Make: Magazineのための真空ダイオード

Make: Magazineのための真空ダイオード

Hackaday Superconference 2022での私の発表の後、友人であるDavidからMake: Magazineに寄稿する記事の執筆を依頼されました。当初はSuperconで発表したダイオード管について記事を書くつもりでしたが、会議の数日前に急いで製作したため、その過程の良い写真があまりありませんでした。そこで、Make:の記事のために改めて真空管を製作し、今回はプロセスを丁寧に記録することにしました。

この記事はMake: Volume 86に掲載されましたが、撮影した写真のすべてを高解像度で掲載することはできませんでした。そこで、ここではそれらの写真について、より詳しく見ていくことにします。

古典的なフレアとピンチ

真空管製作で最も難しいのは、ピンが外部（大気圧）から高真空側へ貫通するベース部分の加工です。ホビイストがこれを実現する最も簡単な方法は、ピンチ法です。適切な金属とガラスの組み合わせにより、ピンチシールは非常に頑丈になります。私はホウケイ酸ガラスを好んで使用するため、フィードスルー（貫通）用の金属にはタングステンが必要です（モリブデン箔やコバーのような特殊合金も使用できます）。真空を保持できるピンチを作るには、タングステン線を洗浄して油分やその他の汚れを取り除き、炎で処理して酸化膜の層を形成する必要があります。このタングステン酸化物が実際に金属とガラスを結合させるため、均一な膜を作ることが重要です。これは言うほど難しくはありません。アルコールとヘプタンでワイヤーを洗浄し、白熱するまで炎に当て、その後綿棒で緩んだ酸化物をこすり落とすことで、良好に機能するシールを作ってきました。この方法は、手作りの三極管製作に関するこのYouTube動画でjdflyback氏が実演しています。

タングステンは脆いため、まず短いタングステンピンを長いニッケル線にスポット溶接します。ニッケルは機械的な加工が容易で、タングステンとの溶接も容易ですが、タングステン部分はガラスに濡れてシールを形成します。

［画像: 3本のピンがクランプに組み立てられている。それぞれ、太いニッケル線の一端に細いタングステン線が溶接されている。］

私の非常にハイテクなクランプ治具で準備中のピン

ピンが準備できたら、ピンチ加工をするためのガラス片が必要です。このガラスは、管球本体となるガラス管よりも細い直径でなければなりません。そうすれば、ピンチ加工後に管球本体に収まります。端部がフレア加工されているのは、管球本体との接合を容易にするためです。

［画像: フレア加工された端部を持つ、小さなガラス管］

見よ、これは下手なトランペットだ

フレア加工をするために、私はガラス管をドリルチャックに固定し、MAPPガスバーナーで端部を加熱しながら回転させました。工具で軽く押して端部をフレアさせました。理想的にはガラス旋盤で行うべきですが、これらの小さな部品を保持するコレットを作っていません。フレア加工の後、ピンチの前にワイヤーを支えるのに十分な程度に、端部を予備的に平坦化します。

［画像: フレア加工された端部を持つ小さなガラス管が、太いガラス管の隣にある小さなワイヤー治具に保持されている］

ここで、ピンチが管球本体にどのように収まるかが見える

実際にピンチを行うには、ピンをフレア部に挿入し、オキシプロパン炎でフレアを軟らかくなるまで加熱します。通常、ピンを所定の位置に固定するために予備的なピンチを行い、その後ガラスをさらに加熱して最終的なピンチを行います。ピンチには様々な工具を試しました。最初は平坦なジョーを持つペンチを使用しましたが、それらは平行に閉じないため、均一なピンチを作るのが困難でした。次に、より平行に近い大型のピンセットを使用しましたが、十分な圧力をかけるのが難しいです。私は、まだ試していませんが、平坦なジョーを持つ真鍮製の平行ペンチに目を付けており、これはかなりうまく機能すると予想しています。

［画像: フレア加工された端部を持つ小さなガラス管。薄いワイヤーが平坦化された部分から突き出ている。］

このシールは美しくないかもしれないが、機能した！

アクティブエレメントの組み立て

これが、ダイオードの残りの部分を構築するベースとなります。この直接加熱ダイオードでは、2つのエレメントが必要です。タングステンフィラメントと、プレートとして機能するコイル状のワイヤーです。ニッケル線からドライバーの軸に巻き付けてコイルを形成し、ニッケル線でフィラメントサポートも作りました。これらの部品はすべてベースのピンにスポット溶接され、その後アルコールとヘプタンで徹底的に洗浄されました。洗浄後、管球に溶接される前に、アセンブリには蒸発ゲッター（上部の小さなリング）が取り付けられます。ゲッターにはバリウム金属が含まれており、真空引き後に蒸発させて、動作中に金属から移行する可能性のある酸素分子を捕捉します。これにより、真空の完全性を維持するのに役立ちます。

［画像: コイルとフィラメントが接続されたチューブベース］

準備完了

あとは、これをすべてガラス管に詰め込むだけです。フレアが管球本体にどのように収まるかのイメージです。

［画像: チューブベースのアセンブリが、フレアが開口部に接するようにガラス管の中に収まっている］

未溶接部分のフィットアップ

部品がこの状態で直立している間に、オキシプロパン炎でフレアを軽く溶接しました。その後、旋盤に移してベース周りのガラスシールを仕上げました。慎重な加熱と、崩壊を防ぐための穏やかな圧力により、実用的な接合部ができました。

［画像: チューブベースのアセンブリがガラス管に溶接されている］

...そして溶接された接合部付き

このガラス管は真空システムにクイックコネクトで接続できるサイズですが、分離を容易にするために、アセンブリより上の部分を加熱して引き伸ばし、ネック（くびれ）を作ります。

［画像: チューブアセンブリの中央に細い部分ができた］

このネックにより、真空引き後の封止が容易になります。

ビッグサック（真空引き）

そして、おそらく最も簡単ですが、最も神経が張り詰める段階に達しました。真空引きです。アセンブリ全体を、真空引きベンチの上部の圧縮フィッティングに入れます。このシステムは、別の記事で詳しく説明する予定ですが、基本的に真空ポンプとゲージの集まりです。

［画像: チューブアセンブリが逆さまになり、真空装置に接続されている］

10^-5 mbarまでポンピング中

ポンピング中、吸着した水分を追い出すためにチューブをプロパンバーナーで加熱します。内部は誘導コイルで加熱されます。最後に、フィラメントにわずかな光を流して酸素を追い出します。

［画像: チューブアセンブリ内部でフィラメントが光っているクローズアップ］

生命の兆候！これは常に満足感がある

そして、すべてを非常に素早く台無しにする可能性のあるステップです！プロパンバーナーでチューブのネックを優しく加熱して軟らかくなり、自己収縮し始めたら、もう一方の手でチューブをひねりながら真空システムから引き離します。すべてがうまくいけば、両方のガラス片は密閉されたままで、チップオフ（封止）が完了します。

［画像: チューブが閉じられ、真空引き装置から取り外されたクローズアップ］

このチューブを完成させるために残されたことは一つだけだ

チューブがチップオフされた後、残された唯一の作業はゲッターを点火することです。これを行うために、錆びたボルトを緩めるために設計された誘導ヒーターを使用します。私はeBayで200ドル未満で購入しました。コイルをチューブの周りに置き、ゲッターリングと同心になるように位置を合わせるだけです。数秒後、リングは赤熱し、その上のガラスに鏡のようなものが現れるのが見えます。これがゲッター材料です。この反応性の高いバリウム金属の鏡が、チューブ内の酸素と反応して真空をきれいに保ちます。

［画像: 前の画像と同じチューブのクローズアップ。チューブの上部内側に銀色の堆積物がある。］

ダイオードは完成！

フィラメントの断線

チューブが完成したら、写真をアーカイブしてMake: Magazineに送りました。その間、完成したチューブをテストのためにベンチに置きました。案の定、ダイオードとして機能しました。

［画像: テストスタンドに置かれ、フィラメントが光っているチューブのクローズアップ］

あの美しい輝きを見てくれ

もちろん、これらの写真を撮る過程で、フィラメント電流で少しやりすぎてしまい、破壊テストを行ってしまいました。まあ、必要な写真は撮れたので大丈夫です。それに、それが作った美しいタングステンミラーを見てください。

［画像: フィラメントが断線したチューブのクローズアップ］

破壊テストをしないなら、テストしていると言えるのか？

これらのデバイスを適切に特性評価するためにカーブトレーサーを構築するのが楽しみですが、今のところ、数ヶ月経ってもこのチューブが漏れていないことに満足しています。