Автор статьи разбирается, как впаивать металлические электроды в боросиликатное стекло для самодельных вакуумных ламп. Стекло — не проблема: трубку можно закрыть, нагрев её до размягчения и дав атмосфере «схлопнуть» середину. Стекло почти не пропускает газ, так что вакуум держится годами. Но вот сделать герметичный ввод электрода — задача куда сложнее.
Первая идея — медь. Её оксид красного цвета отлично сцепляется со стеклом, прочнее самого стекла. Автор пробует запаять медную проволоку — и получает трещину под микроскопом. Причина — разница в тепловом расширении (КТР). Стекло после застывания при остывании сжимается на 3 мкм/м на градус, а медь — на 17 мкм/м. В итоге металл уменьшается примерно на 1% относительно стекла, напряжения нарастают, и всё ломается.
Нужен металл с подходящим КТР. Вольфрам (4,5) или молибден (5) подходят, но это экзотика. Стальная проволока (КТР ~11) — уже лучше меди, но при контакте с горячим стеклом выделяет угарный газ из-за углерода. Автор пробует покрыть сталь медью через электролиз с аммиаком — получается красиво, но всё равно трескается при остывании. Разница в 7 мкм/м·K слишком велика для боросиликата, хотя в содово-известковом стекле (КТР ~10) такой метод работать может.
Другая идея — напаять на проволоку стеклянную бусину, чтобы компенсировать расширение. Не сработало: бусина только увеличила площадь и ухудшила дело. Следующий кандидат — вольфрамовая нить толщиной 10 мкм (тоньше человеческого волоса). Тонкий металл даёт меньшее расширение, но работать с ним почти невозможно — он теряется, легко перегорает в пламени горелки, а ещё невидимые короткие замыкания. Автор делает что-то вроде неоновой лампы с двумя выводами, но работает она при напряжении выше тысячи вольт, а вольфрам раскаляется докрасна — получается 2-в-1: лампа и нагреватель.
Следующий подход — тонкая медная фольга (около 30 мкм), раскатанная из проволоки. Края выглядят отлично, но герметичности нет — трещина идёт по краю фольги, а не по поверхности. Оказывается, для боросиликата этот метод не годится.
Затем автор вспоминает про houskeeper seal — тонкостенную медную трубку, вставленную в стеклянную. Полый металл может растягиваться при остывании, снимая напряжения. Но изготовить такую трубку без точного токарного станка трудно. Проще — медный диск, припаянный к торцу трубки: он может стать тоньше, увеличивая радиус. Такой метод работает с любым стеклом, не требует специальных материалов, но делать его сложно: мало зазора между температурой, при которой стекло смачивает медь, и точкой плавления самой меди. К тому же в одну трубку нельзя впаять несколько проводов.
Автор пробует knife-edge seal — затачивает края медной ленты на конус. Идея в том, чтобы уменьшить напряжения по ширине ленты. На практике — всё равно трескается по краю. Недостаточно.
Возвращаясь к вольфраму: автор находит проволоку диаметром 0,65 мм по цене $8 за метр. Даже после шлифовки на 600 grit она герметично впаивается — под микроскопом видны лишь мелкие пузырьки, но без трещин. Хотя 1 мм уже не работает — предел где-то около 0,7 мм. Такой вольфрам легко гнуть и даже сваривать электродугой, в отличие от микроскопической нити.
Итог: для боросиликатного стекла подходят вольфрамовая проволока до 0,7 мм и медные дисковые уплотнения. Вольфрам дорог и редок, но прост в запайке. Медь дёшева, но гораздо сложнее в изготовлении.
В конце автор перечисляет способы «жульничества». Жидкие металлы (галлий, ртуть, сплавы типа Ga-In-Sn) могут дать герметичное уплотнение, если их не дать испариться или вытечь. Пластик не годится — через него просачиваются молекулы газа, как из гелиевого шарика. Боратная обработка (бура или борная кислота) действительно улучшает сцепление меди со стеклом, но даёт много пузырьков, если не прогреть до полного обезвоживания. И наконец, хитрый тест на утечку: подключить лампу к насосу и направить на подозрительное место струю фторсодержащего газа из баллончика для чистки клавиатур — если есть свищ, газ попадёт внутрь и изменит цвет свечения. Только делать это нужно в хорошо проветриваемом помещении — газ огнеопасен и воняет.