Производство WE300B в Western Electric

J. Audio Eng. Soc., Vol. 37, No. 11, 1989 November
Attila R. Balaton

На протяжении всей жизни Attila R. Balaton имел интерес к классической музыке (прежде всего хоровой и инструментальной музыке периода Барокко) и к высококачественному воспроизведению звука. Понимание вакуумных ламп пришло к нему в процессе построения звуковых усилителей “с нуля”. Хотя его академическое образование в парижском Университете и UCLA и находится в совершенно другой области, тем не менее его поглотила всеобъемлющая любовь к документированию раннего периода электрического воспроизведения звука (1920-1950). Он член и соавтор Старинной Беспроволочной Ассоциации (Antique Wireless Association), Holcomb, Нью-Йорк 14469. Это некоммерческая организация, специализированная на исследовании и документировании истории электронной технологии и беспроволочной связи. Его частная область исследований - пионерская работа, выполненная в Bell Laboratories по высококачественному воспроизведению звука, а полученные звуковые продукты изготавливались на Western Electric в течение этого 30-летнего периода. Он надеется и далее разрабатывать эту тему в дополнительных публикациях. Он также приветствует любую переписку с читателями, имеющими информацию или сведения об относящихся к звуку продуктах фирмы Western Electric.

В 1935 компания Western Electric представила лампу WE300A, из которой тремя годами позже сделала 300B, прямонакальный вакуумный триод средней мощности. Изначально 300B была разработана для нового поколения звуковых кинотеатральных усилителей (WE86A, WE91A) и производилась компанией Western Electric, “правой рукой” American Telephone & Telegraph Co. (AT&T). Легендарный продукт, воплотившая все качества, приписанные лампам Western Electric, 300B считается “королем” триодов среди истинных аудиофилов. Она до сих пор используется в высококачественных японских и французских усилителях. Единственная известная разница между А и B – расположение байонетного вывода-ключа на стороне цоколя лампы.

Немногие читатели могли бы отдавать себе отчет в том, что до конца 1988 года 300B все еще производилась на заводе AT&T Technologies, расположенном в предместьях Канзас-Сити, США, штат Миссури. Фактически она была последней электронной лампой, находившейся в производстве на AT&T, что означает 50 лет непрерывного ее выпуска! Это признание удивительной долговечности разработки и предпочтений аудиофилов всего мира, отказавшихся отходить от ламп в высококачественном звуковоспроизведении. Справедливости ради заметим, что рекорд долговечности, возможно, был поставлен лампой WE215A (лампа-”желудь”), которая была спроектирована в конце 1918 года и производилась в малых количествах для американского флота до середины 1970-х, а производственная оснастка окончательно была сдана в лом только в 1981-м. Что касается типа лампы, то VT-4C, восходящая корнями непосредственно к WE211A (VT-4) 1920 года, в настоящее время до сих пор производится в Китае.

Хотя термоэлектронная лампа и не была изобретена фирмой Western Electric, но эта компания всегда прикладывала все усилия для полной реализации своего потенциала. В истории вакуумных ламп компания Western Electric отличалась непрерывной работой по улучшению их стабильности, надежности и эффективности. В октябре 1913 года на телефонной линии между Нью-Йорком и Вашингтоном, округ Колумбия, были поставлены на обслуживание первые телефонные репитеры (усилители) на лампах с индексом “А”. А в январе 1915-го при открытии первой трансконтинентальной линии использовались лампы 101А.

К концу первой мировой войны руководство AT&T достигло поставленных целей. Стали известны конструкторские параметры лампового триода. Наладилось массовое производство надежных, качественных ламп при хорошей их повторяемости и минимальном разбросе параметров. Выпуск коммерческих вакуумных ламп (то есть с индексами VT-1, VT-2) для лампового магазина, расположенного на 463 West Street, Нью-Йорк, в августе 1917-го составлял меньше двух сотен в неделю и вырос до 25000 в неделю в ноябре 1918-го. Инженеры-разработчики в своих приложениях могли выбрать из нескольких схемных проектов.

Последующие годы принесли непрерывные улучшения, нацеленные на увеличение среднего срока службы ламп и их эффективности при уменьшении требований по питанию. Требования специализированных приложений поощряли изучение маломикрофонящих и малошумящих ламп, необходимых для усилителей с высоким усилием, используемых в кинотеатральном оборудовании.

К 1949 году ламповая продукция переместилась на новое место в Аллентауне, штат Пенсильвания, ставшее первым большим объектом, полностью посвященным производству электронных компонентов. В 1958-м чтобы освободить пространство в Аллентауне для производства полупроводников, часть лампового конвейера была перенесена в Канзас-Сити, штат Миссури. В 1972-м Аллентаун передал остатки производства ламп в Канзас-Сити. Появление интегральных схем дало этому заводу в 1.5 миллиона кв. футов уникальную возможность поместить всю историю электроники под одной крышей: производство вакуумных ламп, дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Производство WE300B

Конструирование и производство 300B - хорошие примеры постоянно высоких стандартов, внедряемых Western Electric в ламповых технологиях. Баллон лампы, являющийся по сути вакуумным контейнером, должен выдерживать разницу давлений между внешней атмосферой и вакуумом внутри, не газовать, быть химически инертным и помогать рассеивать излучаемое электродами тепло. Развитие ламповых технологий непосредственно связано с технологиями ламп накаливания. Прогресс, достигнутый позднее на повороте столетий, и помог создать ламповую технологию; например, круглая форма баллонов ранних “аудионов” повилась из-за использования легко доступных автомобильных лампочек от MeCandless, их изготовителя.

Конструкторы 300B выбрали стеклянную колбу ST19, наибольший формат из нового стандарта, введенного в 1932 году. Толщиной всего 1/16" (1.5 мм), колба была сделана из содоизвесткового стекла, также называемого “мягким стеклом”. Оно имеет довольно низкую точку смягчения, которая делает операцию герметизации (припаивание колбы к основанию) проще – явное преимущество в производстве. Мягкое стекло имеет также незначительную проводимость для того, чтобы со стенок стекали заряды, которые могли бы возникать в результате попадания на стеклянную поверхность паразитных электронов. С другой стороны, основание лампы сделано из силикатного стекла, удельное электрическое сопротивление которого намного выше. Выводы, впаянные в основание, расположены довольно близко друг к другу, и чтобы избежать электролиза (а в процессе электролиза из электродов освобождаются различные газы) при высокой температуре, между ними необходима хорошая изоляция.

Высокое качество стеклянных колб Western Electric, по-видимому, не обусловлено специальным составом стекла, поскольку не имеется свидетельств, что компания за эти годы использовала какое-либо стекло кроме коммерчески доступного. Возможно, это обусловлено предосторожностью, принимаемой на вторичных операциях типа отжига: процесс нагрева стекла насколько возможно без деформаций и затем медленного охлаждения его до комнатной температуры в специальной печи для уменьшения деформаций, возникших в стекле на различных стадиях производства. Выводы сделаны из меди, покрытой железо-никелевым сплавом, что известно как “Dumet” и имеет коэффициент теплового расширения очень близкий к стеклу и, следовательно, обеспечивает хорошее уплотнение стекла с металлом для сохранения внутреннего вакуума. Dumet был разработан в 1911 году как замена платине для вводных уплотнений ламп накаливания. Он изготавливается расплавлением или сваркой 42% железо-никелевого сплава в медную трубку с промежуточной оболочкой из латуни. Медная поверхность представляет приблизительно 25% от полного веса провода.

Внутренние компоненты

Когда стоимость не критична, для изготовления почти всех внутренних компонентов ламп малой и средней мощности предпочтительны никель и его сплавы. Единственный их недостаток в некоторых приложениях — это их магнитные свойства.

Анод лампы выполняет две функции в дополнение к основной (сбору электронов): рассеивание тепла, излученного потоком бомбардирующих его поверхность электронов, и обеспечение полной геометрии электродов, потому что анод обычно формируется отдельно от электродной структуры. Анод 300B сформирован из двух штампованных 1-й степени листов никеля, сваренных вместе. Особое внимание уделялось конструированию анода и приданию ему максимально возможной жесткости посредством добавления ребер жесткости и широких фланцев в месте соединения двух половинок анода. Жесткость становится важным моментом, потому что размер остальных электродов и уменьшенное расстояние между ними увеличивают риск электрических пробоев. Для улучшения теплоизлучающей способности анода последний чернили посредством процесса карбонизации. Карбонизация никеля заключается в нагреве никеля до 925°C в печи в углеводородной атмосфере.

Сетка лампы должна удовлетворять нескольким требованиям. Во-первых, провод должен обладать достаточно высоким пределом прочности и большой однородностью, чтобы устойчиво наматываться без растяжения или сжатия. Сетка должна также удерживать форму несмотря на окружающее тепло и, в заключение, она должна испускать минимальное количество электронов даже после загрязнения ее барием из нити накала. Сетка формируется из плоско намотанного молибденового провода и присоединяется к двум никелевым 2-й степени поддерживающим проводникам с насечками (боковые стержни).

Нить накала (катод) - ключевой элемент электронной лампы. Он должен на протяжении всего срока службы лампы обеспечивать обильный поток электронов так эффективно (для получения низкого тока накала) и так монотонно (для получения малой скорости обеднения поверхности, излучающей электроны), как только возможно. Это требует особого внимания к характеристикам как испускающего материала, так и основного материала нити накала.

Давным-давно при разработке вакуумных ламп Western Electric в качестве покрытия нити накала выбрала щелочно-оксидные окиси металлов, наиболее эффективные испускатели электронов. За эти годы с улучшением понимания сложных явлений процесса эмиссии катода состав сплава металлов был изменен. Нить накала 300B сделана из плоской ленты из никелевого сплава, покрытой тройным составом карбоната бария. Она расположена в виде двойной буквы М. Две М намотаны в параллель вместо более часто используемого одинарного М, так как нить накала должна расширять полную длину и ширину анода, чтобы обеспечить ток анода на как можно большей площади анода.

Газопоглотитель выполняет две взаимодополняющих функции: создание и сохранение адекватного вакуума в баллоне лампы после этапов откачки воздуха и заделки. Он делает это высвобождением металлического элемента, имеющего высокую активность к различным газам, встречающимся в электронной лампе и буквально откачивает их посредством химической реакции. 300B использует так называемый “флэш”-газопоглотитель, состоящий из соединения карбонатов бария и кальция с некоторыми магниевыми добавками для поджигания состава и быстрого доведения его до температуры примерно 300°C, где материал газопоглотителя наиболее эффективен. Основание газопоглотителя сделано из никелевого провода.

СБОРКА

Однако и правильный выбор материалов для всех компонентов электронной лампы — это еще не все. Осторожная обработка этих материалов перед сборкой и меры предосторожности, принимаемые во время сборки – вот важные моменты рассмотрения для получения желаемого результата и долгого срока службы.

Используемые материалы должны быть в чрезвычайно чистом состоянии. Сборка лампы выполняется в резиновых перчатках. Во время различных операций — разметки, обработки, штамповки, намотки сетки – должны использоваться не содержащие серы смазки, так как присутствие серы в лампе отравило бы покрытый оксидами катод и разрушило бы его. В то время как поверхностные пленки масла легко удаляются на операциях очистки и обезжиривания, некоторое количество масла может остаться в микротрещинах материала и выпущено лишь намного позднее уже внутри лампы. Это также верно и для других типов загрязнений и объясняет использование резиновых перчаток на сборочных работах. Лампы ДМВ обычно изготавливаются в особо очищенных помещениях. После химической очистки, но до этапа откачивания, все металлические части предварительно обрабатывают, отжигая их в водородной печи при почти 1000°C, чтобы уменьшить оставшиеся оксиды и освободить от газа большую часть металла, замещая поглощенные газы водородом, который легко покинет детали. Подобную обработку (но при более низких температурах) пройдут и другие компоненты лампы, слюдяные прослойки и стеклянный баллон. Это необходимые предосторожности для получения и сохранения высокой степени вакуума в лампах.

В конце концов, качество лампы опирается на мастерство и опыт сборщиков! Создание большого лампового триода как 300B в значительной степени состоит из последовательности описанных ручных работ. Огромное количество труда при изготовлении 300B помогает объяснить высокую стоимость такой лампы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение невозможно не удивиться относительно роли судьбы при рассмотрении долгой традиции производства ламп на Western Electric. Разработав в 1913-м под индексом “A” звукоусилительную лампу для передачи человеческого голоса по телефонным проводам, ламповая деятельность Western Electric закончилась ровно через 75 лет на индексе 300B – другой звукоусилительной лампе, в настоящее время для высококачественного воспроизведения звука.

В то время как любители ламп могли бы быть опечалены таким окончанием, они должны также чувствовать себя в долгу у всех инженеров и служащих AT&T, кто с их видением и в погоне за высоким качеством при конструировании и производстве сделали возможным создание высококачественных вакуумных ламп.

Что же касается 300B, то мы могли бы сказать: “Король умер, да здравствует король!”

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор хочет поблагодарить AT&T Technologies Inc. за разрешение ему посетить производство в Канзас-Сити и особенно D.R.Dobson, старшего диспетчера производства за организацию этого посещения и B.D.Magers, старшего промышленного инженера за ответы на многочисленные вопросы. Автор также во многом обязан архиву и записям AT&T за обеспечение доступа к оригинальным документам, представляющим интерес.

БИБЛИОГРАФИЯ

A History of Engineering and Science in the Bell System, AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey, 1975-1985. A multivolume account of that prodigious history prepared collectively by past and present members of Bell Labs. Of particular interest are the following:

The Early Years (1875-1925), Fagen, M. D., editor; (chapters 2, 5, 8, and 10). Transmission Technology (1925-1975), O’Neill, E. F.,editor; (chapters 8 and 17). Electronics Technology (1925-1975), Smits, F. M., editor; (chapter 3).

Kelly, M. J., “The Manufacture of Vacuum Tubes,” Bell Laboratories Record, July 1926, pp. 137-144. Precise account of tube manufacturing by the Western Electric tube shop then located at 350 Hudson Street, New York, by a future president of the Bell Laboratories.

McNally, J. O., “The 300A Vacuum Tube,” Bell Laboratories Record, July 1936, pp. 365-368. Description of the WE300A design by one of the engineers at the tube development department of Bell Laboratories.

Tyne, G. F. J., Saga of the Vacuum Tube, Howard W. Sams & Co., Inc., Indianapolis, 1977. The authoritative world wide account of tube history until 1930 by a former engineer of Bell Laboratories. Chapters 6 and 14 specifically cover Western Electric tubes.

van der Bijl, H. J., The Thermionic Vacuum Tube, McGraw-Hill Book Co., New York, 1920. For many years, the bible for vacuum tube design written by one of the original members of H. D. Arnold’s team. Chapter VII, pp. 224-249, is of special interest, particularly the section on tube constants as functions of the structural parameters.

Kohl, W. H., Materials and Techniques for Electron Tubes, Rheinhold Publishing Corporation, New York, 1960. An up-to-date reference book on tube design written by a senior engineer of GTE-Sylvania with a very extensive technical bibliography.