Elektroniputken valmistusprosessi

Modernin vahvistinputken valmistusprosessiin kuuluu seuraavat työvaiheet

1. Elektrodien valmistus ja kokoonpano

Putken sisällä vallitsee täydellinen tyhjiö ja toiminnan aikana melkoinen kuumuus. Läheskään kaikki materiaalit eivät sovellu putken valmistukseen, esim. messinki on kiellettyjen aineiden listalla: sinkki höyrystyy kuumassa, pilaa tyhjiön ja pinnoittaa lasikuvun sähköä johtavalla sinkkikerroksella. Kiellettyjen aineiden lista on pitkä, perusajatuksena on että mitään ei saa höyrystyä materiaalista kuumuuden ja tyhjiön seurauksena. Hyväksyttyjä materiaaleja ovat mm. wolfram, kupari, grafiitti, nikkeli, rauta…
Anodit ja muut metallilevystä valmistettavat osat stanssataan tai syövytetään levystä, ja taivutellaan oikeaan muotoonsa. Anodi päällystetään usein grafiitilla, joka toimii “mustana kappaleena” eli säteilee anodille kertyneen lämpöenergian paremmin pois. Anodin materiaalina voidaan käyttää kuparia tai terästä. Röntgenputkissa käytetään wolframia, sen suuren sulamispisteen takia, mutta vahvistinputkissa tästä ei ole hyötyä: jos anodi kuumenee liikaa, syntyy n.s sekundääriemissio, eli anodi säteilee myös elektroneja, jolloin putken toiminta menee sekaisin.
Hehkulanka valmistetaan samaan tapaan kuin hehkulampun lanka, mutta se pinnoitetaan alumiinioksidilla, jotta saataisiin riittävä eristys katodin ja hehkulangan välille. Alumiinioksidi myös estää vapaita elektroneja irtoamasta hehkulangalta (mikä saattaisi tietyissä tilanteissa sotkea putken toimintaa ja aiheuttaa häiriöitä).
Katodi valmistetaan pienestä metallisylinteristä (yleensä nikkeliä). Se pinnoitetaan elektroneja helposti luovuttavalla aineella, joka on bariumoksidin (BaO) ja strontiumoksidin  (SrO) seos. Koska nämä aineet menevät helposti pilalle ilman hiikidioksidin ja kosteuden seurauksena, parempi tapa on pinnoittaa katodisylinteri bariumkarbonaatin ja strontiumkarbonaatin seoksella, joka sitten putken sulkemisen yhteydessä kuumennetaan 100 asteen lämpötilaan, jolloin karbonaatiti hajoavat ja muuttuvat em. oksideiksi. Syntynyt hiilidioksidi pumpataan putkesta ulos. Katodipinnoite voidaan valaa, ruiskuttaa tai kasvattaa elektrolyyttisesti katodin pintaan.
Hilat valmistetaan käämimällä ohutta metallilankaa kahden tukilangan ympärille. Lankakäämi “niitataan” tukilankoihin kiinni. Hilan materiaalina käytetään mahdollisimman hyvin lämpöä johtavaa materiaalia, koska muuten hila kuumenisi katodin vaikutuksesta, ja ryhtyis emittoimaan elektroneja (joka taas saattaa sotkea putken toimintaa). Hilan tukirankojen yläpäähän hitsataan grafiitilla päällystetyt kuparilevyt, joiden tehtävänä on jäähdyttää hilaa.
Näiden elektrodien lisäksi tarvitaan kiillelevystä valmistettavat eristeet tukemaan elektrodeja, sekä erityinen “getterinpidin”. Tämä on metallikourusta väännetty rengas, jonka uraan sijoitetaan getteriaine (esim magnesiumia). Getterin tehtävänä on imeä putken sulkemisen jälkeen siellä mahdollisesti olevia kaasuja itseensä, eli se pitää tyhjiön mahdollisimman hyvänä.

2. Kotelointi

Putken elektrodipaketti hitsaillaan kiinni läpivientilankoihin, joilla tarvittavat signaalit tuodaan putken ulkopuolelle. Vanhemmissa putkityypeissä käytettiin n.s lasijalkaa (samanlainen ratkaisu kuin nykyisinkin sähkölampuissa: pitkä lasijalka tuo johdot putken pohjan läpi). Tämän rakenteen ongelmat tulivat liian suuriksi suurtaajuuslaitteissa toisen maailmansodan aikana, joten kehitettiin n.s. lasikantaputket. näissä langat menevät putken pohjana toimivan lasikiekon läpi, mahdollisimman lyhyttä reittiä, muodostaen samalla putken kantapiikit. Läpivientien tiivistyksen parantamiseksi tarvitaan erityisiä kikkoja: lasin ja metallilangan lämpölaajenemiskerroin on saatava samaksi: käytetään rauta-nikkeliseosta. Lanka pinnoitetaan kuparilla ja edelleen kuparioksiduulilla (joka taas liukenee hyvin lasiin, eli muodostaa “liimasauman”.
Lasikupu, jossa on imupilli kiinni, “hitsataan” pienellä kaasuliekillä putken jalkaan kiinni. Tämän jälkeen putki siirtyy pumpattavaksi.

3. Tyhjiön pumppaus ja imupillin sulkeminen

Imupilli kiinnitetään tyhiöpumppuun, ja pumppaus aloitetaan. Putki on tämän ajan n. 400 asteen lämpöisessä  uunissa. Pumppukin on varsin erikoinen, koostuen “karkeasta” lamellipumpusta (jolla päästään 99% tyhjiöön) sekä elohopea-diffuusiopumpusta (toimintaperiaate vähän samantapainen kuin pontikkapannussa: elohopea hyörystyy, höyry sieppaa kaasun mukaansa, tiivistyessään elohopeahöyry luovuttaa kaasun pois). näitä pumppuja voidaan kytkeä useampia sarjaan, jotta saadaan parempilaatuinen tyhjiö.
Pumppauksen loppupuolella katodiin tuodaan normaalia korkeampi hehkujännite sopivaksi aikaa, jolloin katodin karbonaattiseokset paistuvat oksideiksi. pumppu imee koko ajan hiilidioksidia pois putkesta. Kun pumppaus on valmis, imupilli suljetaan polttamalla se kaasuliekillä poikki.

4. Getterin laukaisu

Aivan pumppauksen loppuvaiheessa putken ympärille tuodaan induktiokela, jolla kuumennetaan putken muut elektrodit (anodi ja hilat) punahehkuisiksi. Nämä luovuttavat nyt niihin mahdollisesti sitoutuneet kaasut pois. Sama hehkutus kohdistuu lopussa myös getterinpitimeen, jolloin siellä oleva magnesium höyrystyy (getterinpidin on tahallaan valmistettu niin, että se kuumenee enemmän kuin muut elektrodit, joten höyrystyminen onnistuu). Höyrystynyt metalli tiivistyy välittömästi viileälle lasipinnalle, muodostaen hopeanvärisen “getteripeilin”

5. Testaus

Kuten havaittiin, prosessi muodostuu useista “konepajateknisestä” toimenpiteistä. Useimmat niittaus- hitsaus ym. liitokset ovat pienikokoisia, joten liitoksen epäonnistumisen todennäköisyys on suuri. Lasiin saattaa myös jäädä jännityksiä, joten jäähdyttyään putki saatta haljeta itsekseen. Siispä kaikki valmistuneet putket pitää koekäyttää pian valmistuksen jälkeen. Testauksen yhteydessä mitataan ominaiskäyrä, hilavirta (tyhjiön testaamiseksi), maksimi emissio (katodin oksidipinnan tarkistamiseksi) sekä koputellaan lasikupua jännitysten ja löysien liitosten paljastamiseksi.

6. Lähteet:

Tapio Köykkä: radioputkien valmistuksesta 1946
Sylvania News 1957

Video putken valmistuksesta (DeForestin triodi, Philipsin laboratorio, 2006)

Video putken valmistuksesta 1920-luvun tyyliin