61920 (Океан в капле воды, или Вся техника в одной стекляшке), страница 5

Если же материал деформирован в упругой области и форма его стабилизирована какой-то технологической оснасткой (например, на оправку навита проволока – мы хотим сделать пружину), то отжиг необходим для снятия напряжений. Иначе проволока после снятия с оправки благополучно раскрутится, и вместо пружины мы получим проволокой по носу, и хорошо, если не по глазам. Автор это проходил...

Другой процесс, который также имеет в электронике свою специфику, – это процесс нанесения покрытий. Вообще в технике покрытия применяются чаще всего для увеличения коррозионной стойкости, трения, коэффициента излучения и твердости, уменьшения трения, коэффициента излучения и износа. То есть детали и устройства в целом работали бы и без покрытий, но хуже, и быстрее вышли бы из строя. В отличие от этого в технике электронных ламп покрытия, как правило, и являются тем, что работает, несет основную функцию. Покрытия экранов кинескопов излучают свет – без них кинескоп не работал бы вообще. Катодные покрытия эмиттируют, изоляционное покрытие на подогревателе изолирует его от катода – без них лампы не будут работать. Поэтому в технике электронных ламп было бы иногда логичнее говорить не о покрытиях на деталях, а о деталях, которые существуют лишь для того, чтобы на них могли быть покрытия.

Разумеется, в технике электронных ламп могут применяться все обычные покрытия – например, медные радиаторы вполне могут снабжаться покрытиями, предохраняющими их от коррозии или увеличивающими проводимость (в области сверхвысоких частот, когда токи протекают по поверхности). Внутриламповые детали могут иметь покрытия, уменьшающие коэффициент излучения (для увеличения экономичности) или увеличивающие его для охлаждения соответствующих деталей. Все остальные покрытия, которые мы рассмотрим, специфичны для электровакуумных приборов, причем многие из них наносится по специфической, применяемой в основном в этой области, технологии.

По обычным технологиям наносится в основном два типа покрытий. Антиэмиссионные покрытия на сетках ламп (золото, серебро, сплав олово-никель, титан и др.), предназначенные для увеличения работы выхода сеток при попадании на них с катода бария или тория наносят либо гальванически, либо протягиванием проволоки для сетки через расплав того металла или сплава, который надо нанести. Полупроводящие прозрачные покрытия из оксида олова получают либо пиролизом паров хлорида олова либо осаждением из раствора хлорида олова (стекло с таким покрытием можно нагревать пропусканием тока, например, чтобы оно не обледеневало).

Много сил и времени было потрачено на поиск материала и конструкции окон, допускающих вывод больших мощностей. Рекорд мощности клистрона 30 мегаватт (импульсная мощность, при длине импульса несколько микросекунд) продержался около 20 лет. Но в 1983 году в Стэнфордском университете был разработан клистрон мощностью 50 мегаватт, а еще через 2 года там же американские и японские специалисты сделали клистрон мощностью 150 мегаватт. Кроме всего прочего, оказался важным выбор антиэмиссионного покрытия для окна вывода энергии (помните – вторичноэлектронный разряд?).

Остальные процессы нанесения покрытий в технике электронных ламп строятся по следующей схеме: на поверхность наносится порошок вещества, которым мы хотим покрыть поверхность, а затем деталь нагревается так, чтобы произошло «спекание» – срастание частиц друг с другом и с поверхностью путем взаимной диффузии. Степень спекания обычно невелика, и покрытие получается пористым. Для эмиссионных и геттерных покрытий это необходимое условие работоспособности, для прочих оно допустимо. Обеспечить же высокую степень спекания нельзя потому, что для такого спекания нужна либо недопустимо высокая температура, либо давление, что обычно неудобно технологически.

Сам порошок может наноситься несколькими способами, различающимися тем, в какой среде находятся перед нанесением частицы порошка – в газе или жидкости – и под действием каких сил они приближаются к поверхности – электрических, гравитационных или упругих. Например, из суспензии в жидкости под действием электрических сил – это электрофорез, когда заряженные частицы устремляются к детали, на которую подается потенциал. Из жидкости под действием гравитации – это просто осаждение, так наносят в основном люминофорное покрытие на кинескопы. Из жидкости под действием упругих сил – это распыление или намазка суспензии. Из газа под действием электростатических сил – это так называемое электростатическое напыление, вообще применяемое в технике для нанесения красок. Чтобы порошок, попавший на поверхность, не осыпался с нее сразу, а дождался начала процесса спекания, к суспензии часто добавляют органические вещества с большой адгезией, клеи, испаряющиеся или разлагающиеся в процессе спекания.

По этим технологиям наносят покрытия почти всех видов – перечислим их. Проводящие покрытия из мелких частиц графита на баллонах кинескопов и электронных ламп. Полупроводящие покрытия из частиц оксидов хрома, железа и марганца для выравнивания потенциалов в высоковольтных электронных приборах. Геттерные покрытия из частиц активно взаимодействующих с остаточными газами металлов для поглощения газов внутри лампы. Изоляционные покрытия из частиц оксида алюминия на подогревателях. Люминесцентные покрытия в кинескопах и – кто помнит? – лампах-индикаторах настройки («кошачий глаз», серия Е). Эмиссионные покрытия оксидных катодов из оксидов щелочноземельных металлов и покрытия из металлических, как правило, никелевых частиц, на которые обычно и наносится собственно эмиссионное покрытие. И наконец, покрытия из частиц оксидов магния и алюминия на слюдяных изоляторах в лампах. Зачем же наносить изоляционное покрытие на изолятор? – удивитесь вы. Но его наносят не для изоляции, а для того, чтобы слюда стала шероховатой. А зачем ей становиться шероховатой? – еще больше удивитесь вы – ведь она в вакууме ни обо что не трется, это же не тормозные диски для Чероки! Шероховатость нужна для того, чтобы напыляющиеся на слюду при работе лампы металлические пленки не могли стать сплошными, проводящими и закоротить зазор.

Теперь, когда все детали изготовлены и молча лежат в эксикаторах с обеспыленной и высушенной средой или, пуще того, в вакуумных шкафах, из которых выкачан воздух, чтобы детали не окислялись, окинем их взглядом: катоды с эмиссионным покрытием; сетки из проволоки с антиэмиссионным покрытием, намотанной на траверсы (стойки) или, для ламп с планарной геометрией – на рамки; подогреватели, покрытые изоляцией; аноды, штампованные из черненного тонкого листового металла – для расположения внутри лампы и охлаждения излучением – или массивные медные, составляющие часть оболочки лампы и предназначенные для воздушного или водяного охлаждения; всяческие изоляторы из слюды или в мощных лампах из керамики, чтобы стабилизировать положение деталей относительно друг друга; оболочки ламп или, точнее, заготовки оболочек из стекла или иногда, в частности, для мощных ламп, из керамики; вводы, которые будут впаяны в стекло и начнут доставлять в лампу и из лампы электроны; и, наконец, газопоглотители или геттеры, которых, впрочем, может и не быть (об этом позже), а если они есть, то они могут существовать в виде покрытий на других деталях и в виде отдельных деталей – нераспыляемых геттеров или распыляемых – они при обработке лампы будут нагреты и напылят на стекло слой бария, который и будет поглощать потом остаточные газы.

Теперь мы приступим к сборке. На заре эпохи электронных ламп, 3/4 века назад, для работы в области больших мощностей применялись разборные лампы, работавшие с постоянной откачкой. Стучал насос, радиоволны неслись в эфир. Сейчас все лампы – неразборные и соединения в них выполняются, как правило, неразборными. Только в мощных лампах – и то редко – детали соединяют винтами; впрочем, поверх головок все равно приваривают накладки, исключающие ослабление и отвинчивание винтов. Лампа – не картофелеуборочный комбайн, в нее с гаечным ключом не залезешь. В маломощных лампах основной метод соединения деталей – контактная электросварка, называемая часто точечной сваркой; применяется также лазерная сварка. В мощных лампах применяется еще и аргонно-дуговая сварка, она дает вакуумно-плотный шов и поэтому может использоваться для соединения деталей оболочки лампы.

Сварка – это такой метод соединения деталей, когда расплавляется материал обеих соединяемых деталей. Если материалы остаются твердыми, а зазор между ними заполняется жидким металлом, который застывает, – это пайка. Если же расплавляется один из материалов, это называется пайка оплавлением. До сих пор мы говорили о соединении металл-металл. При соединении металлов с диэлектриками сварка – в обычном ее виде – не применяется, так как температура плавления керамик значительно выше температур плавления большинства металлов и, вдобавок, при плавлении керамики разлагаются. Стекло же плавится легко, но – наоборот, слишком легко – металлы же, с которыми соединяют стекло, плавятся при более высоких температурах. То есть это пайка оплавлением, причем плавится стекло.

А зачем вообще при пайке оплавлением расплавляют один из соединяемых материалов? Чтобы сблизить соединяемые материалы. Но можно и не плавить – нагреть и сильно сжать. За счет пластичности нагретых материалов они сблизятся на атомные расстояния, и диффузия, ускоренная нагревом, перемешает их. Такой способ соединения называется термокомпрессионной сваркой. Слово «сварка» тут совершенно не к месту, но такова традиция.

Часто говорят, что те или иные материалы соединить можно или нельзя. Так говорить некорректно – ибо соединить можно любые материалы. Вопрос в том, какую прочность будет иметь такое соединение. Тем более, что кроме внешних усилий (лампы роняют), существуют еще и внутренние, возникающие из-за различий в термических расширениях. Действительно, все эти пайки – сварки делаются при высоких температурах. Потом мы прибор охлаждаем, и если соединенные при высокой температуре материалы по-разному укорачиваются при охлаждении, то в соединении возникают термические напряжения.

Поэтому вопрос о соединении – это вопрос о согласовании расширений, о возникающих в соединении усилиях и о прочности тех соединений, которые возникают в сварной зоне или в зоне диффузии припоя и материала деталей друг в друга. Если говорят, что два металла хорошо соединяются, это означает, что возникающие в зоне их взаимодействия соединения не хрупки и прочны.

А еще в некоторых случаях в зоне соединения образуются легкоплавкие соединения. Автору этой статьи понадобилось как-то распылить в вакууме никель. Он взял титановую фольгу, вырезал ленточку, закрепил ее в вакуумной камере, положил на ленточку квадратик из никелевой фольги и начал греть титан, пропуская по нему ток. И в какой-то момент с ужасом увидел, что никель исчез, а в титановой ленте зияет аккуратное квадратное отверстие. Как квадратное отверстие в облаках у Стругацких, в «Гадких лебедях». При 955 по Цельсию в зоне контакта титан-никель началось плавление интерметаллида и расплавившаяся зона молча капнула вниз.

В отличие от спая металл-стекло, который по существу делается путем оплавления металла стеклом, соединение металла и керамики так получить нельзя – керамика тугоплавка. Поэтому сначала ее металлизируют, нанося на поверхность металлический порошок или соединения и расплавляя их. При этом за счет диффузии и реакций образуется переходная зона. А уже потом паяют керамическую металлизированную деталь и собственно металлическую.

Можно, впрочем, обойтись и без металлизации. При так называемой «активной пайке» между керамической и металлической деталью прокладывают фольгу из титана, затем этот комплект сжимают и нагревают. При взаимодействии образуется переходная зона, и детали соединяются. Заметим, что в электронике – как и вообще в жизни – более простая на вид технология требует более высокой технологической культуры и она более «строга», то есть требует лучшей стабилизации параметров. Поэтому попытки заимствования «простых» технологий не всегда бывают успешны.

Наконец, металл с керамикой (впрочем, и стекло со стеклом), можно соединить с помощью пайки, но не металлическими припоями, а легкоплавкими стеклами, или «глазурями» – фантазия технологов неисчерпаема. Особенно, когда постоянно приходят конструкторы с очередными безумными идеями. Проблема согласования коэффициентов термического расширения особенно важна, если один из соединяемых материалов хрупок: например, при спаивании металла со стеклом. В частности, для согласования с теми или иными сортами и группами сортов стекла разрабатывались специальные сплавы. А иногда разрабатывались стекла, надежно спаивавшиеся с каким-то определенным металлом. А на какие чудовищные ухищрения приходилось идти, чтобы спаять, например, германий со стеклом, сапфир со стеклом или кварц со стеклом. У вас не сжалось сердце? У кварца термическое расширение на порядок меньше, чем у стекол, и технологам пришлось разработать ряд из примерно десяти стекол, которые спаивались так: первое с кварцем, второе с первым и так далее – до последнего, которое спаивалось с обычным электровакуумным стеклом.

А вот еще маленькая одиссея: в древности вводы в стекло делали из платины, подобрали стекла, которые с ней хорошо спаиваются, и привыкли к ним. Но рано или поздно, а от платины пришлось отказываться. И придумали вводы из «платинита» – проволоки из сплава Н42 (42% никеля, остальное – железо), покрытой медью, причем толщина меди подбиралась так, чтобы у этой композитной проволоки расширение было, как у платины.