|
Леонід Ашкіназі
Розглянуто історію електронних вакуумних приладів (сіткових ламп і СВЧ-приладів), принципи їх роботи, основи конструкції і технології.
Оповідання про будь-якому об'єкті техніки повинно складатися з розповіді про його теорії, конструкції, технології і застосуванні. Ось, наприклад, велосипед: його теорія з'єднує техніку з фізикою (гіроскоп), конструкція і технологія - з усією технікою (конструкція - з самописцем: ланцюгова передача, технологія - з метальним зброєю: гума), застосування з'єднує велосипед з психологією (прогулянки з дівчиною), соціологією (збут), біологією (мозочок). Причому все це повинно розглядатися в розвитку, в історії, і кінчатися прогнозом - чи буде кататися і як саме кіборгізірованний і клонований людина XXII століття? Я вважаю, що з морозивом у руці.
Зрозуміло, що послідовне і глибоке втілення такої програми - «це річ на століття, як Баальбекская платформа». І воно вимагає абсолютно нереального обсягу публікації. Спробуємо втілити цю програму послідовно, охопивши всі аспекти, але встановивши таку глибину захоплення, щоб укластися в статтю. При цьому читач отримує загальну картину, а уточнювати деталі йому доведеться - якщо виникне інтерес - самому.
Ці дві статті будуть про електронні лампах. У першій ми розглянемо теорію, конструкцію, історію і роль в цивілізації приблизно до середини минулого століття. У другій - їх роль у другій половині століття, технологію та перспективи. Для такого поділу матеріалу є кілька причин, головна з них така: у другій половині століття у ламп виник конкурент - напівпровідниковий прилад, транзистор. Це суттєво вплинуло на розвиток ламп, а конкуренція між лампами і транзисторами і поділ ними сфер впливу найсильнішим чином вплинули на техніку взагалі і на розвиток цивілізації в цілому. Досить сказати, що без транзисторів ми б не мали сучасних комп'ютерів, а без ламп - радіо і телебачення.
Почнемо з визначення і декількох принципових тез. Електронна лампа - це один з приладів, призначених для перетворення електричних сигналів, і він використовує вплив електричного і магнітного поля на електрони, що рухаються у вакуумі. Від напівпровідникових і газорозрядних приладів лампу відрізняє те, що в ній вакуум. Стало бути, потрібен балон, що відокремлює вакуум від атмосфери. Раз ми збираємося працювати з електронами, потрібен катод - електрод, з якого ми будемо отримувати електрони. Найчастіше це термокатодом, тобто енергію, необхідну електронам для виходу з катода у вакуум, ми будемо повідомляти ним шляхом нагрівання. Для нагріву потрібно нагрівач. Раз ми витягнули електрони, треба буде їх повернути (дотримуючись закон збереження заряду), тобто буде потрібно анод - електрод, який візьме електрони з вакууму і поверне їх у електричний ланцюг. І нам буде потрібно якийсь електрод, за допомогою якого ми будемо керувати електронами. У найпростішому варіанті такий електрод буде один, його називають сіткою, він дійсно на неї схожий, і саме крізь неї пролітають електрони, тримаючи шлях від катода до анода. При зміні напруги на сітці змінюється потік електронів: негативна напруга на сітці, негативний заряд відштовхує електрони, позитивний притягує. Сіток може бути кілька, напруга на кожній буде впливати на струм, і ми отримаємо змішувач - лампу, в якій сигнали будуть «змішуватися». Все це називається «лампи з електростатичним керуванням».
Якщо ми спробуємо посилювати такою лампою сигнал все більш високої частоти, то виникне проблема. Електрону потрібно якийсь час, щоб долетіти від катода до сітки, і якщо за час його польоту напруга на сітці встигне змінити знак, вплив напруги на струм ослабне і в підсумку зникне зовсім. Для роботи в області таких частот застосовуються лампи «з протяжним електронним пучком». Існує кілька типів таких ламп, а основні принципи їх роботи були запропоновані в передвоєнні роки - стимулом став розвиток радіолокації. Саме такі лампи застосовуються для космічного зв'язку і в телебаченні, і в доступному для огляду майбутньому вони не будуть витіснені напівпровідниковими приладами, оскільки є принципові фізичні обмеження на створення високочастотних і потужних напівпровідникових приладів. В області ж низьких частот електронні лампи в значною мірою поступилися місцем напівпровідників, за винятком високовольтних і потужнострумових приладів і ламп для високоякісного посилення звуку. У першому випадку напівпровідникова експансія обмежена відносно низьким - не більше декількох кіловольт - робочою напругою і відносно невеликим - не більше кілоампер - струмом, у другому випадку - нелінійністю залежностей струмів від напруг, прикладених до приладів. Ще дві області застосування, в яких напівпровідникові прилади не можуть змагатися з лампами, - це високі температури і радіація.
Якщо у визначенні електронної лампи викинути слово «електричних», то доведеться вважати лампою і кінескоп (в телевізорі й комп'ютері), який перетворює електричний сигнал в оптичний, і фотоелемент, який здійснює зворотну операцію, і електронно-оптичний перетворювач, який робить і те, і це. Відносити їх до електронних ламп чи ні - справа смаку. Ми так чинити не будемо з простої причини - інакше в статтю вже точно не вкладемося.
Електронна лампа виникла з електричної. Створив першу електронну лампу Т.А. Едісон, і сталося це так. Світло в електричних лампах випромінювався в ті часи напруженій вугільною ниткою. Від нитки летіли на всі боки не тільки фотони, але і щось, осідає на балоні і викликало його потемніння. Едісон припустив, що летять негативно заряджені вугільні пилинки. Якщо ввести в лампу додатковий електрод, - вирішив він, - і подати на нього позитивний щодо нитки потенціал, то пилинки будуть притягатися до цього електрода і не потраплятимуть на балон.
Але балони все одно темніли. прикро; зате Едісон виявив, що в ланцюзі додаткового електрода протікає струм. Так в 1883 році він відкрив два нових явища: протікання струму через вакуум і термоеміссія - випускання заряджених частинок нагрітими речовинами. Пізніше ця два явища разом були названі «ефектом Едісона». Як практично мисляча людина (автор понад 1000 патентів), він придумав і прилад на основі цих ефектів. Оскільки струм, поточний в ланцюзі додаткового електрода, сильно залежав від напруги, прикладеного до нитки (званого напругою напруження), Едісон запропонував використовувати цей ефект для виявлення малих змін напруги. А ось кінці батареї він не перекинув, і те, що в його умовах вакуум пропускає струм тільки в одному напрямку, не виявив. Доданий ефект був відкритий лише через 21 рік!
Тим часом в 1887 році (за деякими джерелами - в 1886-му) Дж.Дж. Томсон встановив, що струм в лампі Едісона переносять саме електрони, а не іони. Але, можливо, це властивість саме вугілля? Ні, якщо нитка була металевою, електронний струм виникав теж. Він ставав особливо великий, якщо нитка покривали порошком окису кальцію (ну, тобто зубним порошком). Так в 1904 році А. Венельт відкрив оксидний катод, який мав через півстоліття завоювати світ електронних ламп. У тому ж році Дж.А. Флемінг нарешті перекинув кінці від батареї, подав на додатковий електрод мінус щодо нитки і негайно виявив, що струм не йде. Він і створив вакуумний діод.
Однак цей діод був не зовсім вакуумним. У 1908 році Ф. Содді виявив, що при поліпшенні вакууму струм зменшується. Виникло природне - хоча й, на щастя, невірне - припущення, що в абсолютному вакуумі струму не буде зовсім. Вакуумна електроніка була готова померти, не народившись. З'ясувалося, що зменшення струму при поліпшенні вакууму викликане освітою в лампі негативного заряду. А чому він не впливав раніше? Адже вже летять через зазор катод-анод електрони мають негативний заряд, відштовхують електрони, тільки-тільки що вилетіли з катода, і зменшують цим струм, поточний через зазор. Але при наявності газу електрони іонізують його, причому нові електрони починають рухатися разом зі старими до анода, а позитивні іони, що мають в середньому в 60 000 разів більшу масу, йдуть з зазору повільно і тому створюють в ньому позитивний заряд, що компенсує заряд електронів. Тому при наявності газу сумарний заряд виявляється менше, а струм більше. Але і без іонної компенсації рух електронів у вакуумі виявилося цілком можливо. Перший справжній саме вакуумний діод був створений в 1913 році У. Кулідж і в 1915 році С. Дешманом. Для отримання в вакуумних лампах того ж струму, що і в лампах з частковою компенсацією просторового заряду, були потрібні великі напруги між катодом і анодом, але зате ці лампи працювали стабільніше. Бо хоча хороший вакуум і важче отримати, ніж поганий, але для роботи лампи з компенсацією потрібен не просто поганий вакуум, а стабільно поганий.
Основна формула, що описує роботу електронних ламп, була отримана І. Ленгмюром в 1915 році. Називають її чомусь не формулою Ленгмюра, а «законом 3/2». Втім, людина, яка зробила для фізики і хімії стільки, скільки зробив Ленгмюр, не став би витрачати час на суперечки про пріоритет. Закон звучить так: струм, який протікає через вакуумний зазор, пропорційний площі електродів, напрузі на зазорі в ступені 3/2 і обернено пропорційний квадрату ширини зазору. Це при позитивному напрузі на аноді щодо катода, коли анод притягує електрони. При негативному напрузі струм не йде. Тому діод може бути застосований в якості випрямляча, тобто приладу, що пропускає струм в один бік і не пропускає в іншу, як «нелінійного опору», не підкоряється закону Ома і, нарешті, відповідно до ідеї Едісона - для контролю малих змін напруги . З цих трьох ідей радіотехніка використовувала першу - активно, другу - слабше, а третю, здається, не використовувала зовсім.
Однак діод навіть не цілком лампа - в ньому немає незалежного способу управління рухом електронів. Чи існують інші, крім зміни температури катода і напруги на аноді, способи управління рухом електронів? Рух електронів залежить від електричних полів, створених наявністю зарядів і потенціалів на будь-яких електродах, що стоять на шляху електронного потоку або поруч з ним.
У 1906 році Лі де Форест поставив на шляху електронів сітку. Тепер керуючий сигнал треба було подавати на неї, а вихідним сигналом як і раніше був анодний струм. На рух електронів в лампі, і, отже, на ток анода, тепер впливають дві напруги - на аноді і на сітці. Причому сіткове впливає набагато сильніше - вона ближче до катода. Величину, яка говорить, у скільки разів зміна напруги на сітці впливає на ток сильніше, ніж зміна напруги на аноді, називають посиленням. Ставлення змін струму до зміни напруги на сітці - крутизною (не в сучасному розумінні, в у сенсі - крутизна характеристики, графіка). Крутизна визначає здатність лампи посилювати радіосигнали, коефіцієнт посилення - здатність лампи посилювати низькочастотне (звукове) напруга. Тому в залежності від призначення лампи треба боротися (як і слід було очікувати) за різні параметри. Зауважимо, що це були лампи «з поганим вакуумом», тобто з частковою компенсацією заряду. Справжній саме вакуумний тріод був створений І. Ленгмюра і Г. Арнольдом в 1915 році.
Для роботи перших тріодів потрібно було анодна напруга близько 100 вольт. Бідні радіоаматори тримали під столами батареї по кілька десятків банок, і несло від них кислотою ... Пізніше, коли радіоапаратура стала харчуватися в основному від мереж змінної напруги, що допускають його зміна шляхом трансформації, гострота проблеми зменшилася. Але не зникла зовсім, а, крім того, на шляхах зменшення анодного напруги було знайдено і вирішення проблеми великого посилення.
Чому тріода потрібно мати велике анодна напруга? Тому, що при цьому виходить великий анодний струм.Якщо анодна напруга зменшити, то зменшиться струм і, отже, крутизна. Як розірвати цей ланцюжок? Як отримати великий анодний ток при малій напрузі? Здавалося б, відповідь прямо випливає з формули Ленгмюра - наблизивши анод до катода. Так, але при цьому анодна напруга починає сильніше діяти на струм і, отже (дія-то сітки залишається таким же!), Зменшується посилення. Тобто добре б і наблизити анод до катода, і не наблизити його ... Напевно, приблизно так міркували В.І. Коваленков в 1911 році і той же І. Ленгмюр в 1913 році, які запропонували ввести в тріод додаткову сітку, що знаходиться найближче до катода, і подати на неї позитивне напруга. Ці лампи були названі «двухсеткамі», і вони дійсно працювали при менших анодних напругах - близько 10 ... 20 В. Але з роками отримувати високі напруги стало легше, і, здавалося, повік двухсеток скінчився.
Друге народження другої сітки сталося, коли В. Шотткі і А. Холл, за одними джерелами - в 1919, а за іншими - в 1926 році, запропонували розташувати другу сітку не ближче до катода, а навпаки - ближче до анода. Пріанодном сітка екранувала катод від анода, зменшувала його вплив на струм, і, отже, збільшувала посилення. Ця лампа була названа тетродом. Так була вирішена проблема малого посилення тріода. В. Шотткі і А. Холл ще увійдуть в історію фізики - відкриттям ефекту Шотткі і ефекту Холла, але поки вони цього не знають.
Втім, і крутизну хочеться збільшити. З формули Ленгмюра видно, як її збільшити - наблизити сітку до катода. На цьому шляху за двадцять років (з початку сорокових до кінця п'ятдесятих років) зазор сітка-катод було зменшено в 10 разів: з 200 до 20 мікрон. Але це вимагало створення технології виготовлення дроту діаметром 7 мікрон (у 7 разів тонше волосся) і радикальної зміни технології і конструкції ламп. Адже мало виготовити цей дріт, треба ще зробити з неї сітку, на щось намотати, якось закріпити. Все це було зроблено, але лампи з такими сітками були складні у виробництві і дороги. Інший шлях - це був знову шлях двох сіток: прікатодном сітка з позитивним потенціалом збільшувала струм і крутизну.
У 1926 році фірмою «Філіпс» був випущений пентод - лампа з п'ятьма електродами або трьома сітками. Третя сітка перебувала між другою і анодом. На неї подавалося напруга, більш низьке і чим на другій сітці, і чим на аноді, частіше за все її просто з'єднували з катодом. Третя сітка була призначена для боротьби з «динатронним ефектом» - попаданням на другу сітку електронів, вибитих з анода (цей ефект називається вторинної електронної емісією). Вона їх відштовхувала і повертала додому - на анод.
Друга сітка була введена для отримання більшого посилення, третя - для позбавлення від динатронного ефекту. Але нізвідки не випливає, що їх не можна застосовувати і для чого-небудь іншого. Наприклад, якщо на одну сітку подати змінну напругу з частотою f1, а на іншу - з частотою f2, то в ланцюзі анода лампи будуть протікати струми з частотами nf1 ± mf2, де n і m = 0, 1, 2, 3 ... (результат повинен бути більше нуля). Фільтрами, налаштованими на відповідні частоти, ці струми можна розділити. На «змішуванні» частот і виділення різницевої частоти f1 - f2, де f1 - частота сигналу, а f2 - сигналу, що генерується в приймачі спеціальним генератором (гетеродином), заснована радіозв'язок. Лампа, в якій змішуються сигнали, називається «змішувачем». Існують лампи з чотирма сітками (гексод), п'ятьма (гептод) і шістьма (октод). У деяких випадках частина лампи виконує роль «лампи гетеродина», а частина - «лампи змішувача». У цьому випадку передача сигналу з гетеродина в змішувач відбувається не по дротах, а шляхом потрапляння електронів з однієї частини лампи в іншу, тобто струмом у вакуумі.
Як працює звичайний тріод при подачі на нього високочастотного змінного напруги? Поки напруга на сітці більше середнього, на електрони, які летять від катода, діє велика прискорює поле. Якщо напруга менше середнього, прискорює поле теж менше. Якщо, поки електрон летів, пройшов період змінної напруги, то підсумкове вплив на електрон відсутній - полперіода його штовхали, полперіода гальмували. Отже, на частоті, на якій період змінної напруги дорівнює часу прольоту електрона, лампа працювати вже зовсім не може. Кращі СВЧ-лампи працюють на частотах до 10 гігагерц. Досягається це зменшенням зазору між катодом і сіткою до 10 мікрон - з відповідним зростанням складності виготовлення і вартості, а також зменшенням надійності та потужності.
Зі збільшенням робочої частоти виникають і інші проблеми. Оскільки напруга на сітці змінюється, електрони влітають в зазор сітка-анод з різними швидкостями. Час прольоту від сітки до анода теж не дорівнює нулю, і електрони можуть «плутають» - влетіли пізніше, але з великими швидкостями, можуть обганяти влетіли раніше, але з меншими швидкостями. В результаті буде спотворюватися форма імпульсу, якщо лампа працює в імпульсному режимі. Нарешті, резонансна частота контуру зростає зі зменшенням індуктивності і ємності. Якщо лампа працює на деякій частоті, звичайно в її сіткової і анодного ланцюгах застосовуються контури, настроєні на цю частоту. Але лампа має власну ємність (між електродами) і власну індуктивність (вводів). Ні менше цієї ємності, ні менше цієї індуктивності ємність і індуктивність контуру зроблені бути не можуть.
Це проблеми, пов'язані з частотою. Є ще проблеми, пов'язані з потужністю. Дальність дії радіолокатора і радіопередавача і здатність працювати в умовах перешкод залежать від потужності. Її можна збільшити або шляхом збільшення струму лампи, або шляхом збільшення напруги. Оскільки максимальна щільність струму, що відбирається з катода, обмежена, треба або збільшувати площу катода, або напруга. І те й інше означає збільшення розмірів лампи, оскільки при збільшенні напруги доводиться збільшувати зазори між електродами щоб уникнути електричного пробою.
Іноді - і це найцікавіше - рішення буває проміжним, коли нова лампа не є просто збільшеною старої, а складається як би з декількох ламп в загальній вакуумної оболонці. Іноді ці лампи мають і ще якісь загальні деталі. Наприклад, стандартним рішенням є наявність в лампі декількох катодів при одній сітці і одному аноді. Іноді межа між «загальним» і «приватним» проходить так хитро, що не відразу і розберешся. Наприклад, в багатопроменевої лампі, яка була запропонована В.Ф. Коваленко в 1940 році і А.П. Федосєєвим в 1941 році, катод нагрітий весь, але покриття, емітує електрони, заповнює не всю його поверхню, а тільки ділянки між стрижнями сітки. Тому електрони пролітають в основному повз сітки навіть при позитивному напрузі на ній.
Одним з напрямків розвитку конструкцій ламп були спроби зменшення кількості деталей. У 1934 році Ю.А. Кацман і А.А. Шапошников запропонували конструкцію «штабельной лампи». На керамічних рамках закріплювалися окремі електроди, потім рамки складалися штабелем, стопкою. Така лампа могла бути маленькою, її збірку можна було механізувати. Вона була термостійкої (рамки з кераміки) і високочастотного (малі зазори).
В електронній лампі електрони пролітають крізь сітки. Уявіть собі електронний потік, що пронизує дві близько розташовані сітки. Поки між сітками немає напруги, отже, в зазорі між ними немає поля, кожен електрон вилітає з зазору з тією ж швидкістю, з якою влітає в нього. Коли напруга між сітками є, швидкість електронів буде збільшуватися, якщо поле між сітками прискорює, і зменшуватися, якщо гальмівний. Що станеться, якщо напруга змінюється синусоидально? Електрони, що перетинають зазор при прискорює полі, будуть рухатися швидше тих, які перетинали зазор при гальмуючим поле. В результаті електрони почнуть збиратися в згустки, що складаються з електронів, які пролетіли зазор раніше, але при котрий гальмує поле, і пролетіли пізніше, але при ускоряющем поле. Так утворюється електронний прибій - електронні хвилі, накочуються на берег ... Електронні згустки - це щось потужне, серйозне, майже відчутне. Так що начебто можна мале напруга перетворити в щось більше. Але будь-що?
Модуляцію швидкості ми створили, пропустивши електронний потік між двома сітками. Спробуємо використовувати ту ж систему для відбору енергії від електронних згустків. Якщо, скажімо, електронні згустки пролітають через зазор між сітками, в якому є гальмує полі, то з зазору електрони вийдуть з меншими енергіями - значить, частина енергії ми у них відібрали. Треба б це поле створити ... Зараз ми введемо дуже важливе для техніки електровакуумних приладів поняття - «наведений струм». Нехай всередині зазору, від лівого електрода до правого, летить електрон (хоч один, хоч згусток). У міру польоту напруженість поля між лівим електродом і згустком убуває, а між згустком і правим електродом зростає. Значить, змінюються і щільності зарядів на електродах і, отже, протікає струм в ланцюзі, що з'єднує ці електроди. Це і є наведений струм. Зверніть увагу - електрон не потрапляє на електрод, а струм в ланцюзі йде.
Цей струм і несе енергію, віддану електронами. Він може заряджати акумулятор, виділяти тепло в опорі або використовуватися як-небудь інакше. Якщо електроди з'єднані опором, то на ньому, відповідно до закону Ома, при протіканні струму виникне напруга. Ця напруга має таку полярність, що поле гальмує електрони. Інакше і бути не могло - якби полярність напруги була б іншою, пучок сам собою б прискорювався. Як тоді бути з законом збереження енергії? А так все в порядку - енергія, втрачена пучком, надходить в навантаження і, якщо це просте опір, перетворюється в тепло. Отже, за допомогою двухсеточного зазору можна створити у електронного пучка модуляцію по швидкості, потім вона перетворюється в модуляцію по щільності, і за допомогою двухсеточного ж зазору у такого пучка можна відняти енергію. Цей прилад винайшли в 1939 році брати Р. і З. Варіан і, незалежно, В. Хан і Г. Меткалф. Назвали вони його «клістрон» - від грецького слова, що означає бити чи обливали хвилею. Пізніше його стали називати пролітний клістрон, щоб відрізняти від іншого приладу, про який ми розповімо трохи нижче. Обидва ці приладу можуть працювати на частотах, в 100 разів більш високих, ніж кращі лампи з електростатичним керуванням.
Уявіть собі, що треба передавати інформацію та є передавач, що працює на деякій частоті f. З якою швидкістю можна передавати інформацію при наявності такого передавача? Нехай ми можемо управляти переданим сигналом, вирізаючи з нього окремі періоди коливань. Таким способом можна передавати інформацію зі швидкістю f біт / с (1 біт - це один вибір з двох ситуацій: є полуволна чи ні, а щоб надіслати літерного тексту треба 5 біт на букву (якщо різних букв - 32)). Існує багато видів модуляції, і швидкості передачі інформації з їх допомогою різні. Але порядок величини буде таким, як ми отримали. Чим більше інформації ми хочемо передати, тим вище потрібна робоча частота, тому телевізійні передачі ведуть на частотах метрового діапазону і навіть на більш коротких хвилях. Крім того, високочастотні електромагнітні коливання використовуються в радіолокації, для живлення прискорювачів і для багатьох інших цілей, в тому числі для нагріву продуктів в мікрохвильових печах.
Згадаймо про проблеми ламп. Ось якими вони були: час прольоту катод - сітка, час прольоту сітка-анод, ємність / індуктивність лампи. Як надійшов з цими проблемами клістрон? Зменшити час прольоту можна збільшенням швидкості електрона. Це і зроблено в клистроне. Спочатку електрон прискорюється щодо високою напругою і лише потім вводиться в двухсеточний керуючий зазор. Час прольоту сітка-анод звернено на користь - саме в цей час швидкісна модуляція перетвориться в модуляцію по щільності. А що робити з ємностями і індуктивностями? Уявімо собі контур, налаштований на дуже високу частоту. Конденсатор в ньому - дві пластини, індуктивність - шматок дроту, їх з'єднує. У такого контуру є недолік - він буде сильно випромінювати в навколишній простір. Як з цим боротися? Відомо як - екрануванням. Прокрутимо подумки провід, який з'єднує пластини конденсатора, навколо осі - отримаємо щось, схоже на тор ( «бублик»). Разом з пластинами він утворює те, що називається «об'ємний резонатор». Ємність у нього пов'язана з пластинами, а індуктивність - з іншою оболонкою. А як добре він поєднується з двухсеточним зазором! Треба тільки зробити зазор з двох сіток, або на лампу з двухсеточним зазором надіти зовні (можна вже поза вакууму) «індуктивну» частина резонатора - тор. Для неозброєного ока він виглядає порожнім зсередини. Але ми-то знаємо - всередині у нього магнітне поле. Прогоновий клістрон можна легко перетворити в генератор. Для цього треба вивести частину сигналу з вихідного резонатора і повернути її у вхідній. Якщо зсув фаз в самому клистроне і в колі зворотного зв'язку такий, що частина вихідного сигналу, повертаючись на вхід, збігається за фазою з вхідним сигналом, підсилювач може перетворитися в генератор.
Зауважимо, що сигналом є і сам електронний потік, точніше - що поширюються в ньому електронні згустки.Що, якщо змусити їх повертатися у вхідний резонатор? Нехай, наприклад, замість другого резонатора стоїть «відбивач» - електрод, на який подано негативна напруга. Згусток підлетить до нього, розвернеться і полетить назад, до вхідного зазору. Проходячи через вхідний зазор, такий згусток викличе появу електричного поля. Якщо фаза цього поля така, що воно буде посилювати модуляцію електронного потоку, з кожним прольотом сигнал буде наростати, прилад почне генерувати електромагнітне поле. Змінюючи напругу на відбивачі, можна керувати часом польоту згустку між першим і другим проходами через резонатор. Чим більше негативна напруга на відбивачі, тим на більшій відстані від себе він зупинить згусток і змусить повернутися його в зазор. Тому у відбивної клістрона частота генеруючих коливань змінюється при зміні напруги на відбивачі. Природно - він генерує на тій частоті, на якій виконується умова збігу фаз, а час польоту згустку і фаза його прибуття залежать від напруги на відбивачі. Але звідки береться найперший згусток, найперша неоднорідність потоку, з якої починається лавинної наростання сигналу, що переходить в генерацію? Найперші неоднорідності - це флуктуації електронного потоку, випадкові неоднорідності, які є завжди. Хоча б тому, що потік заряду не безперервний - він складається з окремих електронів.
Відбивний клістрон був створений в 1940 році В.Ф. Коваленко і, незалежно від нього, Н.Д. Девяткова, Е.Н. Данільцева, І.В. Піскуновим. Протягом десятиліть він був основним типом генератора надвисокочастотних (НВЧ) коливань. Пізніше напівпровідникові прилади склали відбивної клістроне серйозну конкуренцію. Однак в діапазоні міліметрових довжин хвиль ЕВП як і раніше «дають фору» напівпровідників.
Тут ми повинні зробити невелике чисто людське відступ. У багатьох книгах про винахід відбивної клістрона писали, що він був винайдений академіком Девяткова. І все. І не брехали, і правди не говорили. Успішно замовчувалася роль Вадима Коваленко і в інших випадках. А він вніс великий внесок в розвиток радянської вакуумної електроніки: досить сказати, що в деякі роки половина статей в журналі «Електроніка НВЧ» - головному журналі галузі - містила або посилання на його роботи, або подяки йому «за корисне обговорення», «за критику " і т.п. І це при тому, що своїх оригінальних публікацій у нього було небагато. Він разюче умів вгадувати важливі проблеми, успішно вирішував їх і писав ясні статті - в сенсі методики викладу багато його роботи залишаються неперевершеними. Ми все робили одну справу, звідки ж бралася заздрість? Невже тому, що він - розумна людина і чудовий оповідач - користувався великим успіхом у жінок? Ми всі рівні перед історією, вона все розставить по своїх місцях, суперечки про пріоритет не потрібні тим, кого все одно давно немає з нами, а колись вони не будуть потрібні і нам. Наша чесність - в цих питаннях теж - потрібна нам самим і зараз.
Проблем в області конструкції і технології ЕВП СВЧ виявилося чимало. Простіше сказати, що там все - проблема. По-перше, сітки, що утворюють зазор в резонаторі. Якась частка електронів осідає на цих сітках, миттю перетворюючи всю свою кінетичну енергію в теплову. Сітки робили і тугоплавкі, і з тонкими високими ребрами (щоб вони краще передавали тепло на охолоджувану частина резонатора), але все одно - в потужних приладах сіток як таких немає. Електронний пучок летить через отвір - як би через сітку з одним великим вікном.
Наступна проблема - «вікно для виведення енергії». Потужні електромагнітні коливання генеруються у вакуумі, а потрібні вони нам зовні приладу, в повітрі. Здавалося б, особливої проблеми немає - будь-яке скло або кераміка прозорі для електромагнітного випромінювання і «не прозорі» для повітря. Але частина електромагнітного випромінювання поглинається склом або керамікою і нагріває її. Кераміка - матеріал сам по собі термостійкий, однак при нагріванні збільшується її провідність, вона починає сильніше поглинати електромагнітне випромінювання, ще сильніше нагріватися і так далі. Цей процес називається тепловим пробоєм, а закінчується він наскрізним проплавлення отвором, що з'єднує вакуумний обсяг приладу і атмосферу.
Багато ЕВП СВЧ працюють в імпульсному режимі. Це означає, що електронний потік обрушується на поверхню колектора імпульсами - скажімо, 1 мкс струм йде, а потім 1 мс струму немає. Тут, на колекторі, кінчається коротка, але яскрава біографія електрона - у вакуумі він прискорювався, гальмувався і генерував, а в металі є тільки безликий електронний газ, там електрони не відрізняються один від одного. Але наостанок електрон мстиво робить ось що - віддавши залишок енергії на нагрів колектора, він сприяє його руйнування. Дійсно, коли струм йде, поверхня колектора нагрівається, у паузі - остигає. При нагріванні і охолодженні виникають термічні напруги, в матеріалі колектора потроху накопичуються дислокації, потім виникають тріщини, і в підсумку колектор починає руйнуватися.
Що стосується вікон для виводу енергії, то вони перегріваються і руйнуються через поглинання в них енергії електромагнітної хвилі. Здавалося б, створенням діелектриків з дуже малою провідністю це завдання можна вирішити. На жаль, електрон, б'ючись об будь-який матеріал, вибиває з нього вторинні електрони. Ну і що? Нехай навіть шалений електрон вдарився в керамічне вікно виведення енергії - ну виб'є він скільки-то вторинних електронів, ну розлетяться вони куди попало, і все. Але, по-перше, виб'є він вторинних електронів досить багато - кілька штук. По-друге, раз вікно це призначене для виводу енергії, то, значить, навколо нього і в ньому самому завжди є сильне електромагнітне поле. Вторинні електрони прискоряться цим полем, наберуться від нього енергії, вріжуться в кераміку, виб'ють з неї ще більше вторинних електронів, які знову прискоряться полем, і пішло-поїхало. Електронна лавина наростає, енергія віднімається від електромагнітної хвилі і йде на нагрів вікна. Такого знущання - а воно називається високочастотним вторинно електронним розрядом - не витримує сама високотемпературна кераміка. Рішення було знайдено, але про це - пізніше. А поки поговоримо про інше приладі.
Можливо, що винахідник лампи біжучої хвилі Р. Компфнер придумав її в 1944 році, піднімаючись по якій-небудь сходах. Особливо зручно було б зробити це винахід, якби в середині сходового отвору повільно рухався ліфт, а людина, швидко піднімався по сходах, міг би заглядати в кабіну. Звичайно, відновити, як саме було зроблено винахід, важко. Технічний детектив в чем-то, мабуть, сильно відрізняється від просто детектива, бо хороших детективів багато, а хороших технічних детективів мало.
Уявіть собі, що ліфт рухається трохи швидше людини і з нього підштовхують що біжить гвинтовими сходами людини - швидше, швидше! Згідно з третім законом Ньютона, на ліфт буде діяти сила, спрямована проти руху, він буде гальмуватися і віддавати свою енергію людині, що біжить по сходах. В результаті їх швидкості зрівняються. Чи не обвиває сходи навколо шахти ліфта, нічого б не вийшло - людина рухається по прямій сходах швидше ліфта. А якщо вона обвивається, довжина її збільшується. Можна підібрати кут нахилу витків спіралі ( «сходи») і швидкість електронів ( «ліфта») так, щоб електромагнітна хвиля, що біжить по спіралі, мала ту ж швидкість переміщення уздовж осі спіралі, що і електрони.
Візьмемо дріт, звернемо її в спіраль і запустимо в один її кінець електромагнітну хвилю. По осі ж пропустимо електронний пучок і почнемо варіювати енергію (швидкість) електронів. Коли енергія електронів буде така, що швидкість їх стане трохи більше швидкості хвилі ( «осьової» швидкості), почнеться перекачування енергії від електронів до хвилі, і з вихідного кінця спіралі ми отримаємо більш потужну хвилю і кволі - зі зменшеною енергією - електрони. У лампі біжучої хвилі, як і в клистроне, відбувається перетворення модуляції за швидкістю в модуляцію по щільності. Тільки напруженість поля у спіралі менше, ніж в резонаторі (в резонаторі є резонанс). Тому потрібен великий шлях - і електронам і хвилі треба пройти багато витків спіралі, щоб виникла помітна модуляція, а потім, після перетворення модуляції, хвиля почала посилюватися, відбираючи енергію від збираються в згустки електронів. Збираються електрони в ті місця хвилі, де поле змінює знак - ззаду воно прискорює, спереду гальмівний, - як люди перед входом в метро в годину пік.
Можна зробити з клістрона і ЛБХ гібридний прилад, узявши один кінець від одного приладу, а інший - від іншого. Якщо створювати вихідну модуляцію, як у ЛБХ, потім давати електронам подрейфовать, а знімати сигнал з пучка резонатором, як в клистроне, вийде один гібридний прилад. Якщо ж створювати вихідну модуляцію, як у клистроне, а знімати сигнал з пучка, як у ЛБХ, вийде інший гібридний прилад. Всі ці прилади вже придумані. Як би дізнатися, які прилади ще не придумані? Нижче ми повернемося до цього цікавого питання.
Ми почали з аналогії між сходами і спіральної сповільнює системою. Раніше всіх в ЛБХ була використана в якості сповільнює системи спіраль. Але час минав, вимоги до потужності і робочій частоті ЛБХ збільшувалися. А спіраль важко охолоджувати - вона закріплюється на діелектричних опорах, які проводять тепло погано. При довжині хвилі менше 5 мм зробити спіраль стає важко. Для роботи в області великих потужностей і малих довжин хвиль застосовуються інші сповільнюють системи. Такі системи складаються з окремих резонаторів, пов'язаних отворами, через які електромагнітне поле проникає з одного в інший.
ЛБХ, як і клістрон, можна перетворити в генератор. За спіралі хвиля може поширюватися в обидві сторони. Йдучи в одну сторону, вона посилюється, підкачуючи від пучка, а в іншу біжить сама по собі, потроху затухаючи. Чи не можна зробити якусь подобу ЛБХ, в якій буде посилюватися зворотна хвиля? Тоді замикання ланцюга зворотного зв'язку буде автоматичним, навіть без урахування відображень на кінцях: в одну сторону енергія буде переноситися електронами, а назад - хвилею. І ми отримаємо генератор. Але чи можна зробити так, щоб електрони віддавали енергію хвилі, що поспішає назустріч їм? Уявіть собі, що електронний пучок летить з одного боку від металевого екрана з вікнами, а хвиля біжить з іншого. Нехай електронний згусток, пролітаючи повз вікна, побачив там гальмує полі, загальмувався, віддав частину енергії і полетів далі. У наступного вікна він знову побачив гальмує полі і знову постраждав. Ви відразу ж бачите, що таким способом можна посилювати хвилю, не обов'язково має ту ж швидкість, що і електронний згусток. Важливо лише, щоб електрон, пробігаючи повз вікна, бачив в них однакові фази коливань.
Згусток буде в наступному вікні бачити не те місце хвилі, з яким взаємодіяв в попередньому вікні, а інше. Але що з того? Він буде віддавати енергію, а хвиля буде посилюватися. При цьому електрону байдуже, куди летіла ця хвиля - з ним або назустріч.
Конструювання - завжди компроміс. Якщо більше потужність - то менше діапазон частот, а якщо немає - то коротше термін служби або дорожче прилад. І так одне за інше, інше за третє, п'яте і дев'яносто дев'яте ... При певній довжині хвилі резонатори в клистроне і спіраль в ЛБХ повинні мати певні розміри. Якась частка електронного пучка перехоплюється сіткою в зазорі резонатора або спіраллю. Пучок перехоплюється - потужність виділяється - деталь нагрівається - метал випаровується або плавиться. Якщо плавиться, то все ясно. А якщо випаровується, то пари осідають або на ізоляторах, перетворюючи їх в провідники, або на катоді, змінюючи його склад до втрати працездатності.
Що робити? По-перше, можна шукати конструкції, в яких менше щільність потужності, що виділяється на поверхнях електровакуумних приладів. Ну звичайно, електронний пучок не повинен перехоплюватися тим, що не має. Але при спробі стиснути пучок сильніше він втрачає ламінарного. Такий пучок не вдається сильно загальмувати (рекуперировать) на колекторі, ккд приладу падає. Не будемо розмотувати ці клубки до дев'яносто дев'ятого шару, але повірте - цифра не перебільшена. У лампі біжучої хвилі все пов'язане одне з іншим. Як і в інших приладах. Життя взагалі так влаштована. І не ситуація в ЛБХ - найважча для розуміння.
Прилад, званий магнетроном, був винайдений... о, це довга історія! Справа в тому, що на відміну від ЛБХ і клістрона, винахід магнетрона складалося з декількох етапів - один елемент, потім другий, третій і так далі. А.У. Хол - 1921 рік, Яга і Окабе - 1928 рік (це той самий Яга, який «антена Уда-Яги» - подивіться на дах будь-якого будинку), Г. Бут і Дж. Рендалл - 1939 рік, нарешті - Н.Ф. Алексєєв, Д.Є. Маляров і В.П. Ілясов в 1939 році (ще раз про пріоритет - у багатьох книгах про останнього не згадують, в деяких - неправильно пишуть його прізвище). Деякі ЛБХ цікаві тим, що виготовляються лише в декількох десятках екземплярів (ЛБХ для супутників зв'язку), а магнетрон цікавий тим, що це перший дійсно масовий СВЧ-прилад. Бо ті магнетрони, які використовуються в СВЧ-печах, вперше почали випускатися в Японії мільйонами. Традиційна японська кухня віддає перевагу варити, парити і гасити, а не смажити. Рум'яна кірочка (містить, між іншим, канцерогенні продукти термолізу низькосортних жирів) - не її мета. Так ось, СВЧ-печі якраз і роблять щось схоже на варіння, парку і гасіння, оскільки електромагнітна хвиля надвисокої частоти поглинається всім обсягом відразу.
Магнетрон - це прилад з «схрещеними полями»: з магнітним і електричним полями, перпендикулярними один одному. Електрон вилітає з катода з малою швидкістю і починає рухатися до анода. Поки електрон пролетів мало і швидкість його мала, сила, що діє з боку магнітного поля, теж мала, і електрон летить майже по прямій. У міру наближення до анода швидкість електрона зростає, сила Лоренца збільшується, траєкторія згинається. При малої індукції магнітного поля електрон відхилиться від прямої, але анода досягне. При великий індукції поля траєкторія електрона анода не досягає, він описує криву і повертається до катода, зменшивши свою швидкість до нуля - відповідно до закону збереження енергії.
Але якщо в обсязі приладу збуджуються коливання електромагнітного поля, тобто відбувається генерація, то енергія, яка перекачується в поле, повинна відбиратися від електронів. Значить, частина з них не повертається до катода - у них не вистачає на це енергії. Вони падають на анод, а отриману від постійного електричного поля енергію частково віддають на генерацію електромагнітного поля, а частково - анода. У лампі біжучої хвилі електрон падає на ділянці від катода до початку сповільнює системи. Падає в тому ж сенсі, в якому падає камінь, що відірвався від вертикальної скелі - рухаючись по силі, зменшуючи потенційну енергію і збільшуючи кінетичну. Електрони входять в замедляющую систему, набравши швидкість, і вже в ній віддають кінетичну енергію електромагнітної хвилі.
У магнетроні поведінку електронів описується двома процесами - сортуванням і фазіровкой. Електрон, який вийшов з катода в такий момент, що потім він повинен віддавати енергію хвилі, падає на анод, падає і віддає енергію. Електрон, який вийшов з катода в такий момент, що хвиля повинна віддавати йому енергію, тут же завершує свою біографію, врізавшись в катод. Це і є сортування - тому більшість електронів віддає енергію хвилі, а не забирають її у неї. Крім того, електрони «фазує», збираються в згустки, як в ЛБХ.
У чинному магнетроні в кожен момент часу заряди і потенціали ділянок поверхні між входами в резонатори чергуються. При цьому виникає електричне поле, яке спрямоване від позитивно заряджених ділянок до негативних. А оскільки магнітне поле перпендикулярно електричному, виникає сила Лоренца, яка прискорює і гальмує електрони, що потрапили в зони дії по-різному спрямованого електричного поля і, отже, збирає (помічаєте аналогію з роботою ЛБВ?) Електрони в згустки, простягнуті від катода до анода і звані «спицями».
Класичний магнетрон має циліндричний катод і циліндричний, коаксіальний йому анодний блок з резонаторами - тобто уповільнює система згорнута в кільце і електронні траєкторії теж замкнуті. Тому магнетрон - генераторний прилад: сигнал в ньому «повертається». Але, розімкнувши або одне, або інше, або і те й інше разом (разом 4 варіанти), можна перетворити магнетрон в підсилювач. Не кажучи вже про те, що магнетрон може працювати на прямий і на зворотній хвилі (як ЛБХ) і може використовувати сформований своїм катодом або введений ззовні ( «інжектованих») електронний пучок. Так-сяк 4 × 2 × 2 × 2 = 32 варіанта приладів зі схрещеними електричним і магнітним полем. І не всі вони реалізовані ...
Ще одна важлива відмінність магнетрона від клистрона і ЛБХ - «переплетеність». У клистроне все окремо - катод, вхідний резонатор, дрейфовий простір, вихідний резонатор і колектор. В ЛБХ середні три елементи з'єднані в спіралі: вхідні її частина в основному модулює пучок, вихідна в основному знімає сигнал з пучка і вся вона - пролетное простір. У магнетроні переплетено все - все його перетину еквівалентні, всі вони містять шматочок катода, шматочок прогонової простору, колектора і сповільнює системи.
Про переплетенні роботи і життя розповідає єдина художня книга, названа ім'ям електровакуумного приладу. Книга «Магнетрон» була написана в 1957 році фізиком Г.І. Бабат і письменницею А.Л. Гарф. Це книга про часи, коли перед фізиками Америки і Англії стояло питання: як зробити, щоб на екранах радарів було видно перископи німецьких нацистських підводних човнів? Зараз це взагалі не питання - довжина хвилі, яку генерує магнетрон, повинна бути менше діаметра перископа. А тоді це питання коштував - і не «64 тисячі доларів», як пожартував персонаж Ст. Лема, а десятки тисяч життів.
Але звідки в магнетроні взялося електромагнітне поле, чому виникла генерація? Як ви вже знаєте, електронні згустки, пролітаючи повз резонаторів, викликають появу в металі наведеного струму, а в резонаторі - поля. Якщо період виступів підібраний правильно, то поля, що виникають при прольоті згустків, складаються, поле посилюється, і в результаті ми отримуємо найпотужніші надвисокочастотні електромагнітну хвилю. Частина електронів, емітованих катодом, повертаються на нього, причому маючи цілком пристойну швидкість. Повернення таких електронів на катод тягне його нагрівання. Іноді потужність, яка надходить на катод, виявляється так велика, що його доводиться не гріти, а охолоджувати. Електрони, що потрапили на катод, вибивають з нього вторинні електрони. Цей вид емісії називається вторинної електронної емісією. Часто вторинна електронна емісія виявляється достатньою, щоб магнетрон працював тільки за її рахунок.
Конструкторських і технологічних проблем в магнетроні багато. Одна з них - проблема забезпечення малих розмірів і малих допусків (тобто точних розмірів). Ця проблема загальна для багатьох ЕВП, але, погодьтеся, намотати спіраль діаметром 1 мм для ЛБХ простіше, ніж зробити анодний блок для магнетрона діаметром теж 1 мм. Застосовують пайку (для резонаторів лопаточного типу), видавлювання, електроіскрову і електрохімічний обробку, різання і свердління електронним променем і, нарешті, все традиційні види металообробки. Видавлюванням вдається робити системи з товщиною лопаток 0,1 мм, а допуски на розміри при електроіскровий обробці складають 1 мкм. Коли ж розміри анодного блоку стають менше 1 мм, йдуть, наприклад, на таке хитрування - роблять окремі пластини з фольги товщиною 10 ... 20 мкм і складають анодний блок з таких пластин. Отвори ж складної форми у фользі роблять методами, запозиченими з напівпровідникової техніки (наприклад, фотолитографией). Втім, все це відноситься скоріше до технології, і скоро ми до неї звернемося.
Вище ми описали історію електровакуумних приладів і їх конструкції, довівши нашу розповідь до виникнення транзисторів. Тепер подивимося, як реагували лампи на транзисторную експансію, і розповімо про технології ламп, їх сьогоднішній стан і перспективи.
Перші транзистори були не дуже надійні, з поганими параметрами, але маленькі в порівнянні з лампами. Крім того, їх можна було виготовляти «груповими методами» - відразу багато приладів. А коли потрібні мільйони приладів, технологічність може стати визначальним фактором. Подивимося, як лампи відповіли на виклик.
Реакція ламп на появу транзисторів, поліпшення їх параметрів і розширення області їх застосування носила троякий характер. Перший, найпростіший шлях - поступитися місцем. І в багатьох випадках так і відбувалося. Сьогодні, після півстоліття спільного існування, можна сказати, що транзистори витіснили лампи з області низьких частот і малих потужностей - за одним винятком. В області сверхвисококачественного відтворення звуку, «High End», лампи все-таки виявилися кращими транзисторів. Їм властива висока лінійність характеристик, що дозволяє зменшити викривлення. Сьогодні цей ринок не дуже великий, але існує він стабільно.
Другий шлях - зменшення габаритів. Шлях до цього відкрила згадана вище «штабельному лампа». Пізніше фірма «General Electric» створила лампи діаметром і висотою близько 1 мм. Електроди в цих лампах робилися з титану, який добре спаивается з керамікою. Лампа складалася з чергуються керамічних і титанових дисків: керамічні служили ізоляторами і визначали зазор між електродами, а титанові диски одночасно виконували роль висновків і несли в своїй середній частині електроди лампи. У 1959 році фірма «RCA» почала масовий випуск приладу, названого «нувістори» (від nuevo vista - новий вид). У цих лампах все електроди кріпилися пайкою до керамічної пластині, яка впаюються в металевий стаканчик, що служив оболонкою. Збірка була механізована, лампи успішно працювали до температури 550 за Цельсієм.
Електронних ламп залишався останній крок на шляху зменшення кількості деталей, і вони його зробили. Подивимося, скільки деталей в її конкурента - транзисторі? А це дивлячись в якому. Якщо транзистор є частиною мікросхеми, то деталей в ньому немає жодної - так само як немає окремих деталей у всій мікросхемі. Роль провідників виконують напилені плівки металів, роль ізоляторів - плівки окислів. Але цим способом можна виготовити і лампу. Перша спроба зробити лампу зі зменшеною кількістю деталей за допомогою напилення проводять плівок грунтувалася на конструкції штабельной лампи. Плівки, які виконували роль електродів, Напилювана на керамічні пластини. Однак в лампі ще були окремі деталі, хоча серйозний крок по шляху позбавлення від них був зроблений.
Наступний варіант був вже чисто плівковий. Електрони летіли з плівки-катода на плівку-анод над плівкою-сіткою. Але найбільш ефективною виявилася якась «суміш» штабельной лампи і планарной. Анодна плівка нанесена на одну керамічну пластину, а катодна і сіткова на іншу. Такі лампи були створені в 1977 році в Лос-Аламоської лабораторії. Вони здатні працювати понад 10 000 годин при температурі 500 за Цельсієм і можуть розміщуватися на підкладках з щільністю 30 штук на квадратному міліметрі. Найгострішою проблемою цих ламп є вибір матеріалів - при таких температурах кераміка починає потроху взаємодіяти з металами, та й опір у кераміки вже кілька зменшується.
Плівкова технологія була успішно застосована і в потужних лампах. А саме: виявилося можливим не робити сітку окремо, а наносити на катод ізолюючі смужки, а на них - провідні смужки, що виконують роль сітки. Зазор катод-сітка в цьому випадку виходить малим (що збільшує крутизну лампи) і стабільним. Так плівкова технологія, яка набула широкого поширення завдяки розвитку напівпровідникової техніки, сприяла поліпшенню параметрів електронних ламп.
Але, тим не менше, змагатися з транзисторами в області малих потужностей нувістори не змогли, а інші варіанти не стали масовими. Можна, звичайно, пофантазувати щодо Пентиума на лампах, але - життя вирішила інакше. Втім, мені здається, що нічого особливо страшного не сталося б - пізніше були створені холодні катоди, лампи змогли працювати б без нагріву, плівкова технологія дозволила б отримати габарити в десятки мікрон. Ну і був би процесор розміром з пакет молока ... Між іншим, перехід з ламп на транзистори вплинув на стиль проектування схем - лампи могли здійснювати складні перетворення сигналу, на які транзистори, які є з точки зору ламп «всього лише» тріодами, що не здатні. Складні функції довелося здійснювати за рахунок складної схеми. Можливо, це підштовхнуло розвиток цифрової техніки.
Третій шлях, по якому може піти техніка - гібридизація приладів і рішень.Схрестити електровакуумний прилад з напівпровідниковим можна, в принципі, декількома способами, і деякі з них були реалізовані. Можна створити електронний пучок в вакуумі «електровакуумними» методами, але бомбардувати їм не анод, а напівпровідник, вводячи в нього носії заряду. Оскільки енергія електронного пучка може бути дуже велика, то носіїв заряду в напівпровіднику на кожен падаючий електрон утворюються тисячі. Інший варіант гібридного приладу - це вакуумний польовий тріод. Він схожий на польовий транзистор, тільки затвор відділений непостійна діелектриком, а вакуумом. Між іншим, газорозрядне прилад теж можна «схрестити» з вакуумним, і теж декількома способами.
Щоб лампа реально існувала і працювала, мало придумати принцип її роботи і конструкцію. Лампу, як і будь-яку річ, треба зробити. Коли все впирається в технологію? Досить часто. Особливо якщо спробувати зробити щось нове - ЕВП рекордної потужності, ККД або частоти. Виявляється, що або не можна зробити таку конструкцію, як хочеться, або зробити можна, але немає матеріалів, при використанні яких все це зможе працювати. Вихід зі становища - створення нової технології або нових матеріалів.
Власне технологія починається з вихідних матеріалів. Своїх матеріалів потребує будь-яка область техніки; а специфіка полягає в тому, які саме матеріали і з якими саме властивостями потрібні. Наприклад, метал А, особливо чистий по домішках В, С і Д - це звичайна формулювання. Але А, В і т.д. - в кожній області свої. Електротехніці страшні ті домішки до міді, які знижують електропровідність - P і Si. Техніці електронних ламп страшні домішки Cd, Zn і O до міді, на електропровідність які не впливають. Нижче ми пояснимо, чому.
Є вимоги і за структурою - матеріал може мати кристалічну структуру, і в цьому випадку важливо, якого розміру ці кристали і як вони розташовані. Причому як домішки, так і структура можуть бути важливі не тільки для роботи лампи, але і для процесів виготовлення: домішка (S в міді) або структура (довгі однаково орієнтовані кристали), які роблять метал крихким, не дадуть застосувати пластичне деформування (гнуття, видавлювання).
Проблемою вихідних матеріалів для техніки електронних ламп займалися цілі інститути, були опубліковані тисячі статей, є і книги на цю тему. Все це не аргумент, - скажете ви, - хіба мало хто займався дурницями, хіба мало дурних книг було видано. Але в найбільших електронних фірмах були спеціальні металургійні відділи. Ті, хто робив лампи, вважали за необхідне мати свою власну металургію.
Багато технологічні проблеми зводяться до вибору матеріалу. Причому ситуація зазвичай влаштована так, що матеріал, який здатний витримувати більш високі температури (наприклад, тугоплавкі і міцні при високих температурах молібден і вольфрам), буде і нагріватися сильніше (наприклад, через погану провідності і поганої теплопровідності). Чистих металів в природі не так вже й багато, але сплавів - хоч греблю гати. До того ж є ще композитні матеріали - наприклад, суміш (НЕ сплав) вольфраму і міді - поєднують високі провідність, теплопровідність і міцність.
Після того, як виготовлені і розкладені по полицях на складі вихідні матеріали, починається виготовлення деталей. Для виготовлення деталей ламп застосовуються ті ж способи, що і в техніці взагалі. Але одні застосовуються частіше, інші рідше, а треті - в якихось варіантах або модифікаціях. Наприклад, рідше застосовується механічна поліровка - тому що при ній в поверхню впроваджуються забруднення. Замість неї використовують хімічну або електрохімічну полірування, а якщо треба застосувати саме механічний процес - то шліфування.
Вимоги до чистоти деталей в електронній техніці набагато вище, ніж в техніці взагалі. Щоб зрозуміти, чому це так - досить подивитися на лампу і усвідомити, що в ній вакуум. В технології електронних ламп, як і у всій техніці, застосовуються хімічні способи очищення. Характерна відмінність - широке застосування ультразвукового очищення. Можливо, це пов'язано просто з тим, що технологія електронних ламп створювалася пізніше загальнотехнічної і ввібрала в себе нові (на той момент) рішення. Потім, виростивши ці рішення всередині себе, вона стала джерелом цих рішень для решти техніки. Пізніше така ж ситуація в якійсь мірі виникла між технікою електронних ламп і напівпровідникових приладів - друга будувалася на більш прогресивних методах, але перша пізніше запозичила їх, побачивши, як вони гарні.
Набагато частіше, ніж в решті техніці, використовують при виробництві ламп для очищення отжиг. Якщо він правильно проведено, то зміст забруднень зменшується не тільки на поверхні, але і в глибині деталей. Там, звідки вони все одно при роботі лампи потрапили б спочатку на поверхню деталей, а потім в її обсяг. Таким чином, процес відпалу в деякому сенсі імітує роботу деталей в лампі.
При відпалі з металів виділяється в основному водень, іноді азот і кисень. Виділення води і оксидів вуглецю - результат взаємодії диффундирующих з глибини металу водню і вуглецю з оксидами на поверхні, оскільки гази дифундують в металах не у вигляді молекул, а в вигляді окремих атомів. При значному вмісті вуглецю бажано, щоб метал був окислен, так як вуглець сам по собі, без реакції з киснем, з поверхні не сумнівайся - він і не випаровується (при цих температурах), і в реакцію з воднем не вступає. Якщо ж оксиду для окислення вуглецю не вистачає, то метал отжигают у «вологому водні» - суміші водню і води - для окислення.
У діелектриках гази можуть дифундувати і у вигляді молекул, тому що виділяються з стекол і керамік вода і вуглекислий газ - не продукт реакцій, а їх власні, що були в обсязі вода і вуглекислий газ. Для видалення домішок в печі повинна бути среда, концентрація забруднень в якій досить мала. Інакше забруднення будуть не віддалятися з деталей, а насичувати їх. Відпал у вакуумі є першим приходить в голову рішенням. Але це погане рішення: отримати у великій печі, набитою брудними (за мірками електроніки) деталями, такий вакуум, який потрібен в лампі, - важке завдання. Тому частіше отжигают в водні, який заодно відновлює оксидні плівки. Правда, при цьому водень проникає в деякі метали; само по собі це не дуже небезпечно - при обробці вже зібраної лампи водень відносно легко покидає деталі і відкачується насосами. Але не можна літати в водні метали, активно поглинають водень - при поглинанні ними водню вони стають крихкими.
Крім того, проникнення водню в метал небезпечно, наприклад, якщо проник в глиб металу водень з'єднується з киснем, отримані водяні пари розривають метал. Називається це явище «воднева хвороба». Тому, наприклад, якщо використовують мідь і припускають пізніше отжигать деталі в водні, то беруть метал з пониженим вмістом кисню (безкисневому мідь). Крім водню, деталі отжигают в аргоні, а іноді в сумішах інертного і відновлюється газів.
Відпалювати деталі так, щоб вони стали чистішими «зовні і зсередини» - складне завдання. У цій області виконано безліч досліджень, опубліковано чимало статей, а в книгах по технології електронних ламп відпалу відводиться зазвичай дуже помітне місце. Температура, час, склад газу, швидкість протоку, що завантажуються деталі - їх кількість, матеріал, розташування - все впливає на результат, часто незрозумілим і непередбачуваним чином. Забруднення переносяться при відпалі з одних деталей на інші; незважаючи на надлишковий тиск, атмосферні гази проникають в піч; лампи, зібрані з більш ретельно очищених деталей виявляються брудніше зібраних з менш очищених. Ці та десятки інших загадок, успішні й невдалі спроби їх вирішення - ось що таке щоденна робота технолога.
Що ж до ситуацій, коли добре очищені деталі гірше очищених погано, то причина така: при особливо ретельному очищенню поверхню деталі виявляється хімічно дуже активною і миттєво окислюється при добуванні деталей з печі. Якщо ж очищення проводилася не настільки «по-звірячому», то злегка окислені деталі далі окислюються вже повільно. Звідси видно важливість проблеми зберігання; і дійсно, в техніці електронних ламп це - окрема проблема. Існує спеціальна тара для зберігання і транспортування деталей, їх зберігають в осушеної і очищеної від пилу середовищі, а іноді в середовищі інертного газу або у вакуумі.
Відпал застосовується в технології електронних ламп не тільки для очищення, він ще застосовується для відновлення вихідної, рівноважної кристалічної структури, що змінилася при механічній обробці. При багатьох видах механічної обробки, особливо при витяжці і інший пластичної деформації, відбувається збільшення кількості дислокацій (порушень кристалічної решітки) і зміна розміру кристалів - подовження в напрямку деформації. У такого матеріалу змінюються властивості - механічні, електричні, хімічні. Зокрема, у нього стає менше здатність деформуватися - вона вже частково (або повністю) витрачена. Для відновлення вихідних властивостей і, зокрема, для можливості подальшої деформації треба зменшити кількість дислокацій і подрібнити витягнуті кристали. Це і відбувається при так званому рекрісталлізаціонном відпалі.
Якщо ж матеріал деформований в пружною області і форма його стабілізована якийсь технологічним оснащенням (наприклад, на оправлення навита дріт - ми хочемо зробити пружину), то отжиг необхідний для зняття напружень. Інакше дріт після зняття з оправлення благополучно розкрутиться, і замість пружини ми отримаємо дротом по носі, і добре, якщо не по очах. Автор це проходив ...
Інший процес, який також має в електроніці свою специфіку, - це процес нанесення покриттів. Взагалі в техніці покриття застосовуються найчастіше для збільшення корозійної стійкості, тертя, коефіцієнта випромінювання і твердості, зменшення тертя, коефіцієнта випромінювання і зносу. Тобто деталі та приладдя в цілому працювали б і без покриттів, але гірше, і швидше вийшли б з ладу. На відміну від цього в техніці електронних ламп покриття, як правило, і є тим, що працює, несе основну функцію. Покриття екранів кінескопів випромінюють світло - без них кінескоп не працював би взагалі. Катодні покриття еміттірующей, ізоляційне покриття на підігрівачі ізолює його від катода - без них лампи не будуть працювати. Тому в техніці електронних ламп було б іноді логічніше говорити не про покриттях на деталях, а про деталі, які існують лише для того, щоб на них могли бути покриття.
Зрозуміло, в техніці електронних ламп можуть застосовуватися всі звичайні покриття - наприклад, мідні радіатори цілком можуть забезпечуватися покриттями, що оберігають їх від корозії або збільшують провідність (в області надвисоких частот, коли струми протікають по поверхні). Внутріламповие деталі можуть мати покриття, що зменшують коефіцієнт випромінювання (для збільшення економічності) або збільшують його для охолодження відповідних деталей. Всі інші покриття, які ми розглянемо, специфічні для електровакуумних приладів, причому багато хто з них наноситься за специфічною, застосовуваної в основному в цій області, технології.
За звичайними технологіями наноситься в основному два типи покриттів. Антіеміссіонние покриття на сітках ламп (золото, срібло, сплав олово-нікель, титан і ін.), Призначені для збільшення роботи виходу сіток при попаданні на них з катода барію або торію наносять або гальванічно, або протягуванням дроту для сітки через розплав того металу або сплаву, який треба нанести. Полупроводящіе прозорі покриття з оксиду олова отримують або піролізом парів хлориду олова або осадженням з розчину хлориду олова (скло з таким покриттям можна нагрівати пропусканням струму, наприклад, щоб воно не замерзають).
Багато сил і часу було витрачено на пошук матеріалу і конструкції вікон, що допускають висновок великих потужностей. Рекорд потужності клистрона 30 мегават (імпульсна потужність, при довжині імпульсу кілька мікросекунд) протримався близько 20 років. Але в 1983 році в Стенфордському університеті був розроблений клістрон потужністю 50 мегават, а ще через 2 роки там же американські і японські фахівці зробили клістрон потужністю 150 мегават. Крім усього іншого, виявився важливим вибір антіеміссіонного покриття для вікна виведення енергії (пам'ятаєте - вторічноелектронний розряд?).
Решта процеси нанесення покриттів в техніці електронних ламп будуються за такою схемою: на поверхню наноситься порошок речовини, яким ми хочемо покрити поверхню, а потім деталь нагрівається так, щоб відбулося «спікання» - зрощення часток один з одним і з поверхнею шляхом взаємної дифузії.Ступінь спікання зазвичай невелика, і покриття виходить пористим. Для емісійних і гетерні покриттів це необхідна умова працездатності, для інших воно допустимо. Забезпечити ж високу ступінь спікання не можна тому, що для такого спікання потрібна або неприпустимо висока температура, або тиск, що зазвичай незручно технологічно.
Сам порошок може наноситися декількома способами, які відрізняються тим, в якому середовищі знаходяться перед нанесенням частинки порошку - в газі або рідини - і під дією яких сил вони наближаються до поверхні - електричних, гравітаційних або пружних. Наприклад, з суспензії в рідини під дією електричних сил - це електрофорез, коли заряджені частинки спрямовуються до деталі, на яку подається потенціал. З рідини під дією гравітації - це просто осадження, так наносять в основному люмінофорне покриття на кінескопи. З рідини під дією пружних сил - це розпорошення або намазки суспензії. З газу під дією електростатичних сил - це так зване електростатичне напилення, взагалі застосовується в техніці для нанесення фарб. Щоб порошок, що потрапив на поверхню, не обсипався з неї відразу, а дочекався початку процесу спікання, до суспензії часто додають органічні речовини з великою адгезією, клеї, випаровуються або розкладаються в процесі спікання.
За цими технологіями наносять покриття майже всіх видів - перерахуємо їх. Провідні покриття з дрібних частинок графіту на балонах кінескопів і електронних ламп. Полупроводящіе покриття з частинок оксидів хрому, заліза і марганцю для вирівнювання потенціалів у високовольтних електронних приладах. Гетерні покриття з частинок активно взаємодіють із залишковими газами металів для поглинання газів всередині лампи. Ізоляційні покриття з частинок оксиду алюмінію на подогревателях. Люмінесцентні покриття в кинескопах і - хто пам'ятає? - лампах-індикаторах налаштування ( «котяче око», серія Е). Емісійні покриття оксидних катодів з оксидів лужноземельних металів і покриття з металевих, як правило, нікелевих частинок, на які зазвичай і наноситься власне емісійне покриття. І нарешті, покриття з частинок оксидів магнію і алюмінію на слюдяних ізоляторах в лампах. Навіщо ж наносити ізоляційне покриття на ізолятор? - здивуєтеся ви. Але його наносять не для ізоляції, а для того, щоб слюда стала шорсткою. А навіщо їй ставати шорсткою? - ще більше здивуєтеся ви - адже вона в вакуумі ні про що ні треться, це ж не гальмівні диски для Черокі! Шорсткість потрібна для того, щоб Напилювана на слюду при роботі лампи металеві плівки не могли стати суцільними, які проводять і закоротити зазор.
Тепер, коли всі деталі виготовлені і мовчки лежать в ексикаторах з обеспиленою і висушеної середовищем або, пущі того, в вакуумних шафах, з яких викачане повітря, щоб деталі не окислялись, окинемо їх поглядом: катоди з емісійним покриттям; сітки з дроту з антіеміссіонним покриттям, намотаною на траверси (стійки) або, для ламп з планарной геометрією - на рамки; підігрівачі, покриті ізоляцією; аноди, штамповані з чорненого тонкого листового металу - для розташування всередині лампи і охолодження випромінюванням - або масивні мідні, складові частина оболонки лампи і призначені для повітряного або водяного охолодження; всілякі ізолятори з слюди або в потужних лампах з кераміки, щоб стабілізувати становище деталей відносно один одного; оболонки ламп або, точніше, заготовки оболонок зі скла або іноді, зокрема, для потужних ламп, з кераміки; вводи, які будуть упаяні в скло і почнуть доставляти в лампу і з лампи електрони; і, нарешті, газопоглиначі або геттери, яких, втім, може і не бути (про це пізніше), а якщо вони є, то вони можуть існувати у вигляді покриттів на інших деталях і в вигляді окремих деталей - нераспиляемих геттеров або розпилюються - вони при обробці лампи будуть нагріті і напилю на скло шар барію, який і буде поглинати потім залишкові гази.
Тепер ми приступимо до складання. На зорі епохи електронних ламп, 3/4 століття назад, для роботи в області великих потужностей застосовувалися розбірні лампи, які працювали з постійною відкачкою. Стукав насос, радіохвилі мчали в ефір. Зараз все лампи - нерозбірні і з'єднання в них виконуються, як правило, нерозбірними. Тільки в потужних лампах - і то рідко - деталі з'єднують гвинтами; втім, поверх головок все одно приварюють накладки, що виключають ослаблення і відкручування гвинтів. Лампа - НЕ картоплезбиральний комбайн, в неї з гайковим ключем НЕ залізеш. У малопотужних лампах основний метод з'єднання деталей - контактна електрозварювання, звана часто точковим зварюванням; застосовується також лазерне зварювання. У потужних лампах застосовується ще і аргонно-дугове зварювання, вона дає вакуумно-щільний шов і тому може використовуватися для з'єднання деталей оболонки лампи.
Сварка - це такий метод з'єднання деталей, коли розплавляється матеріал обох деталей, що з'єднуються. Якщо матеріали залишаються твердими, а зазор між ними заповнюється рідким металом, який застигає, - це пайка. Якщо ж розплавляється один з матеріалів, це називається пайка оплавленням. До сих пір ми говорили про з'єднання метал-метал. При з'єднанні металів з діелектриками зварювання - в звичайному її вигляді - не застосовується, так як температура плавлення керамік значно вище температур плавлення більшості металів і, до того ж, при плавленні кераміки розкладаються. Скло ж плавиться легко, але - навпаки, занадто легко - метали ж, з якими з'єднують скло, плавляться при більш високих температурах. Тобто це пайка оплавленням, причому плавиться скло.
А навіщо взагалі при пайку оплавленням розплавляють один з матеріалів, що з'єднуються? Щоб зблизити сполучаються матеріали. Але можна і не плавити - нагріти і сильно стиснути. За рахунок пластичності нагрітих матеріалів вони поєднаються на атомні відстані, і дифузія, прискорена нагрівом, перемішає їх. Такий спосіб з'єднання називається термокомпрессіонной зварюванням. Слово «сварка» тут абсолютно не до місця, але така традиція.
Часто кажуть, що ті чи інші матеріали з'єднати можна або не можна. Так говорити некоректно - бо з'єднати можна будь-які матеріали. Питання в тому, яку міцність матиме таке з'єднання. Тим більше, що крім зовнішніх зусиль (лампи кидають), існують ще й внутрішні, що виникають через відмінності в термічних розширеннях. Дійсно, всі ці пайки - зварювання робляться при високих температурах. Потім ми прилад охолоджуємо, і якщо з'єднані при високій температурі матеріали по-різному коротшають при охолодженні, то в з'єднанні виникають термічні напруги.
Тому питання про з'єднання - це питання про узгодження розширень, про що виникають в з'єднанні зусиллях і про міцність тих з'єднань, які виникають в зварений зоні або в зоні дифузії припою і матеріалу деталей один в одного. Якщо говорять, що два металу добре з'єднуються, це означає, що виникають в зоні їх взаємодії з'єднання не крихкі і міцні.
А ще в деяких випадках в зоні з'єднання утворюються легкоплавкі з'єднання. Автору цієї статті знадобилося якось розпорошити в вакуумі нікель. Він взяв титанову фольгу, вирізав стрічку, закріпив її у вакуумній камері, поклав на стрічку квадратик з нікелевої фольги і почав гріти титан, пропускаючи по ньому струм. І в якийсь момент з жахом побачив, що нікель зник, а в титановій стрічці зяє акуратне квадратний отвір. Як квадратний отвір в хмарах у Стругацьких, в «Бридких лебедів». При 955 за Цельсієм в зоні контакту титан-нікель почалося плавлення интерметаллида і розплавити зона мовчки капнула вниз.
На відміну від спаю метал-скло, який по суті робиться шляхом оплавлення металу склом, з'єднання металу і кераміки так отримати не можна - кераміка тугоплавка. Тому спочатку її металлизируют, завдаючи на поверхню металевий порошок або з'єднання і розплавляючи їх. При цьому за рахунок дифузії і реакцій утворюється перехідна зона. А вже потім паяють керамічну металізовану деталь і власне металеву.
Можна, втім, обійтися і без металізації. При так званої «активної пайку» між керамічної і металевої деталлю прокладають фольгу з титану, потім цей комплект стискають і нагрівають. При взаємодії утворюється перехідна зона, і деталі з'єднуються. Зауважимо, що в електроніці - як і взагалі в житті - простіша на вигляд технологія вимагає більш високої технологічної культури і вона більш «сувора», тобто вимагає кращої стабілізації параметрів. Тому спроби запозичення «простих» технологій не завжди бувають успішними.
Нарешті, метал з керамікою (втім, і скло зі склом), можна з'єднати за допомогою пайки, але не металевими припоями, а легкоплавкими стеклами, або «глазурями» - фантазія технологів невичерпна. Особливо, коли постійно приходять конструктори з черговими божевільними ідеями. Проблема узгодження коефіцієнтів термічного розширення особливо важлива, якщо один з матеріалів, що з'єднуються крихкий: наприклад, при споювання металу зі склом. Зокрема, для узгодження з тими чи іншими сортами і групами сортів скла розроблялися спеціальні сплави. А іноді розроблялися скла, надійно споюють з якимось певним металом. А на які жахливі хитрощі доводилося йти, щоб спаяти, наприклад, германій зі склом, сапфір зі склом або кварц зі склом. У вас не стислося серце? У кварцу термічне розширення на порядок менше, ніж у скла, і технологам довелося розробити ряд з приблизно десяти стекол, які споювали так: перше з кварцом, друге з першим і так далі - до останнього, яке згуртовує зі звичайним електровакуумним склом.
А ось ще маленька одіссея: в давнину вводи в скло робили з платини, підібрали скла, які з нею добре згуртовуються, і звикли до них. Але рано чи пізно, а від платини довелося відмовлятися. І придумали вводи з «платинита» - дроту із сплаву Н42 (42% нікелю, решта - залізо), покритої міддю, причому товщина міді підбиралася так, щоб у цій композитної дроту розширення було, як у платини.
Отже, лампа зібрана і треба починати її обробку. Для цього, зрозуміло, недостатньо викачати з неї повітря і запаяти скляну трубку (штенгель), по якій йшла відкачка (або перекусити, зваривши холодне зварювання - металеву). Навіть якщо лампа зібрана з чистих деталей, то вони чисті «не в тому сенсі», в якому повинні бути чистими в лампі. А деякі - навіть дуже брудні, і взагалі - вони ще не деталі, а напівфабрикати. А однієї деталі в лампі при складанні просто немає. Пізніше ми дізнаємося, звідки вона візьметься.
Як би не була добре очищена деталь до збірки, після неї вона виявляється брудніше. І хоч збирають лампи в капронових рукавичках, і хоч відбирають дівчаток-монтажниць по опору шкіри вологих рук (що пов'язано і зі ступенем вологості і з концентрацією іонів), але все одно - після складання треба чистити. До того ж, в печі деталь нагрівається і обезгажівается не так, як в лампі. По-перше, не при тих температурах - зазвичай при більш високих, але не завжди. По-друге, в лампі нагрів нерівномірний. І, нарешті, в лампі нагрів проводиться не тільки нагрівачем і випромінюванням катода, а й електронним потоком, який розкладає оксиди на поверхні деталей. У печі його немає, значить - чистити доведеться в зібраної лампі.
Для створення електронного потоку катод повинен еміттірованних, а для цього лампа не повинна бути вже дуже брудною. Тому процес очищення лампи електронним бомбардуванням - частково саморегулюючий. Якщо бруду летить занадто багато, емісія катода зменшується. З цього відразу слід, що існує оптимальний режим, але його побудова - неабияке мистецтво, питання чуття технолога. Одна з головних ідей очищення лампи - бруд не треба ганяти з електрода на електрод. Очищення всіх частин повинна вестися одночасно. У техніці електронних ламп намагаються чистити все електроди лампи одночасно, причому по можливості по всій площі.
Оскільки очищення всіх деталей і чиста збірка - великі проблеми, то в техніці електронних ламп відомі принаймні два прийоми, що дозволяють зробити більш чистої лампу, зібрану з брудних деталей.По-перше, це прогрів лампи при прокачуванні через неї водню, імітація відпалу в середовищі водню. По-друге, це запалення в лампі газового розряду, очищення електродів бомбардують їх іонами, аналогічно очищенню в газовому розряді, що застосовується в напівпровідниковій техніці для обробки підкладок перед напиленням. Зрозуміло, відкачка ламп при їх прогріванні - це також і очищення деталей в уже зібраної лампі, але, оскільки прогрів скляній лампи зазвичай проводиться при температурі близько 400 за Цельсієм, реально обезгажівается тільки скло.
Деталь, яка надходить на збірку і поміщається в лампу у вигляді напівфабрикату - це катод, а також всі покриття, нанесені, як зазначено вище, із застосуванням зв'язок (клеїв). При нагріванні клей повинен випаруватися або розкластися, при цьому виділяється значна кількість газу і можливе забруднення інших деталей. Для оксидного катода ця ситуація ускладнюється тим, що він наноситься у вигляді кристалів карбонату лужноземельних металів, а для перекладу в оксиди їх треба нагріти, розкласти, відкачати виділяється суміш оксидів вуглецю, яка знову ж таки, може окислити деталі лампи. Побудова такого режиму нагріву катода, тобто залежності температури від часу, щоб клей не розкладався, а випаровувався, а карбонати розкладалися, але не окисляли - предмет багатьох наукових робіт, об'єкт старань поколінь технологів і їхній головний біль.
Після того, як лампа в основному обезгажена і навіть катод перетворений в оксиди, настає етап активування катода і обробки геттера. Активація катода - це загадковий процес, при якому в результаті нагрівання, відбору з нього струму і хімічної взаємодії оксиду з активними присадками до матеріалу керна (основи, на яку нанесений потрійний оксид барію-стронцію-кальцію) в покритті виникає деякий дефіцит кисню (відхилення від стехиометрии). В результаті катод стає катодом - у нього збільшується емісія і провідність.
Процес обробки геттера виглядає по-різному, в залежності від того, розпорошується або нераспиляемий геттер застосований в лампі. Нераспиляемий - це шматочок пористого титану або будь-якого сплаву, добре поглинає залишкові гази і підтримує вакуум в лампі (як би ми добре не обезгажівалі, при роботі лампи вакуум в ній може і погіршуватися). Такий геттер починає працювати після короткочасного нагрівання, при якому наявний на його поверхні кисень продіффундірует вглиб, очистивши місце для нових атомів, що прилітають з обсягу приладу. Якщо ж геттер розпорошується, то його теж треба нагріти, але з іншою метою. При нагріванні в гетерні суміші з неї виділяється барій, який напилюється на скло. Ось ця плівка барію - «гетерні дзеркало» і є та деталь, якої не було при складанні лампи.
Наявність спеціального геттера, взагалі кажучи, не обов'язково. Якщо лампа дуже добре обезгажена і якщо, до того ж, вона містить деталі з титану (які самі працюють як геттер), то можна обійтися. І обходяться - в лампах типу «нувістори» геттера як окремої деталі немає.
Але нам ще залишилася морока з високою напругою ... Коли на лампу почнуть подавати все більш і більш висока напруга, то будуть відбуватися пробої - кидки струму з подальшим (якщо ланцюг не вимкнуто) розплавленням електродів лампи. Подивимося, чому і як це відбувається.
Якщо на поверхні електрода є порошинка або слабо тримається шматочок матеріалу, він відривається, летить до протилежного електрода (шматочок заряджений, і поле його прискорює), врізається в електрод, як метеор, випаровується і заповнює обсяг приладу паром. Якщо на електроді є вістря, на ньому напруженість поля виявляється дуже велика, починається автоелектронна (польова) емісія - виривання електронів з металу електричним полем, пучок електронів розігріває електрод, а струм, що протікає по лезу, розігріває вістря; де нагрів - там випаровування, обсяг приладу заповнюється парою. Що так, що так, але в парах матеріалу електрода і відбувається звичайний пробою в газі. Власне, висуньте голову у вікно в потрібний момент - це вона і блиснула. Тільки в приладі маленька, а між хмарами - велика.
Тепер лампу треба отпаять від вакуумного поста, відокремити від насоса. Якщо балон скляний і відкачування проводилася по скляній трубці (Штенгелов), її нагрівають. Атмосферний тиск стискає розм'якшити скло, і трубка запаюється (точніше було б сказати - заварюється). Після отпайки її треба прогріти для зменшення напруги в склі. У лабораторіях, коли отпайка ламп проводилася вручну, вона вважалася мистецтвом, яке високо цінувалося (ціною в ті часи була повага колег). Невміла отпайка могла погубити тижневу роботу.
Якщо лампа откачивалась через металевий штенгель, його відкушують. На щастя, не зубами, а спеціальними кліщами, що створюють в зоні «куса» настільки високі механічні напруги, що метал тече і відбувається холодне зварювання. Отпайка приладу від насоса і активування катода можуть проводитися і в іншій послідовності. Зокрема, при обробці малопотужних приладів активування виробляють після отпайки; виділяються при цьому гази відкачує геттер.
Потім до лампи прилаштовують цоколь, пишуть на ній, як вона називається, відчувають, вимірюють її параметри, упаковують, везуть - чуєте: тук-тук, тук-тук, тук-тук - це стукають колеса. Наступний раз вона побачить світло дня вже тоді, коли упаковку розкриють, а її вставлять в пристрій - і почнеться її трудова біографія. Ті, хто робив електронну лампу, сподівалися, що ця біографія буде довгою - і лампа постарається не обдурити їх очікування.
Чим вона буде займатися? Як вже говорилося, за лампами залишилося кілька областей застосування. Перш за все - прилади на великі напруги і струми, потужні прилади. Звичайно, поєднуючи напівпровідникові прилади послідовно і паралельно, можна зробити схему, що має належні параметри. Але це виявиться вже не маленький витончений прилад, а велика, дорога і, може виявитися, менш надійна схема. Вибір рішення ускладнений тим, що дуже потужних приладів зазвичай потрібно небагато, а розробка такого електронного приладу - захід дуже дороге. В результаті виявляється дешевше зробити дорожчу схему, ніж розробити більш дешевий прилад. І на Заході, і в СРСР були розроблені електронні лампи з напругою в сотні кіловольт і струмами в сотні ампер. Але широкого поширення вони не отримали.
Інша область застосування, в якій положення ламп, мабуть, більш надійно - це генерація електромагнітних хвиль надвисоких частот: радіолокація, прискорювальна техніка та мікрохвильові печі. І є, принаймні, ще дві ситуації, в яких лампа явно виграє у транзистора - високі температури і потужна радіація. Але в техніці рідко буває, що немає альтернативних рішень. Для захисту від високих температур існують холодильні установки, для захисту від випромінювання - екрани. Яке рішення буде вибрано, залежить від конкретної ситуації: необхідних параметрів вироби, термінів і вартості розробки. Але в будь-якому випадку грамотний вибір рішення вимагає не тільки серйозного знання тієї чи іншої області техніки, але і - що буває, на жаль, нечасто - широкого технічного кругозору.
|