工程師十年後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，被專門設計用於坦克電臺的高頻發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，鎖式管座結構適用於在強振動環境，用彈簧縮住電子管使之不至於從管座中鬆動出來。這種電子管是二戰後期由德國設計製造的，戰後蘇聯接收了這個設計並按他們的型號命名規則取名為4П1Л，應用於蘇軍的坦克電臺。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，壽命應高於1000小時，間熱式電子管的壽命應高於500小時。這是因為直熱式陰極小型電子管多半用於電池供電的設備，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射結構，直熱式陰極就是在加熱燈絲表面直接塗覆氧化物熱電子發射材料；間熱式陰極是在陰極套管表面塗覆氧化物熱電子發射材料，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塗覆，在工藝過程中又會吸收管中其他零件釋放出氣體的分子，最後導致失效。所以在實際工藝中，在陰極上塗覆的是一種穩定的鋇酸鹽材料。當電子管已經被抽成高真空，並熔化了玻殼的排氣管形成密封后，再把陰極加熱到高於工作時的溫度，使鋇酸鹽分解成氧化鋇來激活這個陰極，然後它才可以長期穩定的在被加熱時發射電子。這一陰極激活工序稱為「老煉」，是在電子管封離排氣設備之後進行。

　　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於陰極的電子發射能力快速下降，造成陽極電流和跨導等參數下降。然後我們仔細了解了老煉的工藝規程，並用光學高溫計測量了陰極在老煉時和正常工作時的溫度。發現即使在正常工作時，4P1S燈絲即陰極的溫度都明顯高於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於氧化物陰極的專著，找到了與4P1S陰極相同材料的典型每平方釐米電子發射率數據。當計算出4P1S的雙螺旋燈絲塗覆氧化鋇的表面積後，發現在正常陰極工作溫度下，它不會達到所要求的電子發射電流。換言之就是設計的陰極尺寸不夠，所以就設計使陰極在高於正常溫度下工作。迫使陰極達到要求的發射電流，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。但是當工廠用蘇聯製造的合格4П1Л樣管進行壽命試驗之後，發現同樣不能達到規定的1000小時壽命要求，而且失效的情況與中國製造的4P1S完全一樣。後來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，但是大約在之後十年我讀到的一本似乎毫無關係的講述二戰歷史的書，卻給我上了深刻的一課。

　　那本書上說二戰末期的德軍坦克，從工廠開出來以後，平均壽命只有兩個星期，就在戰場上被擊毀了。兩個星期是14天，乘以24小時等於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。