Основним фактором, який повинні були враховувати інженери, стали особливі умови, в яких працює лампа: це високі температури і вакуум.
Після того як матеріали обрані, деталей з них потрібно надати відповідну форму. Найчастіше для цього застосовували ті ж способи механічної обробки, що і в інших галузях машинобудування та приладобудування. Правда, намагалися, наприклад, обійтися без механічної поліровки - після неї в поверхневому шарі залишається багато забруднень. В якості альтернативи використовували хімічну або електрохімічну полірування, а також шліфування. Раніше ніж де-небудь, у виробництві радіоламп знайшли застосування електрофізичні методи розмірної обробки: електроерозійна і ультразвукова.
Переважна більшість металевих деталей ламп отримували пластичною деформацією - гнучкою (струмопровідні елементи, сітки, навивати у вигляді спіралей на траверси), штампуванням (фрагменти анодів) і ін. В результаті змінювалася структура матеріалу - в ньому виникали механічні напруги, які згодом могли спотворити форму і розміри деталей. Знизити напруги і відновити структуру металу допомагає отжиг - витримка при високій температурі і повільне охолодження.
ЩО СПІЛЬНОГО МІЖ радіолампи й пляшку шампанського?
Коли відкривають пляшку з шампанським або газованою водою, починають виділятися бульбашки газу: при зменшенні тиску розчинність газів у рідині зменшується. Те ж відбувається і при нагріванні. У металах, з яких роблять радіолампи, теж розчинені гази, і, щоб у готовій лампі зберігався хороший вакуум, деталі піддають відпалу.
Атмосфера в відпаловому печі повинна бути дуже чистою, тільки в цьому випадку домішки йдуть з поверхні, а не насичують її. На перший погляд здається, що оптимально було б літати деталі і заготовки в вакуумі. Але отримати високий вакуум у великій печі, набитою брудними (за мірками електроніки) деталями, вельми непросто і дорого. Замість вакууму для відпалу добре підійшла атмосфера водню, який заодно відновлював оксидні плівки. Правда, водень проникає в деякі метали. Але на це, як правило, не звертали уваги: при обробці вже зібраної лампи водень відносно легко виходив з деталей і відкачувався насосами. Не можна лише літати в водні метали, активно поглинають водень, наприклад титан, - вони стають крихкими. Такі деталі відпалювали в аргоні, а іноді в сумішах інертного і відновлює газів.
При відпалі з металів видаляли азот, вуглець і кисень. На поверхні утворювалися вода і вуглекислий газ - це диффундирующие з глибини металу атоми водню і вуглецю взаємодіють з оксидами. Вуглець, який містився в сталевих деталях, при таких температурах не вступав в реакцію з воднем, і їх відпалювали під «вологому водні» - суміші водню і водяної пари. Зі скла і кераміки при відпалі також виділяються водяна пара і вуглекислий газ, але вони в такому вигляді розчинені в діелектриках.
Температура, тривалість процесу, склад газу, швидкість його течії, кількість, матеріал, розташування завантажуваних виробів - все впливало на результат, причому найчастіше непередбачуваним чином. Бувало, при відпалі забруднення переносилися з одних деталей на інші; незважаючи на надлишковий тиск у печі, туди проникали гази з атмосфери; лампи, зібрані з ретельно очищених деталей, виявлялися гірше, ніж ті, де деталі були більш брудними. Ці та десятки інших загадок, успішні й невдалі спроби їх вирішення становили щоденну роботу технологів.
Згодом таємницю шлюбу ламп із занадто добре очищеними деталями вдалося розкрити. Виявилося, що при особливо ретельному очищенню поверхню деталей стає хімічно активної і миттєво окислюється при добуванні їх з печі. У відносно ж брудних виробів на поверхні вже існує оксидна плівка, що захищає їх від подальшого забруднення.
БЕЗ ПОКРИТТЯ НЕ ОБІЙТИСЯ
Іншим надзвичайно важливим аспектом у виробництві радіоламп стало нанесення покриттів. На меблі покриття наносять, щоб виглядала красиво, на деталі машин - щоб уберегти їх від корозії, підвищити зносостійкість, поліпшити зовнішній вигляд. Тобто деталі і без покриттів не втрачають працездатності. В електронних лампах покриття, як правило, виконували саме робочу функцію. Так, оксид кальцію збільшує емісійну здатність катода. Такими ж властивостями володіють оксиди інших лужноземельних металів, зокрема барію і торію. У зв'язку з цим змінилася конструкція катодів: всередині вузького металевого циліндра з нанесеним на його зовнішню поверхню емісійним покриттям поміщали нитка нагрівача, покриту, в свою чергу, ізоляційною плівкою.
Лампи з подогревним катодами виявилися у багато разів ефективнішими і довговічними. Тому в технології електронних ламп іноді логічніше було говорити не про покриттях на деталях, а про деталі, які існують лише як основа для покриття. Наприклад, на екрани електронно-променевих трубок наносили (і зараз наносять) люмінофори - без них не отримаєш видимого зображення.
Застосовувалися і взагалі незрозумілі на перший погляд процеси. Наприклад, на слюдяні ізолятори ламп наносили покриття з частинок оксидів магнію і алюмінію, щоб зробити поверхню шорсткою. Ізолятор на ізолятор, та ще заради додання шорсткості? Вся справа в тому, що через високі температур металеві деталі ламп частково випаровуються, і не можна допустити, щоб частинки металу, осідаючи на ізоляторах, створювали суцільну плівку - може статися коротке замикання. А так вони потраплять тільки на виступи поверхні ізоляторів, а поглиблення залишаться чистими.
Взагалі, методів нанесення покриттів існує безліч. Наприклад, щоб сітки не емітували електрони (термічні через нагрівання від розташованого поруч катода або вторинні), на них гальванически наносять шар металу з високою роботою виходу - золото, срібло, титан, сплав олова з нікелем і ін.
Однак в технології електровакуумних приладів для освіти покриттів на деталі частіше завдають шар порошку і потім його спекают. Частинки порошку і підкладки зростаються один з одним за рахунок взаємної дифузії. Ступінь спікання зазвичай невелика, і покриття виходить пористим. Пористість не заважає роботі лампи, а часом навіть корисна. Схоже структурою на губку, пористе покриття має дуже велику поверхню, завдяки чому, скажімо, збільшується емісійна здатність катода або поглинає здатність геттера - спеціальної речовини, що розміщується в балон лампи і адсорбуючого залишилися після відкачування гази.
ЗВАРЮВАННЯ АБО ПАЙКА?
Готові деталі - катоди з емісійним покриттям, намотані на траверси сітки, підігрівачі з шаром ізолятора, штамповані з листа або масивні мідні аноди, ізолятори з слюди або кераміки, заготовки колб і висновків - укладали в особливі бокси, звані Ексикатор, з збезводненої і обеспиленою атмосферою , і можна було починати збірку.
У лампах деталі нерухомі (вони і не повинні рухатися, інакше всі параметри «попливуть»), тому їх з'єднували за допомогою зварювання, пайки і нерухомих посадок. Правда, спочатку деякі потужні лампи робили розбірними, і вони працювали з постійною відкачкою вакуумними насосами (але так тривало зовсім недовго).
Головна проблема для технологів полягала в тому, що доводилося зварювати і паяти найрізноманітніші матеріали: метали з металами, скло з металом, кераміку з металом. Крім того, в процесі роботи елементи лампи розігріваються, і якщо з'єднуються матеріали мають різні коефіцієнти теплового розширення, то в з'єднанні можуть виникати механічні напруги, що призводять навіть до його руйнування. Металеві деталі малопотужних ламп з'єднували зазвичай точкового контактного електрозварюванням; при виробництві потужних ламп застосовували аргонно-дугове зварювання, яка давала вакуумно-щільний шов і тому дозволяла зварювати деталі оболонки лампи.
При зварюванні плавляться матеріали обох деталей, що зварюються. Якщо ж один з матеріалів залишається твердим, то такий процес називається пайкою опалювальному. Саме так з'єднували скляну колбу лампи з металевими висновками, причому плавилося скло. До речі, для висновків винайшли особливий сплав заліза з нікелем (28%) і кобальтом (18%). Він називається підступний і має коефіцієнт температурного розширення майже такий, як скло. Щоб не виникало термічних напружень в місцях з'єднання висновків з електродами лампи, які виготовлені з матеріалів з зовсім іншими коефіцієнтами температурного розширення, використовували проміжні тонкі і гнучкі проводи, що грали роль амортизаторів.
При пайку кераміки і металу, навпаки, плавиться метал, причому часто застосовують так звану «активну пайку»: між керамічної і металевої деталями прокладають фольгу з титану, потім цей комплект стискають і нагрівають. За рахунок дифузії виникала перехідна зона, і матеріали міцно з'єднувалися. Нарешті, метал з керамікою (втім, і скло зі склом) можна з'єднати за допомогою пайки, але не металевими припоями, а «глазурями» - спеціальним легкоплавким склом.
А на які хитрощі доводилося йти, щоб з'єднати, наприклад, сапфір зі склом або кварц зі склом! Кварц розширюється при підвищенні температури на порядок менше, ніж скло, і технологам довелося розробити ряд з приблизно десяти стекол з поступово зменшується коефіцієнтом температурного розширення. Процес пайки йшов так: на кварц наплавляли перше скло, далі на нього - друге і так далі до звичайного скла: виходив такий собі листковий пиріг.
Ми так детально розповідаємо про технології, щоб стало зрозумілим, як багато проблем, часом найнесподіваніших, виникає перед інженерами і як часом витончено з ними справляється людський розум.
Тренуватися ЛАМПА ПРАЦЮЄ ДОВШЕ
Але ось лампа зібрана, пора відкачати з неї повітря, а заодно остаточно очистити і обезгазіть деталі. Для цього, не припиняючи відкачування, на електроди подавали робочі напруги. За допомогою подібного прийому, який називають тренуванням, вдавалося вирішити одночасно кілька завдань.
По-перше, відбувалося активування катода: чисто практично емісійне покриття простіше було наносити у вигляді карбонатів металів, а вже вони при нагріванні перетворювалися в оксиди, виділяючи вуглекислий газ, що видаляється вакуумним насосом.
По-друге, на електродах могли залишатися дрібні пилинки. Електричне поле зривало їх з місця і переносило на більш заряджений електрод. Розігнавшись в поле, вони, як метеорити, вдарялися об поверхню і випаровувалися.
Нарешті, на поверхні анода, яка ніколи не буває абсолютно рівною, залишалися гострі виступи. Напруженість поля там опинялася максимальної, і вістря було піддано інтенсивному бомбардуванню електронами. Метал в цих місцях нагрівався до температури випаровування, виступи автоматично згладжувалися, а пари металу відкачувати. (Якби таке в готової лампі, напевно стався б електричний пробій.) Наостанок на стінки балона напилювали тонкий шар металевого геттера, і залишалося лише отпаять скляну трубку (штенгель), що з'єднувала лампу з відкачує системою. Після цього на балон встановлювали цоколь і припаювали до висновків ніжки.
Нарешті промарковані лампи упаковані в картонні коробочки - і на радіозавод. А там в які тільки пристрої вони не потрапляли: в побутові радіоприймачі, в радіомовні передавачі, переносні радіостанції, телевізори, в пристрої автоматики, а пізніше - в перші комп'ютери. На переломі ХХ століття електровакуумні прилади випускали десятками мільйонів в рік, і їхнє майбутнє здавалося безхмарним. Однак в фізичних лабораторіях вже народжувався «могильник» радіоламп. Ним став створений в 1947 році американськими вченими У. Шоклі і Дж. Бардін напівпровідниковий транзистор. Новий прилад виконував ті ж функції, що і електровакуумний триод, але був дуже маленьким, довговічним і економічним, оскільки не вимагав енергії для підігріву катода.