Необходимость создания высокого вакуума в электронных приборах была осознана не сразу. Характерной чертой начального этапа развития электроники было производство приборов, имевших внутри определенное количество газа, от которого зависело их успешное функционирование.
Раньше других электронных приборов появились рентгеновские трубки (1895 г.). В течение двух десятилетий были известны только ионные трубки с холодным катодом. Давление газа внутри такой трубки составляло около 0,1 мм рт. ст. Поток электронов в ионных трубках вызывался газовым разрядом низкого давления. При таких условиях величина давления газа, ток и напряжение в трубке являются взаимозависимыми величинами. Необходимо было следить, чтобы напряжение не достигло значения, при котором наступает пробой. Для того, чтобы получить лучи с различной энергией, радиологам приходилось работать с целым набором трубок.
С изобретением трубки Кулиджа (1913 г.), ионные рентгеновские приборы были вытеснены высоковакуумными (давление 10-4-10-5 мм рт.ст.) рентгеновскими трубками с накаленным катодом. Использование таких трубок предоставило возможность независимо регулировать ток и напряжение трубки. Это открыло доступ к широкому применению рентгеновских трубок в науке и технике, особенно там, где необходимо было с большой точностью управлять их параметрами.
Первая электронная лампа - диод Флеминга (1904 г.) - имела разряжение, не превышавшее 10-2 мм рт. ст. и была весьма несовершенным прибором. При прохождении тока внутри лампы остаточный газ ионизировался, образовавшиеся ионы наряду с электронами участвовали в переносе зарядов от катода к аноду. В то же время ионы бомбардировали катод, сокращая срок его службы, осаждались на стенках, создавая зоны поверхностного заряда.
Подобная нестабильность работы была характерна и для изобретенной в 1907 г. трехэлектродной лампы ("аудион" Ли де Фореста). Вслед за этим изобретением появилось большое количество конструкций триодов, в которых делались попытки преодолеть характерные для них недостатки. То, что в основе трудностей лежит плохой вакуум, долгое время не осознавалось. Более того, многие специалисты в то время считали, что наличие молекул внутри катодной лампы является необходимым условием их работы и при достижении высокого вакуума анодный ток в приборе прекратиться.
Одной из лучших конструкций катодных ламп с несовершенным вакуумом стал созданный в 1910 г. триод Либена [154]. "Лампа Либена" имела в средней части перфорированную дисковую сетку, задерживающую поток положительно заряженных ионов, что предохраняло катод от преждевременного разрушения. Внутренний объем прибора был наполнен ртутными парами, что, по мысли Либена, создавало дополнительную ионизацию и увеличивало анодный ток.
Первые лампы с низким вакуумом (позже их стали называть "мягкими") часто имели специальный отросток в колбе, в котором находилась капля ртути или ртутная амальгама). Испарение ртути под действием тепла катода или внешнего подогрева увеличивало количество ионов в лампе и, соответственно, анодный ток.
Преодолеть ошибочные концепции в конструировании катодных приборов стало возможным лишь с развитием теории электронно-ионных процессов. Большую роль в этом сыграли работы О. Ричардсона, Ф. Чайлда, И. Ленгмюра и др., в которых было доказано, что термоэлектронная эмиссия свойственна всем проводникам и не обусловлена присутствием газа [155]. Развитие техники получения высокого вакуума позволило сделать важный шаг в совершенствовании электронных приборов. В 1915 г. И. Ленгмюром был сделан первый "жесткий" (высоковакуумный) триод [156]. Последующие работы Ленгмюра по совершенствованию диффузных насосов позволили начать массовое производство высоковакуумных радиоламп.
"Жесткие" лампы оказались значительно долговечнее "мягких". Однако их производство и эксплуатация были связаны с необходимость решения ряда проблем по обеспечению требуемой степени разрежения внутри прибора.
Для того, чтобы ионы не разрушали преждевременно катод, а также не уничтожали пространственный заряд, необходимо поддерживать давление внутри лампы на уровне 10-7-10-8 мм рт.ст. Появление молекулярного и, особенно, диффузионного насоса облегчило процесс удаления воздуха из ламп, однако даже с помощью наиболее совершенных насосов ленгмюровского типа в производственных условиях трудно получить давление ниже 10-5-10-6 мм рт. ст. При этом нужно учитывать, что газы, выделяющиеся из стекла в момент отпайки, повышают это давление до 10-4-10-3 мм рт. ст. Источником большого количества газа могут служить металлические электроды внутри лампы. Детали из применяемых обычно металлов в нормальных условиях содержат в себе количество сорбированного газа, во много раз превышающего объем самих деталей. При нагревании, имеющем место во время работы лампы, эти газы начинают выделяться. Единственный путь преодоления этих трудностей заключался в удалении газов во время работы прибора. Для обычных электронных приборов небольших размеров это достигается применением газопоглотителей ("геттеров"), помещаемых внутри ламп. Электронные приборы большей мощности (разборные лампы, рентгеновские трубки и т. д.) непрерывно откачиваются насосом во время работы
Необходимой операцией технологического процесса производства электронных приборов стало предварительное обезгаживание внутренней арматуры, т. е. прогрев в вакууме металлических деталей, монтирующихся внутри прибора. Следует отметить, что индукционный метод нагрева внутренней арматуры ламп токами высокой частоты, применяющийся до настоящего времени, был впервые предложен русским ученым Н. Д. Папалекси [157]. Лишь спустя два года метод высокочастотного прогрева был запатентован в Германии.
Получение высокого вакуума зачастую было камнем преткновения при конструировании вакуумной насос. Создатель одного из первых отечественных "катодных реле большой мощности" А.А.Чернышев отмечал, что в процессе работы было потрачено около двух лет на создание метода получения нужной степени вакуума.
Изготовление вакуумных приборов в широком масштабе в промышленных условиях выдвинуло ряд новых для производства требований. Большое внимание в вакуумных цехах придается чистоте содержания оборудования и деталей (вакуумная гигиена), специальной подготовке персонала. Откачку некоторых видов приборов могут выполнять лишь рабочие с высокой квалификацией и большим опытом. "Стоит откачнику передержать лампу во время тренировки, - писал о производстве генераторных ламп пионер советской электроники А. Г. Александров, - и дыра на аноде от проплавления обеспечена. Недодержать же - значит выпустить лампу с газом. Откачка - целое искусство, требующее очень хорошего глазомера и чутья" [
Большую роль совершенствование вакуумной техники сыграло в развитии приборов электронно-лучевого типа. Прообразом электронно-лучевых приборов являлась катодная трубка, изобретенная К.Ф.Брауном в 1897 г. и применявшаяся в качестве осциллографа. Действие трубки Брауна было основано на использовании газового разряда. Плотность газа в такой трубке была не настолько высокой, чтобы вызвать сильное рассеяние электронного пучка, но, в то же время, за счет ионизации молекул, попадавших в пучок, возникал столб положительных ионов. Электрическое поле этого столба оказывало известное фокусирующее действие на пучок электронов. Степень фокусировки зависела от скорости ионизации, которая, в свою очередь, определялась природой газа и его давлением, а также потенциалом и плотностью электронного пучка. Трубки с ионной фокусировкой были устройствами медленного действия. Лишь после того, как техника высокого вакуума получила значительное развитие, появилась возможность создания приборов, в которых поток электронов фокусируется в узкий пучок (электронный луч), с высокой скоростью управляемый по интенсивности и положению в пространстве.
Высоковакуумные электронно-лучевые приборы (ЭЛП) ведут историю от электронно-лучевой трубки В. К. Зворыкина, созданной в 1929 г. [160]. Трубка Зворыкина, имевшая оксидный катод косвенного накала, электронный прожектор и отклоняющую систему, работавшие в высоком вакууме, получила широкое использование в качестве кинескопа телевизионных приемников. В 1930-х годах получили развитие также осциллографические ЭЛП, первые ЭЛП с использованием принципа накопления заряда на мишени. Разработка систем радиолокации, начавшаяся накануне второй мировой войны, дала толчок развитию индикаторных ЭЛП [161].
|