一次科技參禪-電子管的壽命問題

ID:128130 · 發(fā)表于 2016-6-26 01:42

      電子管4P1S是一種直熱陰極鎖式管座功率放大管，被專門設(shè)計用于坦克電臺的高頻發(fā)射功率輸出和音頻功率輸出。它的直熱式陰極直接利用電池供電，鎖式管座結(jié)構(gòu)適用于在強振動環(huán)境，用彈簧縮住電子管使之不至于從管座中松動出來。這種電子管是二戰(zhàn)后期由德國設(shè)計制造的，戰(zhàn)后蘇聯(lián)接收了這個設(shè)計并按他們的型號命名規(guī)則取名為4П1Л，應(yīng)用于蘇軍的坦克電臺。北京電子管廠在50-60年代生產(chǎn)這個管型，是為當時**裝備的蘇式或仿蘇式T34坦克電臺配套和備份的。

   工廠在生產(chǎn)4P1S這個管型時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的壽命不能滿足要求。按當時的標準，直熱式陰極的小型電子管，壽命應(yīng)高于1000小時，間熱式電子管的壽命應(yīng)高于500小時。這是因為直熱式陰極小型電子管多半用于電池供電的設(shè)備，燈絲即陰極和陽極的功率都設(shè)計的比較低，節(jié)省設(shè)備功耗以延長電池使用時間。這樣整個電子管內(nèi)部的工作溫度比間熱式低得多，電子管的壽命也比較長。

   一般電子管壽命終了的主要失效機理，就是陰極發(fā)射能力衰落，管內(nèi)真空度降低和燈絲燒斷等等。小型電子管普遍使用氧化物陰極，這是一種高效的熱電子發(fā)射結(jié)構(gòu)，直熱式陰極就是在加熱燈絲表面直接涂覆氧化物熱電子發(fā)射材料；間熱式陰極是在陰極套管表面涂覆氧化物熱電子發(fā)射材料，另外用套管中的燈絲間接加熱陰極。氧化物陰極的熱電子發(fā)射材料主要是氧化鋇，而氧化鋇是非常不穩(wěn)定的材料，在常溫和暴露在空氣中難以保證涂覆，在工藝過程中又會吸收管中其他零件釋放出氣體的分子，最后導致失效。所以在實際工藝中，在陰極上涂覆的是一種穩(wěn)定的鋇酸鹽材料。當電子管已經(jīng)被抽成高真空, 并熔化了玻殼的排氣管形成密封后，再把陰極加熱到高于工作時的溫度，使鋇酸鹽分解成氧化鋇來激活這個陰極，然后它才可以長期穩(wěn)定的在被加熱時發(fā)射電子。這一陰極激活工序稱為“老煉”，是在電子管封離排氣設(shè)備之后進行。

   我們首先閱讀了工廠所作的壽命試驗測試記錄，顯示壽命不合格的原因就是由于陰極的電子發(fā)射能力快速下降，造成陽極電流和跨導等參數(shù)下降。然后我們仔細了解了老煉的工藝規(guī)程，并用光學高溫計測量了陰極在老煉時和正常工作時的溫度。發(fā)現(xiàn)即使在正常工作時，4P1S燈絲即陰極的溫度都明顯高于其他正常氧化物陰極的約1000oK典型工作溫度。

   我們查閱了一本從英文翻譯的關(guān)于氧化物陰極的專著，找到了與4P1S陰極相同材料的典型每平方厘米電子發(fā)射率數(shù)據(jù)。當計算出4P1S的雙螺旋燈絲涂覆氧化鋇的表面積后，發(fā)現(xiàn)在正常陰極工作溫度下，它不會達到所要求的電子發(fā)射電流。換言之就是設(shè)計的陰極尺寸不夠，所以就設(shè)計使陰極在高于正常溫度下工作。迫使陰極達到要求的發(fā)射電流，但是付出了壽命的代價。這個工作是在當時北京電子管廠二分廠技術(shù)員丁兆泉的指導下完成的。

   這個結(jié)論似乎有點唐突，竟懷疑到原設(shè)計會有問題。但是當工廠用蘇聯(lián)制造的合格4П1Л樣管進行壽命試驗之后，發(fā)現(xiàn)同樣不能達到規(guī)定的1000小時壽命要求，而且失效的情況與中國制造的4P1S完全一樣。后來4P1S的壽命標準被改定在了750小時，成為直熱式電子管壽命標準的一個特例。當時我自己也絲毫沒有懷疑過我們所做的工作，但是大約在之后十年我讀到的一本似乎毫無關(guān)系的講述二戰(zhàn)歷史的書，卻給我上了深刻的一課。

   那本書上說二戰(zhàn)末期的德軍坦克，從工廠開出來以后，平均壽命只有兩個星期，就在戰(zhàn)場上被擊毀了。兩個星期是14天，乘以24小時等于336小時。假設(shè)那個時候他們的電臺是24小時都開機的，離750小時還差了一半。一次遲到了十年的頓悟，這就是我最早體驗到的工程技術(shù)玄機之一。

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