Een vacuümdiode voor Make: Magazine

Het artikel verscheen in Make: Volume 86, maar kon niet alle foto's in volledige resolutie bevatten. Daarom leek het me leuk om deze hier in meer detail te bespreken.

De 'Flare' en de 'Pinch'

Het moeilijkste deel van het maken van een vacuümbuis is het vervaardigen van de basis, waar de pinnen overgaan van de atmosfeer naar de zijde met het hoge vacuüm. De makkelijkste manier voor een hobbyist om dit te bereiken is de 'pinch'-methode (knijpmethode). Met de juiste combinatie van metaal en glas kan een pinch-afdichting extreem robuust zijn. Omdat ik bij voorkeur met borosilicaatglas werk, moet mijn doorvoermetaal wolfraam zijn (hoewel molybdeenfolie of speciale legeringen zoals Kovar ook werken).

Om een vacuümdichte afdichting te maken, moet de wolfraamdraad worden gereinigd om oliën en ander vuil te verwijderen, waarna deze met een vlam wordt behandeld om een oxidelaag aan te brengen. De wolfraamoxide is wat het metaal daadwerkelijk aan het glas bindt, dus het is belangrijk dat er een uniforme film aanwezig is. Dit klinkt moeilijker dan het is. Ik heb goede, werkende afdichtingen gemaakt door de draad te reinigen met alcohol en vervolgens heptanen, hem over een vlam te houden tot hij witheet is, en daarna de losse oxide met een wattenstaafje weg te wrijven. Deze methode wordt gedemonstreerd door jdflyback in een YouTube-video over het bouwen van een handgemaakte triode.

Omdat wolfraam bros is, spotlas ik eerst korte wolfraampinnen op langere stukken nikkeldraad. Nikkel is mechanisch minder kwetsbaar en laat zich gemakkelijk lassen aan wolfraam, terwijl het wolfraamgedeelte zich hecht aan het glas en zo onze afdichting vormt.

(Bijschrift: Pinnen die worden voorbereid in mijn uiterst hightech klemarmatuur)

Zodra de pinnen gereed zijn, hebben we een stuk glas nodig om ze in te 'knijpen'. Het glas moet een kleinere diameter hebben dan de buis van de envelop van de buis, zodat het na het knijpen nog steeds binnen past. Daarom is het uiteinde uitlopend (geflareerd), om het gemakkelijker te kunnen verbinden met de envelop.

(Bijschrift: Zie hier: een slechte, kleine trompet)

Om de flare te maken, zette ik de buis simpelweg in een boormachine en verhitte ik het uiteinde met een MAPP-gastoorts terwijl ik hem draaide. Met een stuk gereedschap duwde ik het uiteinde voorzichtig uitwaarts. Idealiter zou ik dit in een glasdraaibank doen, maar ik heb geen collet gemaakt om deze kleine onderdelen vast te houden. Nadat de flare is gemaakt, vlak ik hem net genoeg voor om de draden te ondersteunen vóór de pinch.

(Bijschrift: Hier is te zien hoe de pinch in de envelop past)

Om de pinch daadwerkelijk uit te voeren, worden de pinnen in de flare geplaatst, waarna de flare met een oxy-propaanvlam wordt verhit tot hij zacht is. Meestal maak ik eerst een voorlopige pinch om de pinnen op hun plek te houden, voordat ik het glas grondiger verhit voor de definitieve pinch. Ik heb verschillende gereedschappen geprobeerd. Eerst gebruikte ik tangen met gladde kaken, maar het is moeilijk om een gelijkmatige pinch te maken omdat ze niet parallel sluiten. Daarna probeerde ik grote pincetten; deze zijn iets paralleller, maar het is moeilijk om genoeg druk op de pinch uit te oefenen. Ik heb mijn oog laten vallen op een paar parallelle messing tangen met gladde kaken die ik nog moet proberen, maar waarvan ik vermoed dat ze goed zullen werken.

(Bijschrift: Deze afdichting is misschien niet mooi, maar hij werkte!)

De actieve elementen assembleren

Dit is de basis waarop we de rest van de diode bouwen. Voor deze direct verhitte diode hebben we slechts twee elementen nodig: een wolfraamfilament en een spoel draad die als anode (plate) dient. Ik vormde de spoel van nikkeldraad rond de schacht van een schroevendraaier en maakte daarnaast filamentsteunen van nikkeldraad. Al deze onderdelen werden spotgelast aan de pinnen op de basis, waarna ze grondig werden gereinigd met alcohol en heptanen.

Na het wassen, maar vóór het lassen in de envelop, krijgt de assemblage een verdampbare 'getter' (de kleine ring aan de bovenkant). De getter bevat bariummetaal dat we zullen verdampen nadat de buis is vacuümgetrokken, om eventuele zuurstofmoleculen die tijdens het gebruik uit het metaal ontsnappen te vangen. Dit helpt om de integriteit van het vacuüm te behouden.

(Bijschrift: Klaar voor actie)

Nu moet ik dit alles in een stuk glazen buis plaatsen. Hier is een idee van hoe de flare in de envelop past.

(Bijschrift: Hier is de passing van het nog niet gelaste onderdeel)

Terwijl het onderdeel zo rechtop staat, werd de flare op zijn plaats getackt met een kleine oxy-propaanvlam. Daarna werd het geheel naar de draaibank verplaatst om de glazen afdichting rond de basis af te werken. Voorzichtige verhitting en lichte druk om te voorkomen dat het glas inklapt, resulteerden in een bruikbare verbinding.

(BijCRIPT: ...en nu met de gelaste verbinding)

Deze buis is zo gedimensioneerd dat hij in een quick-connect van het vacuümsysteem past, maar om de scheiding te vergemakkelijken, verhit ik de buis boven de assemblage en trek ik deze uit om een 'nek' te vormen. Deze nek in de buis maakt het makkelijker om de buis na de evacuatie af te sluiten.

(Bijschrift: Deze nek in de buis maakt het makkelijker om hem na evacuatie te sluiten)

Vacuüm trekken (Evacuatie)

Nu komen we bij de fase die waarschijnlijk het makkelijkst is, maar ook het zenuwslopendst: de evacuatie. De gehele assemblage gaat in een compressiekoppeling aan de bovenkant van de evacuatiebank. Dit systeem is in essentie een verzameling vacuümpompen en meters.

(Bijschrift: Pompen naar $10^{-5}$ mbar)

Tijdens het vacuüm trekken wordt de buis verhit met een propaantoorts om geadsorbeerd water te verdrijven. De interne delen worden verhit met een inductiespoel. Tot slot wordt het filament gevoed tot een zwakke gloed om zuurstof te verdrijven.

(Bijschrift: Tekenen van leven! Dit is altijd bevredigend)

En dan de stap waarbij ik alles extreem snel kan verpesten! Terwijl ik de nek van de buis voorzichtig verhit met een propaantoorts totdat deze zacht wordt en in zichzelf begint te sluiten, gebruik ik mijn andere hand om de buis weg te draaien en te trekken van het vacuümsysteem. Als alles goed gaat, blijven beide stukken glas dicht en is de 'tip-off' voltooid.

(Bijschrift: Nog maar één ding over en deze buis is klaar)

Nadat de buis is afgesloten, is het enige dat nog gedaan moet worden het 'vuren' van de getter. Hiervoor gebruik ik een inductieverwarmer die is ontworpen om geroeste bouten los te maken; ik kocht deze op eBay voor minder dan $200. Je hoeft alleen de spoel rond de buis te plaatsen en deze concentrisch uit te lijnen met de getterring. Na een paar seconden wordt de ring witheet en zie je een spiegel ontstaan op het glas erboven; dit is het gettermateriaal. Deze spiegel van reactief bariummetaal zal reageren met zuurstof in de buis om het vacuüm schoon te houden.

(Bijschrift: De diode is compleet!)

Het gloeiende filament

Nu de buis klaar was, archiveerde ik mijn foto's en stuurde ze naar Make: Magazine. Ondertussen zette ik de voltooide buis op mijn werkbank voor tests. En inderdaad: het is een diode.

(Bijschrift: Kijk naar die prachtige gloed)

Natuurlijk ging ik tijdens het maken van deze foto's iets te ver met de filamentstroom en testte ik de buis tot hij kapotging. Dat is prima, ik had de foto's die ik nodig had. Bovendien, kijk naar de prachtige wolfraamspiegel die het heeft gevormd:

(Bijschrift: Als je niet tot destructie test, test je dan eigenlijk wel?)

Ik kijk ernaar uit om een curve-tracer te bouwen zodat ik deze apparaten correct kan karakteriseren, maar voor nu ben ik gewoon blij dat deze buis na enkele maanden nog steeds geen lek vertoont.