工程師十年后才頓悟的電子管壽命問(wèn)題

　　電子管4P1S是一種直熱陰極鎖式管座功率放大管，被專(zhuān)門(mén)設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，鎖式管座結構適用于在強振動(dòng)環(huán)境，用彈簧縮住電子管使之不至于從管座中松動(dòng)出來(lái)。這種電子管是二戰后期由德國設計制造的，戰后蘇聯(lián)接收了這個(gè)設計并按他們的型號命名規則取名為4П1Л，應用于蘇軍的坦克電臺。北京電子管廠(chǎng)在50-60年代生產(chǎn)這個(gè)管型，是為當時(shí)武 器裝備的蘇式或仿蘇式T34坦克電臺配套和備份的。

　　工廠(chǎng)在生產(chǎn)4P1S這個(gè)管型時(shí)，發(fā)現產(chǎn)品的壽命不能滿(mǎn)足要求。按當時(shí)的標準，直熱式陰極的小型電子管，壽命應高于1000小時(shí)，間熱式電子管的壽命應高于500小時(shí)。這是因為直熱式陰極小型電子管多半用于電池供電的設備，燈絲即陰極和陽(yáng)極的功率都設計的比較低，節省設備功耗以延長(cháng)電池使用時(shí)間。這樣整個(gè)電子管內部的工作溫度比間熱式低得多，電子管的壽命也比較長(cháng)。

　　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)射結構，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定的材料，在常溫和暴露在空氣中難以保證涂覆，在工藝過(guò)程中又會(huì )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(shí)際工藝中，在陰極上涂覆的是一種穩定的鋇酸鹽材料。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(shí)的溫度，使鋇酸鹽分解成氧化鋇來(lái)激活這個(gè)陰極，然后它才可以長(cháng)期穩定的在被加熱時(shí)發(fā)射電子。這一陰極激活工序稱(chēng)為“老煉”，是在電子管封離排氣設備之后進(jìn)行。

　　我們首先閱讀了工廠(chǎng)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(yáng)極電流和跨導等參數下降。然后我們仔細了解了老煉的工藝規程，并用光學(xué)高溫計測量了陰極在老煉時(shí)和正常工作時(shí)的溫度。發(fā)現即使在正常工作時(shí)，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(zhuān)著(zhù)，找到了與4P1S陰極相同材料的典型每平方厘米電子發(fā)射率數據。當計算出4P1S的雙螺旋燈絲涂覆氧化鋇的表面積后，發(fā)現在正常陰極工作溫度下，它不會(huì )達到所要求的電子發(fā)射電流。換言之就是設計的陰極尺寸不夠，所以就設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(jià)。這個(gè)工作是在當時(shí)北京電子管廠(chǎng)二分廠(chǎng)技術(shù)員丁兆泉的指導下完成的。

　　這個(gè)結論似乎有點(diǎn)唐突，竟懷疑到原設計會(huì )有問(wèn)題。但是當工廠(chǎng)用蘇聯(lián)制造的合格4П1Л樣管進(jìn)行壽命試驗之后，發(fā)現同樣不能達到規定的1000小時(shí)壽命要求，而且失效的情況與中國制造的4P1S完全一樣。后來(lái)4P1S的壽命標準被改定在了750小時(shí)，成為直熱式電子管壽命標準的一個(gè)特例。當時(shí)我自己也絲毫沒(méi)有懷疑過(guò)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(wú)關(guān)系的講述二戰歷史的書(shū)，卻給我上了深刻的一課。

　　那本書(shū)上說(shuō)二戰末期的德軍坦克，從工廠(chǎng)開(kāi)出來(lái)以后，平均壽命只有兩個(gè)星期，就在戰場(chǎng)上被擊毀了。兩個(gè)星期是14天，乘以24小時(shí)等于336小時(shí)。假設那個(gè)時(shí)候他們的電臺是24小時(shí)都開(kāi)機的，離750小時(shí)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。