工程師十年后才頓悟的電子管壽命問題

　　電子管4P1S是一種直熱陰極鎖式管座功率放大管，被專門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)后期由德國設計制造的，戰(zhàn)后蘇聯接收了這個設計并按他們的型號命名規(guī)則取名為4П1Л，應用于蘇軍的坦克電臺。北京電子管廠在50-60年代生產這個管型，是為當時武 器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4P1S這個管型時，發(fā)現產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，壽命應高于1000小時，間熱式電子管的壽命應高于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備，燈絲即陰極和陽極的功率都設計的比較低，節(jié)省設備功耗以延長電池使用時間。這樣整個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。

　　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(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。這個工作是在當時北京電子管廠二分廠技術員丁兆泉的指導下完成的。

　　這個結論似乎有點唐突，竟懷疑到原設計會有問題。但是當工廠用蘇聯制造的合格4П1Л樣管進行壽命試驗之后，發(fā)現同樣不能達到規(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玄機之一。