原创 一次科技参禅-电子管的寿命问题

电子管4P1S是一种直热阴极锁式管座功率放大管，被专门设计用于坦克电台的高频发射功率输出和音频功率输出。它的直热式阴极直接利用电池供电，锁式管座结构适用于在强振动环境，用弹簧缩住电子管使之不至于从管座中松动出来。 这种电子管是二战后期由德国设计制造的，战后苏联接收了这个设计并按他们的型号命名规则取名为4П1Л，应用于苏军的坦克电台。北京电子管厂在50-60年代生产这个管型，是为当时**装备的苏式或仿苏式T34坦克电台配套和备份的。

工厂在生产4P1S这个管型时，发现产品的寿命不能满足要求。按当时的标准，直热式阴极的小型电子管，寿命应高于1000小时，间热式电子管的寿命应高于500小时。这是因为直热式阴极小型电子管多半用于电池供电的设备，灯丝即阴极和阳极的功率都设计的比较低，节省设备功耗以延长电池使用时间。这样整个电子管内部的工作温度比间热式低得多，电子管的寿命也比较长。

一般电子管寿命终了的主要失效机理，就是阴极发射能力衰落，管内真空度降低和灯丝烧断等等。小型电子管普遍使用氧化物阴极，这是一种高效的热电子发射结构，直热式阴极就是在加热灯丝表面直接涂覆氧化物热电子发射材料；间热式阴极是在阴极套管表面涂覆氧化物热电子发射材料，另外用套管中的灯丝间接加热阴极。氧化物阴极的热电子发射材料主要是氧化钡，而氧化钡是非常不稳定的材料，在常温和暴露在空气中难以保证涂覆，在工艺过程中又会吸收管中其他零件释放出气体的分子，最后导致失效。所以在实际工艺中，在阴极上涂覆的是一种稳定的钡酸盐材料。当电子管已经被抽成高真空, 并熔化了玻壳的排气管形成密封后，再把阴极加热到高于工作时的温度，使钡酸盐分解成氧化钡来激活这个阴极，然后它才可以长期稳定的在被加热时发射电子。这一阴极激活工序称为“老炼”，是在电子管封离排气设备之后进行。

我们首先阅读了工厂所作的寿命试验测试记录，显示寿命不合格的原因就是由于阴极的电子发射能力快速下降，造成阳极电流和跨导等参数下降。然后我们仔细了解了老炼的工艺规程，并用光学高温计测量了阴极在老炼时和正常工作时的温度。发现即使在正常工作时，4P1S灯丝即阴极的温度都明显高于其他正常氧化物阴极的约1000^oK典型工作温度。

我们查阅了一本从英文翻译的关于氧化物阴极的专著，找到了与4P1S阴极相同材料的典型每平方厘米电子发射率数据。当计算出4P1S的双螺旋灯丝涂覆氧化钡的表面积后，发现在正常阴极工作温度下，它不会达到所要求的电子发射电流。换言之就是设计的阴极尺寸不够，所以就设计使阴极在高于正常温度下工作。迫使阴极达到要求的发射电流，但是付出了寿命的代价。这个工作是在当时北京电子管厂二分厂技术员丁兆泉的指导下完成的。

这个结论似乎有点唐突，竟怀疑到原设计会有问题。但是当工厂用苏联制造的合格4П1Л样管进行寿命试验之后，发现同样不能达到规定的1000小时寿命要求，而且失效的情况与中国制造的4P1S完全一样。后来4P1S的寿命标准被改定在了750小时，成为直热式电子管寿命标准的一个特例。当时我自己也丝毫没有怀疑过我们所做的工作，但是大约在之后十年我读到的一本似乎毫无关系的讲述二战历史的书，却给我上了深刻的一课。

那本书上说二战末期的德军坦克，从工厂开出来以后，平均寿命只有两个星期，就在战场上被击毁了。两个星期是14天，乘以24小时等于336小时。假设那个时候他们的电台是24小时都开机的，离750小时还差了一半。一次迟到了十年的顿悟，这就是我最早体验到的工程技术玄机之一。