Продолжим обзор оборудования французского коллеги-энтузиаста Клода Пайяра, с его самодельным кустарным мини-производством триода ТМ [1] — первого серийного высоковакуумного прибора 1920-х годов, с невысокими (относительно прежних «ионных» газонаполненных ламп), но так нужными пользователю, стабильными параметрами. В части №1 мы познакомились с самим Клодом и его огневым оснащением, в части №2 рассмотрели простую технологическую мини-печь для отжига стеклянных деталей и аппарат для контактной сварки. Здесь же, мы взглянем на его установку ТВЧ — её создание и настройку.

1. Зачем в электровакуумных работах нужна установка токов высокой частоты (ТВЧ)

Известно, что металлы и даже стекло содержат много впитанных (как говорили во времена исторического триода ТМ — инклюзивных) газов, способных выделяться в высоком вакууме и особенно бодро при нагреве, а это естественное состояние большинства электровакуумных приборов (ЭВП).

Удаление из материалов ЭВП этих вредных газов — сложная и трудоёмкая задача, ей посвящён крупный кусок заводского электровакуумного производства. В любительских лабораторных условиях дело несколько облегчается — мы можем себе позволить возиться с каждым экземпляром прибора вдумчиво и долго. Именно так и поступил коллега Клод — нисколько не заботясь о предварительной подготовке материалов (тщательная химическая очистка, травление, обезгаживание в водородной или вакуумной печи), он лишь очищает электродную систему триода в сборе, от грубых органических загрязнений [3], удаляя впитавшиеся газы при опорожнении (откачке) собранной лампы на откачном вакуумном посту. Процесс это сравнительно долгий и требующий внимательного нагрева всех частей прибора в определённой последовательности.

Поверхностные слои стекла внутренней части колбы лампы освобождают от газов и паров воды, нагревая лампу снаружи (у Клода — в печи [3]) в начале откачки. Вольфрамовую нить прямого накала — пропусканием через неё электрического тока (чтобы не перегорела в остатках воздуха), на этапах заключительных. Самый же крупный электрод — анод в лампе, можно раскалить несколькими способами, из которых самый удобный — навести в нём сильные высокочастотные (обычно 100...500 кГц) токи (вихревые токи Фуко) от внешней катушки-индуктора установки ТВЧ.

2. ТВЧ от Клода Пайяра

2.1. Схема, монтаж

Взвесив все достоинства и недостатки вариантов генератора полупроводникового и лампового, Клод сделал выбор в пользу ретро, несмотря на короткое знакомство с высоким напряжением — радиолюбитель со стажем, в бытность ему уже пришлось пережить попадание под киловольтное «анодное».

Главными трудностями построения установки, признаётся Клод, кроме высокого напряжения (2.7 кВ!), являлся поиск компонентов, в 2000-х годах находящихся на расстоянии световых лет от привычной элементной базы — логических схем, ОУ, микроконтроллеров. Тем не менее всё удалось собрать или изготовить, в качестве корпуса применён металлический приборный ящик от старого измерительного ВЧ генератора.

2.2. Индуктор установки, измерения

Прежде чем переходить к изготовлению двух сменных индукторов, пришлось измерить мощность на выходе ВЧ генератора на нагрузке, соответствующей его внутреннему сопротивлению. Увы, привычные способы измерений (для нагрузок 50 Ом) здесь (нагрузка не более нескольких Ом) никуда не годятся, точно так же, как для больших ВЧ токов непригодны и привычные сигнальные разъёмы — BNC типа и им подобные.

Измерения дали внутреннее сопротивление генератора 3,75 Ом. Имея в своём распоряжении мощный ЛАТР, Клод смог удобно и сравнительно безопасно, при пониженном анодном напряжении, настроить генератор — подобрать положение отвода на катушке и величину сеточного резистора, для получения максимальной мощности. Полученная Pmax при 2700 В анодного и токе 440 мА, составила 805 Вт (КПД 68%).

Вопрос, которым организованный и последовательный экспериментатор должен был бы озаботиться в самом начале проектирования — какая же мощность потребуется для нагрева анода нашей с Клодом лампы?

Она будет составлять: Р нагрева = (4.18 * массу детали * удельную теплоёмкость детали * нужную температуру детали) / время нагрева.

В нашем случае речь идёт о нагреве никелевого цилиндра Ø10 мм, длиной 15 мм, толщиной 0,3 мм, массой около 1.2 гр. Удельная теплоёмкость Ni при средней температуре 500 ⁰С примем равной 0,12, время нагрева — пессимистичные в начале пути — 60 сек. Быстрый расчёт дал всего-то 10 нужных ватт, что вполне нам по силам, и даже сократив время нагрева на порядок — до 6 секунд, получаем 100 Вт, что всё ещё очень немного.

Увы, эти 100 Вт годятся только для идеальных условий, мы же должны учесть, по крайней мере, крупные потери, например, на излучение — любое нагретое тело теряет часть своего тепла в окружающее пространство. Опуская промежуточные цифры — при площади нагреваемого цилиндра без малого 5 см², к предыдущей оценке мы должны добавить ещё 35 Вт. Заметим, что при расчёте был применён усреднённый коэффициент эмиссии никеля (0,5), как если бы анод был с тусклой матовой, подобной алюминию, поверхностью, тогда как для никеля полированного коэффициент излучения будет 0,15, а для покрытого карбидом никеля — 0,8. Из последнего становится очевидно, зачем столько возятся с чернением анодов в мощных лампах. Ещё часть тепла уйдёт по траверсам, к счастью, часть очень небольшая, тем более что стекло вокруг них нами уже хорошо разогрето (печью). Потери тепла у нагреваемого анода путём конвенции, нас, к счастью, не интересуют — вокруг него уже отсутствует воздух, переносящий калории.

Ряд промежуточных расчётов дал необходимое для нагрева нашей детали поле индуктора в 200 эрстед, к которым следует относиться очень осторожно — мы уже убедились, как сильно идеальные модели не соответствуют имеющимся обстоятельствам. Например, воздушный зазор между катушкой и деталью — в промышленности его стараются выдержать минимальным, сократив до нескольких миллиметров, в вакуумном же триоде оно будет не менее сантиметра. Форма и ориентация детали в индукторе — к счастью, наш случай (цилиндр — условный короткозамкнутый виток, соосный катушке) практически идеален для нагрева ТВЧ, детали же разомкнутые и/или поперёк катушки, требуют времени или мощности намного больше. Например, анод более аутентичного триода ТМ — с шарообразной, в наследие от ламп накаливания, колбой и примечательной горизонтальной электродной системой, прогреть было бы куда как сложнее. В порядке эксперимента, Клод пробовал нагревать кольцо Ø 20 мм из никелевой проволоки Ø 0,5 мм. Помещённое в поле индуктора установки, работающей на пониженном напряжении, оно раскалялось до ярко-красного свечения через две секунды, при соосной с катушкой ориентации. Будучи повёрнутым на 90⁰ (индуктор и кольцо имеют скрещённые оси), кольцо нагревалось заметно слабее, даже спустя 20 секунд.

Ещё одна серьёзная статья потерь — Джоулево тепло, от протекающих по катушке индуктора (по тонкому слою её внешней поверхности) больших ВЧ токов. Температура медной шины или трубки быстро повышается до 70 ⁰С и выше, а в более или менее крупных (промышленных) установках ТВЧ, на нагреве индуктора, случается, теряют несколько киловатт полезной мощности, а выделенные калории отводятся циркулирующей водой.

2.3. Настройка индуктора

Задача — преобразовать 800 Вт на выходе ВЧ генератора в максимальный ток в катушке индуктора малого (несколько витков медной трубки Ø6 мм) сопротивления. Работа заключается в добавлении к индуктору последовательно включённой, местной индивидуальной ёмкости для компенсации реактивного сопротивления катушки, настройка величины этой ёмкости по максимальному току в катушке и минимальному времени нагрева образца — модели анода лампы.

Через конденсаторы индуктора протекает большой ВЧ ток, поэтому они не должны иметь собственной индуктивности, что сразу отсеивает основную часть их исполнений — как правило, выполненных в виде свёрнутого рулона. Клод применил параллельное соединение (уменьшает индуктивность, снижает ток, протекающий через каждый из них, уменьшает нагрев) старых опрессованных ёмкостей со слюдяным диэлектриком, имеющих внутреннюю конструкцию в виде стопки пластин.

3. Итого

Рассмотреть, пусть поверхностно и грубо, основные шаги создания небольшой ТВЧ установки коллегой Клодом, интересно и поучительно — хотя бы в смысле тщательности исполнения, столь отличающейся от нам привычной любительской (почти что наугад).

Также можно сразу ответить на вопрос читателя искушённого, и хоть немного знакомого с электровакуумной технологией — зачем столько возни, если анод откачиваемой лампы легко нагреть разрядом? Оба этих метода не исключают, но дополняют друг друга. Кроме того, ТВЧ установка в электровакуумной лаборатории может быть использована и для нагрева образцов в очень простых вакуумных или водородных микропечах [4], для пайки в защитной или восстановительной атмосфере, при сложных и деликатных спаях стекла, для распыления геттеров. Выполнив анод перфорированным [5] — для частичного пропускания ВЧ поля внутрь, одновременно, можно удобно нагревать (обезгаживать) и сетку (сетки) откачиваемого прибора.

4. Дополнительные материалы

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

2. Кустарные вакуумные триоды Клода Пайяра. Часть 1. Знакомство, общие положения. Конспект автора.

3. Кустарные вакуумные триоды Клода Пайяра. Часть 2. Печь, сварка, химия. Конспект автора.

4. Водородные печи в электровакуумном производстве. Что, зачем, какие. Конспект автора.

5. Носить электроны в решете, или зачем радиолампам дырявые аноды? Конспект автора.

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, ноябрь, 2025 г.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»