Впаивание платины в стекло

Стеклодувное дело
как таковое было развито еще в древние времена.

Однако, если мы хотим развивать ламповую электронику, требования к стеклу возрастает — в стекло нужно впаивать электроды, стекло должно хорошо держать вакуум и легко переносить многочисленные циклы разогрев-охлаждение.

Это меняет все. Или нет?..

Электронная лампа доступна тогда, когда доступен материал для
катодов
. Самый простой материал, доступный человечеству для этого — платина. Уже во времена Французской Революции и Наполеона были доступна не только сама платина, но и тонкая проволока из нее, годная для изготовления катода прямого накала.

Вакуум тоже не представлял в тот момент сложности — еще Торичелли получал высокий вакуум, вполне достаточный для электронных ламп. С тех времен
ртутно-поршневой насос
совершенствовался мало.

То есть все составляющие электронных ламп существовали.

Вопрос только один — а была ли возможность собрать их вместе, чтобы получить устойчиво работающий электровакуумный прибор?

Собственно, к тому периоду стеклодувное дело достигло высокого уровня.

Вот, например, портрет Лавуазье с женой:

На столе явно заметны стеклянные вакуумные приборы с ртутью и впаянными медными вентилями.

Вещи сделанные достаточно тонко, насколько вообще позволяла технология того времени. Вообще, если вакуум в то время был занятием в лабораториях настоящих ученых, то опыты со статическим электричеством в то время были очень модным занятием в домах богачей. И естественно, ремесленники откликнулись на спрос и стали выпускать наборы для опытов, вот по типу этого:

Тут видно, что мастерство стеклодувов было очень высоким, и они могли легко спаивать стекло с металлом.

Однако, лампа — устройство теплонагруженное, да еще имеет впаянные электроды. Что нам могут предложить технологии того времени?

Сначала рассмотрим впаивание со стороны металла.

Вообще список металлов, которые могут спаиваться со стеклом не очень-то и короткий:

Конечно, разные металлы по разному впаиваются.

В производстве радиоламп чаще всего использовались три последние в списке:
ковар
, константан и феррохром.

Интересен также металл, обозначенный как «платинит». Платинитовая проволока составная, она имеет сердечник из никелевой стали и медную оболочку, вес которой составляет четверть от веса проволоки.

Конечно, хотелось бы использовать такой достаточно дешевый материал как
ковар
. Он состоит из железа, никеля и кобальта. Вообще, шанс его получить в данную эпоху есть. Никель был открыт в 1751 году, а кобальт — еще в 1735. То есть эти материалы достать можно было. Однако, сам их сплав с железом достаточно сложен. Железо, которое там используется, должно иметь менее 0.01% углерода, а так как сплав тугоплавкий (1450^oC), то это может быть развлечением на пару лет.

Поэтому для первых ламп можно порекомендовать платину для впаиваемых электродов.

Надо сказать, что платина — металл, который спаивается со стеклом с самым лучшим качеством из всех известных. Более того — платина может быть впаяна вообще во все виды стекол, кроме кварцевых, да и то — только потому, что температура размягчения кварцевого стекла выше температуры плавления платины.

Платина — благородный металл, она при разогреве не покрывается пленкой окислов и великолепно смачивается со стеклом.

Впаивание платиновой проволоки до 0.3 мм классифицируется как «крайне простое». Для этого берут стеклянную трубку, на конце которой делают круглое дно, в центре которого оттягивают иголку. Иголку обламывают до образования отверстия, куда пинцетом вставляют проволочку и размягчают стекло в месте впая. Осаждая размягченное стекло, добиваются плотного облегания проволоки стеклом.

Проволоку большего диаметра впаивают чуть сложнее — методом наматывания размягченной стеклянной палочки на платиновую проволоку. Подобным образом сейчас делают бусины ручной работы, только в случае с платиной она отлично прилипает к стеклу.

Но платина — металл дорогой. Поэтому рекомендуют использовать ее как можно меньше, только короткие кусочки в месте спая, а дальше приваривать к платине медный провод.

Это тоже не является проблемой даже в те времена.

Для этого конец медной проволоки расплавляют в узком и сильном пламени стеклодувной горелки до образования небольшого шарика-капли диаметром примерно в полтора раза больше диаметра проволоки. Сразу после получения шарика его соединяют с отрезком раскаленной платины и дают остыть. Не rocket science.

Ну что же, остался последний вопрос — состав стекла, оптимального для электровакуумных приборов.

Вообще, если делать размеры колб электронных ламп достаточно большими, то можно попробовать использовать стекло того времени, оно достаточно развито. По крайней мере свинцовый флинт варили с 1775 года. Но чтобы отмести всю критику, приготовим-ка боросиликатное стекло. Главным его отличием является замена щелочей на борный ангидрид B₂O₃. Это дает поразительный эффект — стекло приобретает малый коэффициент теплового расширения, резко увеличивается прочность и химическая стойкость. Посмотрим на составы боросиликатных стекол:

Нас тут интересует строчка «электровакуумное стекло». Видно, что из всех сложных компонент нам нужен только борный ангидрид. Что с его доступностью во времена Французской революции?

Чистый бор был получен Гей-Люссаком в 1808 году. Но он был получен из… борного ангидрида, который как раз и нужен для стекла!

Вообще природные соединения бора («бура») были известны с раннего средневековья. Она употреблялась для пайки металлов, в основном золота и серебра. В 1702 году Гомберг, прокаливая буру с железным купоросом получил борную кислоту, которую под названием «Успокоительной соли Гомберга» продавали в аптеках. Эта кислота при нагревании обезвоживается до борного ангидрида.

В общем, я не вижу никаких причин, почему нельзя сделать ламповый приемник для Наполеона — при этом используя фактически только те детали, которые уже существовали на тот момент.

Использованная литература:

С.Ф. Веселовский. Стеклодувное дело, 1952.

В.С. Зимин. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-химического эксперимента. 1974.

И.И. Китайгородский. Технология стекла. Том 1. Технология стекломассы. 1939.

Э. Ангерер — Техника физического эксперимента. 1962.