Электровакуумные геттеры. Первые металлические газопоглотители

На пути изготовления даже весьма простых электровакуумных приборов (ЭВП) неумолимо встаёт немало неочевидных технологических трудностей, например, впитанные в электровакуумные материалы, растворённые, «окклюдированные» газы. Газы, удерживающиеся внутри металлов, стекла, слюды весьма прочно при условиях обычных, и бодро выползающих наружу при понижении давления и нагреве — обычном рабочем состоянии внутренностей электронных ламп, из-за чего подготовка для них материалов и откачка существенно усложняется. Первые радиолампы опустошали часами и даже десятками часов непрерывной работы сложного и энергоёмкого оборудования (т. н. светлая откачка). Внутренние же ламповые газопоглотители — геттеры позволили колоссально упростить и удешевить откачку ЭВП, стабилизировать их параметры и удлинить время жизни. Механизм происходящего, важность процессов и общую классификацию газопоглотителей мы уже рассмотрели [1], как и первые неметаллические геттеры ламп накаливания и даже ламп электронных [2]. Взглянем же на следующий шаг электровакуумной эволюции — ранние металлические геттеры. При этом сосредоточимся на простых неспециальных материалах, доступных сегодняшнему любителю-экспериментатору, по прошествии ламповой эры.

Говоря об электровакуумных газопоглотителях, очертим круг их обязанностей. Как правило, в электронных лампах после предварительной форвакуумной откачки и при условии приличной очистки материалов, можно говорить о наборе — Н₂, СО, СО₂, N₂, О₂ и пары Н₂О. При этом в большинстве случаев, кроме условно нейтрального азота, это газы и пары весьма вредные, нарушающие работу лампы, снижающие её ресурс.

1. Вольфрам

 

Сидите, разлагаете молекулы на атомы.

 

В. С. Высоцкий. «Товарищи учёные»

 

Как правило, говоря о металлических геттерах, имеют в виду металлы щёлочноземельные — химически активные. Однако свойством связывать или способствовать связыванию молекул и атомов газов обладают и металлы несколько неожиданные, например, вольфрам — ещё со времён начала применения ионизационных ламп-преобразователей вакуумметров замечено их откачивающее действие, в некоторых случаях намеренно применяющееся для откачки небольших лабораторных объёмов до сверхвысокого вакуума. Работает такая манометрическая лампа вот как: накалённый током эмиттер-нить (часто вольфрамовая), испускает электроны, направляющиеся к положительно заряженному электроду. На своём пути электроны сталкиваются с молекулами газов, ионизируют их. Положительные ионы собираются на третьем электроде — ионный ток лампы зависит от остаточного давления в присоединённой системе. 

Фото 1.1. Конструкцией ионизационная манометрическая лампа может сильно напоминать прямонакальный триод с вольфрамовым катодом, но нередки и варианты более причудливые. На рисунке 1 — ионизационная лампа-преобразователь (до 10^-10 Торр!) с конструкцией навыворот — нити накала снаружи сетки-анода [3]. Фото 2 — хрестоматийная ПМИ-2

Молекулы водорода, кислорода, хлора, пары некоторых углеводородов просто соприкасаясь с вольфрамом, накалённым до 1500 ^оС, диссоциируют на атомы. Добавим, атомы весьма активные, легко захватывающиеся стенками и элементами системы. В случае же приложенных к электродам лампы напряжений, атомы устремляются и оседают на заряженном отрицательно коллекторе, соединяются с его металлом. Кроме того, многие оставшиеся в баллоне газы испаряющимися с раскалённой нити атомами вольфрама весьма активно связываются химически — образуя оксиды, азотистый вольфрам и т. п. Хуже других дело здесь обстоит со связыванием водорода: его активные атомы так и норовят восстановить следы окислов, с образованием воды, а та с накалённым W образует непрерывный цикл его переноса на колбу [4]. В целом, способ газопоглощения распылением вольфрама (перекалом нити) вполне работоспособен, хотя и не без огрехов, и даже находил промышленное применение в самых ранних триодах.

Фото 1.2. Небезызвестный нам французский универсальный триод ТМ начала 1920-х годов [5]: 1 — исходный вариант; 2 — «рогатый триод» для ВЧ каскадов — с вынесенными на колбу выводами сетки и анода (для снижения входной «миллеровской» ёмкости и уменьшения самовозбуждения каскада); 3 — рогатый вариант ТМ с фосфорным геттером, аналогичным таковому у ламп накаливания [2]

Фото 1.3. Рогатый ТМ с «вычисткой» остаточных газов распылением части вольфрамовой нити-катода (1) (характерные «бабочкины крылья» на колбе); 2 — предположительно лампа с комбинированным внутренним газопоглощением — распылением части W нити и фосфорного геттера

2. Натрий

Имеются сведения о применении «внешнего» натрия при откачке ранних крупных генераторных ламп — кусочек очищенного металла помещали в колбу перед напайкой на стеклянную гребёнку откачного поста, или в специальный стеклянный отросток. После обычной грубой откачки лампы с прогревом колбы и электродов разрядом или токами высокой частоты, натрий испаряли внешним локальным нагревом или перегоняли его из отростка — нагревали, держа место, куда требуется его сконденсировать прохладнее. Снова накаляя электроды разрядом, добивались выхода из них остатков газов, которые активный натрий связывал химически. Избыток металла снова перегоняли в трубопровод системы — т. н. отбелка лампы, и прибор отпаивали.

Фото 2.1. Пара крупных британских высоковольтных прямонакальных кенотронов 1920-х, MR1 (1) и CV1258 (2), мощностью в 150 и 200 Вт. Могли при откачке обрабатываться натрием

3. Магний

Магний как один из щёлочноземельных металлов, удовлетворительно поглощает О₂, N₂, СО₂, достаточно стоек в сухом воздухе и очень удобен в применении. В качестве геттера может использоваться компактный чистый металл в виде небольшой полоски (например, 4х2 мм для некрупной лампы), приваренной контактной сваркой к никелевому аноду. При нагреве последнего токами ВЧ или разрядом, во время откачки, Mg испаряется и оседает на стекло баллона светло-серебристым зеркалом.

Увы, магниевый геттер работает преимущественно только во время распыления. Магний плохо связывает азот и почти не реагирует с водородом. Mg имеет сравнительно высокое давление насыщенных паров (легко испаряется) — примерно в 7 раз выше давления насыщенных паров Al и в 1…2 раза выше, чем у щёлочноземельных металлов (Ba, Sr, Ca). Поэтому при обычном недлинном нагревании лампы из легкоплавкого стекла для его обезгаживания во время откачки (~400 ^оС) или при длительной работе лампы при Т ~200 ^оС, магний заметно испаряется, оседая на менее нагретых деталях лампы, изоляторах, создавая проводящие мостики, приводя к помехам в работе, попадая на оксидный катод, уменьшает его эмиссию. Из-за лёгкой испаряемости магниевое зеркало на колбе лампы без труда можно перегнать пламенем горелки в любое нужное место баллона.

Фото 3.1. Клочок магниевой ленты обычно приваривали к аноду лампы непосредственно. Чтобы успеть получше прогреть электроды до начала активного распыления Mg геттера (А, поз. 1), последний помещали несколько в стороне от анода (А, поз. 3) на специальном элементе (А, поз. 2) — чтобы тепло до магния добиралось не сразу [6]. Несмотря на все недостатки Mg, в первых лампах с катодами из вольфрама и вольфрама торированного, он применялся промышленно и часто, с удовлетворительными результатами. В, С — прямонакальные «тусклые» (с нитью из торированного W) триоды 1920-х компании Moorhead с магниевым геттером

 

4. Алюминий

Небольшая проволочка из чистого алюминия, помещённая внутрь вольфрамовой спирали, при накале распыляясь на колбу, поглощает при этом кислород, азот, двуокись углерода. В электронных лампах такой геттер не использовался, изредка находя применение в специальных случаях. 

Фото 4.1. Следует сказать, что баллоны современных зеркальных ламп накаливания хоть и алюминируют, но делают это отдельно, задолго до откачки лампы в сборе [7]

5. Барий. Азидный процесс

Барий и по сей день является самым применимым распыляемым газопоглотителем для массовых электронных ламп — сравнительно дешёвый, весьма активный, взаимодействующий со всеми остающимися в колбе прибора газами, кроме благородных, работающий не только во время распыления при откачке, но и поддерживающий высокий (сверхвысокий) вакуум в приборе на протяжении всего времени его работы. Барий, однако, как самый активный из щёлочноземельных металлов, в чистом виде реагирует с воздухом, поэтому в прибор его вводят с различными ухищрениями — в виде сплавов, в защитной оболочке, получая прямо в лампе, по месту — восстановлением из оксида или разложением некоторых солей.

Один из самых ранних способов применения бария — термическое разложение его азида (BaN₆) при ~120 ^оС [8]. Способ сравнительно простой в принципе, сильно осложняется взрывчатостью самого BaN₆ и чрезвычайной, сравнимой с синильной кислотой, ядовитостью кислоты азотисто-водородной (N₃H), требующейся для получения азида. Добавим — чрезвычайной ядовитостью, летучестью и взрывчатостью (при ударе, нагреве или трении).

Азид бария тем не менее широко использовался в ранних лампах для получения зеркала-газопоглотителя чистого бария и для активирования катода. Действовали так: N₃H синтезировали в герметичной установке и небольшими количествами, конечный продукт — азид бария получали в виде водного раствора, в таком состоянии или же при увлажнении 10% воды он не взрывчатый. Установку для получения размещали в вытяжном шкафу с толстой передней стеклянной плитой и тонкой задней стенкой (на случай взрыва), а обслуживающий персонал работал в защитных масках. Раствор азида, непрерывно контролируя ареометром, осторожно упаривали до концентрации 16…17%, разливали в литровые банки с плотной резиновой пробкой, каждую банку укладывали в жестяную коробку, а пространство между стенками коробки и стеклом заполняли диатомитом. При необходимости транспортировки азида коробки запаивали. 

В лампу азид вводили так: водный раствор BaN₆ разбавляли спиртом, причём из-за слабой в нём растворимости, соль выпадала в осадок в виде мелкого порошка. Влажный порошок промывали спиртом и наносили на внешнюю или внутреннюю (для активации катода) сторону анода или на специальный электрод. Для удержания влажного азида электроду придавали шероховатость или приваривали проволочную сетку. Для напыления бария, металлическую подложку с его азидом разогревали, обычно высокочастотным нагревом. Чистый металл испарялся и оседал на менее нагретых поверхностях, выделившийся азот удалялся внешними насосами откачного поста.

Фото 5.1. Немецкие лампы Telefunken середины 1920-х: 1 — прямонакальный триод с W нитью RE78; 2 — его близкий родственник RE79; 3 — «триод с сеткой пространственного заряда», сиречь — тетрод RE212, вероятно, с нитью из торированного W. На фото 2а более или менее ясно видно устройство электродной системы — однотипное с теми самыми французскими ТМ [5]. Барий на стекле давал тёмное зеркало, а его нанесение азидным процессом часто запыляло весь баллон до полной непрозрачности

Фото 5.2. Ещё несколько примеров применения азидного процесса: 1 — британский прямонакальный триод Neutron тех же времён; 2 — австрийский триод А420 с косвенным (!) подогревом. Первые такие катоды отличались от современных металлических с изоляцией нити алундом, и представляли собой тонкую керамическую трубочку с вольфрамовой нитью внутри. На поверхность керамики тем или иным способом наносился активный слой с малой работой выхода — кальций, барий. А420 имел квадратный коробчатый анод, такой же как у лампы на Фото 3. Отметим у последней весьма культурное точное распыление бариевого геттера, вероятно, восстановлением из окиси

Азидный процесс в электровакуумном производстве применялся сравнительно недолго из-за ряда недостатков: общая взрывчатость и ядовитость, низкая точность напыления бария, очень бурный, подобный взрыву, процесс — даже при небольшой передозировке азида или его быстром нагреве, лампа могла разрушиться. Кроме того, азид разлагался при весьма низкой температуре, не позволяющей хорошо обезгазить электроды прогревом, а из-за неполноты разложения азида, в намазке сохраняется много нитрида бария (Ba₃N₂) становящегося источником азота в работающей с перегрузками, перегревающейся лампы.

6. Кальций

Кальций в качестве электровакуумного газопоглотителя ещё менее эффективен, чем магний, и тем более барий, однако, обладает ценным свойством: зеркало кальция на стекле не проводит электрический ток, и это счастливое обстоятельство применяют в некоторых специальных случаях — там, где требуются минимальные утечки между электродами и отсутствие шумов при усилении слабых сигналов [6].

Кальций сравнительно прочен и стоек на воздухе. Ввести его лампу можно как в виде компактного металла, так и восстановлением из оксида или тем же азидным процессом. В последнем случае следует иметь в виду, что азид кальция ещё более взрывоопасен, чем BaN₆ и SrN₆.  

Фото 6.1. Ламповый конденсаторный микрофон МК-3 ленинградского телефонно-телеграфного завода имени Кулакова. 1930-е. Два первых каскада усиления расположены в одном корпусе с микрофонным капсюлем. Для «вычистки» следов оставшихся газов в подобных лампах мог применяться кальций

7. Итого

Первые электровакуумные процессы, несмотря на своё несовершенство, уже позволяли быстро и сравнительно недорого получать прилично работающие ЭВП, простыми средствами, в том числе и комбинируя их.

К вакуумной обработке приборов заметим — одним из самых простых и действенных способов связывания остатков вредных в лампе газов, была его ионизация — между электродами включали высокое напряжение, организовывали поток электронов или возбуждали ВЧ разряд. Молекулы оставшихся газов диссоциировали при этом на весьма активные ионы, легко поглощающиеся стеклом и остальными металлами электродной системы, при условии хорошего их перед этим обезгаживания.

 

8. Дополнительные материалы

1. Электровакуумный геттер, газовыделение, газопоглощение в ЭВП. Конспект автора.

2. Электровакуумные геттеры. Общие положения, классификация, первые газопоглотители. Конспект автора.

3. Ярвуд Дж. Техника высокого вакуума. Москва, Ленинград. Госэнергоиздат. 1960 г.

4. Дэшман С. Техника высокого вакуума. Госэнергоиздат. 1933 г.

5. Легендарный вакуумный триод 1920-х — ТМ. История, конструкция, характеристики. Конспект автора.

6. Иванов А. А. Электровакуумная технология. Москва, Ленинград. Госэнергоиздат. 1944 г.

7. Денисов В. П., Мельников Ю. Ф. Технология и оборудование производства электрических источников света. Москва. Энергоатомиздат. 1983 г.

8. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. Том 1. Москва, Ленинград. Госэнергоиздат. 1962 г.

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, март, 2026 г.

© 2026 ООО «МТ ФИНАНС»