В предыдущей статье я рассказал про вакуумную установку, в этот раз будем делать сами лампы. Ведь для этого уже всё есть? Как бы не так.

Ну, вернее, да, всё есть, если я буду пробовать делать лампы так же, как год назад. А мне не понравилось, как я их делал год назад, я хочу лучше. Поэтому придётся начать, как всегда, с подготовительных работ. К сожалению, именно такие работы съедают большую часть времени. Хочется уже взять и творить, а тут начинается...

Но сначала ещё раз в темпе напомню из чего состоит лампа-триод. Если рассматривать электрическую часть, то основными частями являются катод, анод и сетка. Катод, нагреваясь испускает электроны, которые под действием электрического поля, создаваемого разностью потенциалов между катодом и анодом, летят в сторону последнего (если лампа открыта или если лампа – диод, там всегда). Катод подключается к минусу, анод к плюсу, наоборот работать не будет из-за отсутствия эмиссии у анода (мы же его не греем).  А ещё есть сетка – это управляющий электрод. Подавая на неё положительное напряжение относительно катода, можно дополнительно ускорить электроны, увеличивая анодный ток. С отрицательным напряжением будет наоборот, электроны будут тормозится и анодный ток уменьшится. Это электрика, а с точки зрения стеклодува, заготовка лампы будет состоять из ножки, куда впаяны металлические электроды, баллона-колбы лампы и штенгеля – трубки, которая соединяет лампу с вакуумной системой и через которую лампу откачивают. Есть в лампе и ещё один элемент – геттер. Это своеобразный вакуумный насос внутри лампы нужный для связывания остатков газов и поддержания нужного вакуума после отпайки.

Теперь поговорим об изготовлении радиоламп. В целом, с прошлых моих попыток, тоже неудачных, которые я проводил зимой, у меня остались несколько колб с припаянными штенгелями, к этой части претензий у меня не было. Вопросы были к технологии изготовления ножек ламп, их сборке и припаиванию к основной колбе. А также к методике отпайки от вакуумной системы. Ножка вызывала сомнения в герметичности спая, а также в расположении электродов, т.к. при плавлении стекла и отсутствии дополнительной фиксации они любили терять всякую параллельность.  Герметичность спая – это вообще интересный вопрос. Я провёл некоторое количество экспериментов по спаиванию вольфрама с пирексом и, если спаивать по отдельности – один электрод со стеклянной бусиной, то можно добиться желаемого золотистого цвета спая, а вот с несколькими электродами такой фокус почему-то не проходил. Во всех моих предыдущих лампах цвет спая тёмный с уклоном в красный. По поводу герметичности могу сказать, что из шести сделанных мною попыток сконструировать многоэлектродные лампы одна увенчалась неудачей и лампа в течении нескольких недель всасывала воздух через спай. Я наблюдал за тем, как меняется цвет и интенсивность газового разряда в ней при поднесении к катушке Теслы.

Да, я знаю, что эта штука называется качер Бровина. Мне не нравится слово качер, я даже не сразу нашёл его расшифровку, оказалось, что это – качатель реактивностей. Я твой катушка реактивность качал, в общем. Поэтому буду звать это катушкой Теслы для простоты.

В лампе, что на фото я потом увидел, что качество спая плохое и есть воздушная прослойка между стеклом и одним из электродов. Чтобы избежать такого, я подумал, что было бы неплохо сначала напаивать длинные стеклянные бусины а-ля трубки, а потом впаивать их в дно лампы. Так я и сделал с этими образцами:

Как видно, вышло коряво. Электроды торчат в разные стороны и могут даже пересекаться. В целом понятно, почему это происходит. Бусины получаются разной формы и при отсутствии вменяемой фиксации электродов (фиксация была только за счёт графитового цилиндра с отверстиями, того, что на верхнем фото) при сборке ножки, они уезжают кто куда. Вообще, бусинами это назвать можно с большой натяжкой, но чем длиннее спай, тем лучше получался его цвет, поэтому я остановился на длинных «бусинах». В результате родилась идея о предварительной сборке пакета из электродных полуфабрикатов вместе по 4 штуки в фиксированном виде. Для этого потребовалось сделать специальную приспособу, в которой бы проходила формовка и фиксация полуфабрикатов при спае по четыре штуки. Начал я с того, что достал свежекупленную в Китае дисковую фрезу и отрезал пару кусков графита от какого-то обрезка, лежавшего с незапамятных времён в моём хозяйстве.

После отрезных процедур я стал похож видом на свою доминиканскую родню. После визита к Мойдодыру я опять принялся за дело и сообразил основание, в котором предусмотрел паз для регулировки расстояния между графитовыми пластинами. Сами пластины я закрепил на обрезках резьбовой шпильки, чтобы можно было вертеть кислородной горелкой вокруг них. Получилось, на первый взгляд, удобно и довольно аккуратно. Более того, оно даже выполняло свою функцию, я успешно сделал 3 таких полуфабриката и качество спая было вполне приличным.

Для инспекции спая я пользуюсь бинокулярным микроскопом. У меня их два один я купил для себя довольно давно, это старый простенький французский микроскоп с десятикратным увеличением, а второй я купил для племяшек, полуигрушечный, но тоже десятикратный и у него есть подсветка. В результате пользуюсь вторым пока не передам его в Доминикану. Спай получается приемлемым, хотя кое-где есть пузыри, что не хорошо, но главное, чтобы они не образовывали непрерывных цепочек, по которым будет идти утечка. Жидкий вакуум может вытечь. В общем, полуфабрикаты кое-как прошли ОТК и дальше надо было их собрать в ножки. Для этого я использовал свой старый держатель, подсмотренный у Jdflyback в его видео. Я подумал, что неплохо было бы зафиксировать провода моих полуфабрикатов и ничего лучше не придумал, как сделать это стопкой магнитов. Зря. Они, конечно, хорошо держались, но в конце концов почти размагнитились. Видео этого процесса точно было, но где-то затерялось..

После данных процедур я приступил к изготовлению электродов. Начал я с катода. Он находится в центре лампы вертикальной нитью, поэтому сначала надо сделать держатель верхней части из нержавеющей проволоки и приварить его к соответствующему контакту на донце лампы. Чтобы разнородные металлы хорошо варились точечной сваркой, необходимо варить с прокладками из никеля, который варится практически с любым металлом. Я использую маленькие кусочки никелевой ленты для аккумуляторов. Эти кусочки я приварил на оба конца держателя катода и на второй вывод катода в донце. Хотя стоп. Перед этим я тоже кое-что сделал. Дело в том, что после спайки стекла с вольфрамом, последний от температуры окисляется, что затрудняет сварку, вернее делает её невозможной. В результате эти концы надо зачистить. Сделать это механически весьма сложно, можно и вольфрамовый провод обломать (он довольно хрупкий и слоистый к тому же). Я попытался прибегнуть к химии. Сначала я попробовал растворять окисел в тёплом растворе едкого натра, который по-идее должен был бы реагировать с оксидом вольфрама. Но оксид не поддался. Вроде бы, есть информация, что к раствору NaOH надо добавить красной кровяной соли, чтобы это работало лучше и я её даже купил, но пробовать не стал. Вместо этого я воспользовался способом подсмотренным у The Science Furry, где он использовал для этой цели расплавленный нитрат калия. Собственно, плавить нитрат калия не надо, надо просто разогреть до красна вольфрамовую проволоку и быстро окунуть в порошок калиевой селитры. Затем горелкой расплавить прилипшие гранулы. В процессе плавления можно видеть, как очищается поверхность вольфрама. Остатки селитры удаляются водой. Процесс мне понравился, думаю буду дальше делать так. Так вот, привариваем нужное и получаем такую картину:

Теперь надо приварить катод, это тонкая вольфрамовая нить 0.08 мм для каких-то копиров, по крайней мере так говорило описание на известном китайском сайте. Главное не пережечь, сделать это очень легко.

А теперь идёт первое действительно серьёзное отличие от предыдущей технологии. Чтобы улучшить эмиссию электронов катод следует покрыть специальной смесью из карбонатов металлов с меньшей работой выхода. Работа выхода – это, по сути, энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он вылетел из металла. У вольфрама она лежит в интервале 4,32–5,22 еВ, что много. А тут, чем меньше, тем лучше. Поэтому обычно пользуются смесями из карбонатов бария, стронция и кальция. В патенте US5422542A (Low power pulsed anode magnetron for improving spectrum quality) упоминается Radio Mix No. 3, продукт некой J. T. Baker Chemical Co, который состоит из карбоната бария (57.3%), карбоната кальция (0.5%) и карбоната стронция (42.2%). Товарищ Glasslinger в своих видео пользуется смесью из 50% карбоната бария и 50% карбоната стронция. Я решил не мудрствовать и сделать аналогичную смесь, т.к. это проще. Наносить смесь надо в жидком виде. Карбонаты этих металлов в воде не растворяются, поэтому в результате выходит взвесь. Этой взвесью надо аккуратно смазать нить катода и так же аккуратно подсушить, чтобы зафиксировать частицы карбонатов на катоде. Для сушки я использовал паяльный фен на довольно низкой температуре. Glasslinger утверждает, что горелкой сушить не стоит, чтобы не превратить карбонаты в гидроксиды (при нагреве карбонаты распадутся до оксидов, которые мгновенно прореагируют с водой из продуктов горения или воздуха). Его позиция не очень понятна, так как гидроксиды при нагревании тоже разлагаются до оксидов и чуть ли не при меньшей температуре. Но у него большой опыт, наверное, что-то в его словах есть. Получается так:

Следующим этапом идёт изготовление и присоединение сеток. Сетки я решил делать в виде пружинок из нержавеющей проволоки. Проволока толщиной 1мм очень упругая и навивать её тяжело, кроме того, пружинки не получались очень равномерными несмотря на то, что я навивал их на оправке в виде болта М8. Тут сказывается момент, что перед навивкой проволоку надо хорошо выпрямить, что сложно сделать, т.к. приходит она в свёрнутом виде. В общем, сетки мне опять не понравились, буду думать, как сделать по-другому. А пока вот:

Теперь очередь анода, тут тоже есть некоторые изменения. Например, я стал соединять концы трубки внахлёст, что сэкономило место, так же материал теперь – нержавеющая сталь, а не титан (раньше я пытался убить двух зайцев сразу и совместить анод и геттер). Геттер теперь крепится сверху анода на небольшом выносе, для соединения используются те же обрезки никелевой ленты. Почему я разделил геттер и анод? Даже с новым мощным индукционным нагревателем хорошо прогреть тонкий анод не получается, а значит, как геттер он будет работать очень плохо. Дальнейшие (не описанные в первоначальной статье) эксперименты с моей первой лампой это наглядно продемонстрировали. А вот отдельные колечки из титановой проволоки можно разогреть добела. В результате анод выглядит так:

А дальше шла, собственно, сборка. Здесь тоже есть небольшое усовершенствование – в шпиндель задней бабки теперь вставлен полноценный держатель электродов, который центрирует внутренности лампы при спайке двух частей. Зажим я выточил на токарном станке из алюминиевого прутка диаметром 20 мм и сделал пропил уже известной дисковой фрезой.

Конструктивно он очень прост – алюминиевая болванка с пазом и прижимным винтом, который давит на тонкую алюминиевую пластинку, прижимающую, в свою очередь, электроды лампы.

И тут меня ждал полный облом. Все три лампы имели трещины в ножке. Две имели трещины в вертикальной плоскости вдоль одного из электродов, в третьей трещина шла поперёк электродов. Получается, что такая технология не работает и спаивать надо без предварительной напайки стеклянных трубок. Обидно, но будем учиться на своих ошибках.

Значит, надо отработать технологию качественного спая. До сего момента я пытался спаивать пирекс с вольфрамом в своём примитивном держаке, подсмотренном у Jdflyback, плюс при спайке сдавливал стекло медицинским зажимом или прихваткой для тигля. Результат мне не очень нравился, так как получалось по-разному и на стекле зачастую оставался слой железной окалины от используемого инструмента. Я решил попробовать отказаться от держака и попробовать сваривать прямо на станке используя вышеописанный зажим. Для этого я немного доработал прижимную пластинку, в которой при помощи ювелирного лобзика я сделал четыре параллельных пропила, которые при зажиме становятся направляющими для электродов и гарантируют их параллельность.

А чтобы сдавливать спай, было решено использовать специальный инструмент с графитовыми накладками. Для изготовления инструмента я взял давно купленные за пару евро на барахолке щипцы и немного доработал их на фрезере, чтобы получить базовые поверхности, на которых я собирался закрепить графит.

Следующим этапом было изготовление специальной горелки с двумя соплами, направленными встречно друг к другу, но под некоторым углом. Эту штуку я давно хотел сделать, но всё никак не решался приступить, хотя давно закупил трубку и сопла.

Кроме того, я перешёл на новую горелку, которую купил в составе набора для пайки медных водопроводных труб. Набор был приобретён, опять же, на барахолке за копейки. В состав входил пустой кислородный баллон с редуктором, горелка с различными соплами и полупустой (но значительно больший по размеру чем мои) пропановый баллон. Большой баллон – это хорошо, чем он больше, тем он меньше остывает при работе и стабильнее выдаёт поток газа. Поэтому я с радостью перешёл на него.

Теперь надо было изготовить новую серию ламп. Я решил сделать четыре штуки и не прогадал – испортил я их почти все. Начал я с ножек, изготовив стеклянные заготовки из трубки 12 мм путем развертывания их в воронку.

А затем спаял, пользуясь своей новой оснасткой:

Надо сказать, что я не до конца отработал процесс. Дело в том, что сейчас мой станок крутится шаговиками, а импульсы им подаёт простой 555 таймер. Останавливать станок можно при помощи педали, соединяя сигнальный пин генератора с землёй. А вот где станок остановится при этом – зависит исключительно от моей реакции и это плохо. Проблема в том, что сдавливать ножку надо строго в одном и том же положении. Я предпочитаю делать пару хороших прогревов и пару сдавливаний. Плюс неплохо было бы сдавить немного с боков, чтобы стекло нормально распределить. А для этого надо чтобы у меня было что-то несколько более умное, чем таймер. То есть ушёл я от микроконтроллера и к нему, похоже и вернусь, правда, наверное, не к ардуине, а всё же к какой-нибудь атмеге8, благо их есть у меня.

Затем я изготовил прочие части.

Покрыл катоды карбонатами стронция и бария:

И собрал внутренности воедино:

Теперь заготовок баллонов у меня не было, поэтому их пришлось делать. Для этой серии они должны были быть длиннее, чем для всех предыдущих и это вызвало некоторые затруднения, ведь я режу их из пробирок и вместо трёх баллонов из одной пробирки теперь выходило два и маленький обрезок, который никуда уже толком не пустишь. Ну да ладно. В общем, как и раньше, к донным частям пробирок я просто припаивал штенгели, а в случае со второй частью, которая не имела закругления, я припаивал модифицированный штенгель с большой воронкой.

И осталось только собрать все сделанные компоненты в полноценные лампы:

В итоге получились вот такие лампочки:

И вот пришла, наконец, очередь откачки. Тут меня ждали неудачи и разочарования, но об этом позже. Первым делом я рассортировал лампы от самых лучших (наиболее аккуратно сделанных и хорошо собранных) к худшим (у которых при внешнем воздействии, сетка могла замкнуть на анод из-за своей гибкости и близкого, несимметричного, к аноду расположения). Выбрав первую жертву, я начал с подключения и проверки её на герметичность. В этот раз я использовал высоковольтный модуль переменного тока. Почему-то на приспособе, описанной в первой статье про лампы, у меня горели мосфеты один за другим. Это немного странно, так как от распространённой схемы ионофона она мало чем отличается. Я решил особо не разбираться пока и воспользовался китайским модулем.

Дырок не нашлось, но поскольку ток переменный, стеклянный баллон не является для него разрывом цепи, внутренности лампы и петля на конце высоковольтного провода работают как конденсатор, а тот в свою очередь в цепи переменного тока ведёт себя как сопротивление. Поэтому можно видеть, как в лампе напротив провода появляется облако плазмы. Вообще, это хорошо, так как ионизированный газ активно реагирует со всякими органическими загрязнениями внутри, которые, несомненно есть. Например, отпечатки пальцев. Поэтому в таком режиме, водя проводом вокруг я подержал лампу несколько минут. Параллельно с этим работал пластинчатый вакуумный насос (всё ещё старый, новый пока ждёт своего часа) с открытым газовым балластом.

После окончания плазменных процедур я начал прогрев лампы. Сначала внешний, при помощи газовой горелки. Выбор оказался неудачный. Во-первых, она за час выжрала весь новый газовый баллон, а во-вторых, оказалось, что даже с закрытыми воздушными окнами она выдаёт достаточно тепла, чтобы стекло начало размягчаться. И вот результат:

Где-то через 40 минут после начала процедур я закрыл газовый балласт насоса и включил диффузионный насос. Внешний нагрев при этом я не прерывал.

А затем я грел лампу изнутри, для чего использовал свой новый индукционный нагреватель. Я его основательно переделал, заменив IRF3205 на IRFP260N, с которыми напряжение питания стало возможным поднять почти до 50 вольт. В качестве блока питания я использую трансформатор от проектора, который после выпрямителя выдаёт как раз что-то около того. Вот как происходит нагрев:

Заодно прогревается и титановый геттер. На счёт этого момента лично у меня есть сомнения. По идее, в титановой проволоке тоже есть вода и газы, как и в любом другом элементе лампы, и их надо выгнать. Вопрос – а не прореагирует ли титан с ними вместо того, чтобы выделить их? Я не знаю. Jdflyback делал так, я решил повторить за ним. По идее, такой нагрев имел бы смысл, при довольно глубокой откачке, чтобы действительно оттуда всё выгнать, но, чтобы титан при этом не стал реагировать ещё и с окружающим газом, который там, несомненно есть, по крайней мере у меня. Ну да ладно.

Дальше я прогревал катод, для чего подал на него около 5 вольт. Сделать это было нужно, так как катод очень тонкий и индукционный нагрев его почти не греет. А на катоде, как вы помните, слой карбонатов, которые уже в лампе надо разложить до оксидов и углекислого газа. Газ, разумеется, уйдёт, а оксиды останутся и улучшат эмиссию. Так вот, здесь я допустил ещё одну ошибку. Я не знаю какое напряжение на моём самодельном катоде – норма (оно, конечно, будет зависеть от длины катода и будет индивидуально для разных серий ламп). Очевидно, что 5 вольт подать на него можно и, наверное, даже нужно, чтобы точно разложить все карбонаты, однако, долго держать нельзя. В общем, примерно через 20 минут прогрева, катод благополучно сгорел, что меня жутко расстроило, так как было воскресенье, газ для прогрева ламп у меня закончился, а новый было не купить, ведь у нас тут очень мало что открыто по воскресеньям.

Работать над лампами я могу только на выходных, ведь откачка – процедура долгая, а установка потенциально пожароопасна и без присмотра я не мог её оставить. Но, за рабочую неделю я успел немного подумать и решил, что для прогрева использовать газ – плохо, поэтому в качестве альтернативы был применён спирт. Спирт гораздо дешевле пропана и уходит его меньше, а ещё температура его пламени ниже и вероятность повредить баллон лампы снижается. Хотя мои тесты и показали потом, что на самом деле температуры вполне достаточно для размягчения пирекса, но в этот раз я был умнее и тестировал на обрезке штенгельной трубки. В любом случае, вариант был лучше и ещё тем, что спирта мы с ковидных времён имели некоторый запас. Дело оставалось только за спиртовкой. Требования к ней были следующие – она должна прогревать довольно длинную лампу, значит одним фитилём не обойтись, спирт нужно иметь возможность доливать по мере выгорания и желательно не трогая саму спиртовку, то есть бак должен быть в стороне от фитилей. Таким образом родилась следующая конструкция из медной трубки и банки от кукурузы:

Ну а дальше я продолжил гробить лампы. Следующая выдержала прогрев и даже чрезмерное напряжение накала (я ещё не сделал правильных выводов, посчитав, что катод всё ещё подвержен вибрациям от пластинчатого насоса), но после откачки, в лампе оказалось много газа. Я сначала недоумевал почему так, а потом сообразил, что моя система течёт и очень значительно. Когда я, перед отпайкой лампы от системы, закрываю предохранительный кран, в отрезанную от насосов часть начинает быстро набираться воздух и пока я отпаиваю лампу, давление в ней оказывается уже совсем непотребное (а на измеритель давления я в процессе, конечно, не смотрел). Я опять был очень раздосадован. Уже вторая хорошая лампа испорчена, да ещё и такая неприятность с установкой!

Третья лампа была «пузатой». Она сгорела на этапе прокаливания катода. До идиота стало медленно доходить, что он перебарщивает с накалом.

Осталась последняя, наименее удачная лампа. Неудачной она была потом, что если её потрясти, то сетка замыкалась с анодом. Я не очень правильно всё в ней центрировал и получилось так себе. Однако, в этот, последний раз, я был осторожнее. Я снизил накал до 3 вольт при прогреве и долго её не мучил. При отпайке, кран я не закрывал, чтобы не отсоединять насос от системы. Сама откачка тоже была не долгой (2,5 часа), так как я уже не был уверен в целесообразности её длительности, учитывая течь установки. И вот, что получилось:

Воздух, как видно, в лампе есть, что на телефон было видно лучше, чем в реальности. Однако, поведение лампы существенно отличалось от того, что было при моей первой попытке. Ток был стабилен и гораздо лучше реагировал на сеточное напряжение. После прокаливания геттера, свечение ушло. Я не тешу себя надеждой, что геттер впитал прямо всё, что-то точно осталось, например, аргон, с ним титан точно реагировать не будет. Можно было бы продолжать греть геттер до тех пор, пока от не станет испаряться и оседать на стенках тонким слоем, который связал бы газ чисто механически, но тут меня подстерегала очередная неприятность. Оказалось, что индукционным нагревателем титан можно нагреть выше температуры плавления стали, что вызвало размягчение крепления геттера, после чего он упал на анод, проплавив и его.

В принципе, ничего страшного не случилось, замыкания с сеткой нет (если не трясти), но теперь геттер не нагреть до стадии испарения, ведь анод отбирает у него тепло. В целом это не очень важно, но на будущее надо отметить, что крепление геттера к аноду лучше делать из самого титана, а не из отрезков никелированной стальной ленты. Зато теперь у нас есть самодельный рабочий триод!

Кстати, есть один любопытный момент у этой лампы, указывающий, вероятно, на эффективность катодного покрытия. Дело в том, что в моём приборе для теста ламп нельзя снизить напряжение накала до нуля (сделать это можно только с отключением одного из проводов катода). Так вот, звук (разумеется, значительно более тихий) можно услышать даже тогда, когда катод не светится, при напряжении 0.79 В, что значит, что даже едва тёплого катода хватает для эмиссии электронов. Тут правда нужна контрольная группа, которой нет, поэтому эффективность катодного покрытия ещё предстоит оценить в будущем.

Буду честен – мне предстоит большая работа над ошибками. Во-первых – установка. Течь надо выявить и устранить. Во-вторых, конструкция лампы – необходимо делать более жёсткие сетки (делать сетки с траверсами) и вводить центрирующие элементы из слюды. По идее, должно получиться что-то такое:

В-третьих, надо доводить до ума вспомогательное оборудование – токарный (упомянутые проблемы при изготовлении ножки, а лучше вообще сделать токарный специально для стекла), электротечеискатель, ионизационный измеритель вакуума и пр. Работы много, а времени нет. Впереди переезд и будет не до проектов. Кроме того, жена заканчивает работу над нашим совместным проектом, который (а вернее, которая) уже очень скоро появится на свет и тогда времени станет ещё меньше. Поэтому вряд ли я смогу продолжить тему ламп в ближайшем будущем, дальше нас будет @BabayMazay радовать, а я, наверное, буду упорядочивать информацию и публиковать статьи о прошлых проектах.

Надеюсь, было интересно.

Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud - в нашем Telegram-канале ↩

? Читайте также:

• ➤  Детекторный приёмник. Немного практики;

• ➤ Изучаем RISC-V с платой Sipeed M1S;

• ➤ Сенсорный пин-пад и как он работает;

• ➤ Как мы задумали небольшую музейную выставку, а в итоге открыли два неизвестных советских компьютера;

• ➤ Как создавалась антология Риддика.