными присадками к материалу керна (основы, на которую нанесен тройной оксид бария-стронция-кальция) в покрытии возникает некоторый дефицит кислорода (отклонение от стехиометрии). В результате катод становится катодом – у него увеличивается эмиссия и проводимость.
Процесс обработки геттера выглядит по-разному, в зависимости от того, распыляемый или нераспыляемый геттер применен в лампе. Нераспыляемый – это кусочек пористого титана или какого-либо сплава, хорошо поглощающего остаточные газы и поддерживающего вакуум в лампе (как бы мы хорошо ни обезгаживали, при работе лампы вакуум в ней может и ухудшаться). Такой геттер начинает работать после кратковременного нагрева, при котором имеющийся на его поверхности кислород продиффундирует вглубь, очистив место для новых атомов, прилетающих из объема прибора. Если же геттер распыляемый, то его тоже надо нагреть, но с другой целью. При нагреве в геттерной смеси из нее выделяется барий, который напыляется на стекло. Вот эта пленка бария – «геттерное зеркало» и есть та деталь, которой не было при сборке лампы.
Наличие специального геттера, вообще говоря, не обязательно. Если лампа очень хорошо обезгажена и если, вдобавок, она содержит детали из титана (которые сами работают как геттер), то можно обойтись. И обходятся – в лампах типа «нувистор» геттера как отдельной детали нет.
Но нам еще осталась морока с высоким напряжением... Когда на лампу начнут подавать все более и более высокое напряжение, то будут происходить пробои – броски тока с последующим (если цепь не отключить) расплавлением электродов лампы. Посмотрим, почему и как это происходит.
Если на поверхности электрода есть пылинка или слабо держащийся кусочек материала, он отрывается, летит к противоположному электроду (кусочек заряжен, и поле его ускоряет), врезается в электрод, как метеор, испаряется и заполняет объем прибора паром. Если на электроде есть острие, на нем напряженность поля оказывается очень велика, начинается автоэлектронная (полевая) эмиссия – вырывание электронов из металла электрическим полем, пучок электронов разогревает электрод, а ток, протекающий по острию, разогревает острие; где нагрев – там испарение, объем прибора заполняется паром. Что так, что этак, но в парах материала электрода и происходит обычный пробой в газе. Собственно, высуньте голову в окно в подходящий момент – это она и сверкнула. Только в приборе маленькая, а между тучами – большая.
Теперь лампу надо отпаять от вакуумного поста, отделить от насоса. Если баллон стеклянный и откачка производилась по стеклянной трубке (штенгелю), ее нагревают. Атмосферное давление сжимает размягчившееся стекло, и трубка запаивается (точнее было бы сказать – заваривается). После отпайки ее надо прогреть для уменьшения напряжений в стекле. В лабораториях, когда отпайка ламп производилась вручную, она считалась искусством, которое высоко ценилось (ценой в те времена было уважение коллег). Неумелая отпайка могла погубить недельную работу.
Если лампа откачивалась через металлический штенгель, его откусывают. К счастью, не зубами, а специальными клещами, создающими в зоне «куса» столь высокие механические напряжения, что металл течет и происходит холодная сварка. Отпайка прибора от насоса и активирование катода могут производиться и в иной последовательности. В частности, при обработке маломощных приборов активирование производят после отпайки; выделяющиеся при этом газы откачивает геттер.
Затем к лампе приделывают цоколь, пишут на ней, как она называется, испытывают, измеряют ее параметры, упаковывают, везут – слышите: тук-тук, тук-тук, тук-тук – это стучат колеса. Следующий раз она увидит свет дня уже тогда, когда упаковку вскроют, а ее вставят в устройство – и начнется ее трудовая биография. Те, кто делал электронную лампу, надеялись, что эта биография будет долгой – и лампа постарается не обмануть их ожидания.
Чем она будет заниматься? Как уже говорилось, за лампами осталось несколько областей применения. Прежде всего – приборы на большие напряжения и токи, мощные приборы. Конечно, соединяя полупроводниковые приборы последовательно и параллельно, можно сделать схему, имеющую надлежащие параметры. Но это окажется уже не маленький изящный прибор, а большая, дорогая и, может оказаться, менее надежная схема. Выбор решения осложнен тем, что очень мощных приборов обычно требуется немного, а разработка такого электронного прибора – мероприятие очень дорогое. В результате оказывается дешевле сделать более дорогую схему, чем разработать более дешевый прибор. И на Западе, и в СССР были разработаны электронные лампы с напряжениями в сотни киловольт и токами в сотни ампер. Но широкого распространения они не получили.
Другая область применения, в которой положение ламп, по-видимому, более надежно – это генерация электромагнитных волн сверхвысоких частот: радиолокация, ускорительная техника и микроволновые печи. И есть, по крайней мере, еще две ситуации, в которых лампа явно выигрывает у транзистора – высокие температуры и мощная радиация. Но в технике редко бывает, что нет альтернативных решений. Для защиты от высоких температур существуют холодильные установки, для защиты от излучения – экраны. Какое решение будет выбрано, зависит от конкретной ситуации: требуемых параметров изделия, сроков и стоимости разработки. Но в любом случае грамотный выбор решения требует не только серьезного знания той или иной области техники, но и – что бывает, к сожалению, нечасто – широкого технического кругозора.
Размещение рекламы