手把手教你自制三极管

背景

真空管（电子管）虽然已被半导体器件取代，但在高保真音频、射频功率放大以及某些特殊领域仍有应用。对于业余爱好者来说，自制三极管是一项挑战性的技术实践。本文作者在之前尝试制作三极管后，发现管子因内部气体缓慢积累而性能不稳定，进而探索了使用钛吸气剂（titanium getter）来延长管子寿命的方法。文章详细记录了从设计、制作到测试的全过程，并展示了如何用低技术设备制造出可工作的三极管。

核心内容

在前一篇文章中制作的三极管在第二天开始出现不稳定的行为：它会在三极管模式（极低的跨导）和闸流管（thyratron）模式之间交替切换，这表明管内气体在缓慢积累。即使经过彻底烘烤，似乎仍然需要吸气剂（getter）。通过实验，作者发现自己的感应加热器（一个来自中国的1kW ZVS模块）能够将一段0.8mm钛丝制成的小环加热至橙红色，前提是该环被彻底点焊闭合以形成良好的电气连接。作者立即制作了另一个三极管，并在管子顶部安装了这样一个吸气剂。同时，他用0.5mm镍丝点焊到馈通引线上，以改进与引线的机械连接质量，并使引线可焊接。镍与钛似乎很容易点焊在一起，只要镍丝比钛丝细。镍的导电性远高于钛，因此如果两根要连接的金属丝直径相同，镍不会熔化，连接质量会很差。制作过程的图片如下所示。

随后，作者将管子连接到真空泵歧管上。当管内真空度抽至5到10毫托（millitorr）之间时，他将烘箱置于顶部并开始以下烘烤程序：

• 10分钟升温
• 60分钟 50W功率保持
• 10分钟降温
• 30分钟冷却

此时，作者在泵运行的情况下加热了吸气剂，以烘烤出钛中吸附的任何气体。然后他忘记点亮灯丝就直接封管了。意识到错误后，他短暂点亮灯丝，然后再次加热吸气剂以吸收管内残留气体。管子最初性能良好，并在接下来的三天内进行了测试。每天管子的发射能力都会下降，但重新加热吸气剂后，原始功能就会恢复。每天损失的发射量随时间减少，表明管子各部件释放的气体越来越少。作者希望随着时间的推移，气体来源会减少到如此程度，以至于吸气剂即使在冷态下也能处理它们。作者将继续测试管子以观察是否如此。如果事实证明冷钛作为吸气剂无效，未来的管子可能会包含一个额外的引线用于钛丝吸气剂，从而无需感应加热器。

到第三天，作者认为管子成功，并记录了其特性。不同灯丝设置下的栅极响应曲线如下所示。

作者注意到，在低灯丝功率下，板极电流（plate current）在栅极电压达到0V之前就出现了平台。他决定通过修改栅极偏置电路以提供正栅极电压来进一步研究这一现象。一个有趣的效果出现了。

这个平台似乎存在于所有灯丝功率值下，但随着灯丝功率的增加，平台被推向更高的正电压。更有趣的是，在非常低的灯丝功率下，当栅极电压变得更正时，板极电流实际上会下降。作者推测这是因为管子处于饱和状态，栅极收集了本应到达板极的电子。如果他有第三只万用表，本可以测量栅极电流来确认这一点，但这似乎是合理的。

然后作者构建了一个反相放大器。在左侧图片中，输入（底部波形）是一个10kHz、2V峰峰值、偏置在-1V的正弦波。输出（顶部波形）是20V峰峰值，表示电压增益为10。与之前的三极管一样，增益在20kHz以上开始下降。然而，这很可能是由于示波器的电容负载（25pF）造成的，在测量高阻抗高频信号时这成为一个问题。通过将输入信号切换为方波可以更清楚地观察到这一点，结果如右侧图片所示。

现在很明显，不仅可以用低技术设备制造三极管，而且通过使用钛吸气剂还可以使其持久工作。如果这一方法长期成功，将消除业余爱好者从旧真空管中回收二手吸气剂的需要。此外，由于钛和镍兼容，这种钛吸气剂可用于任何类型的管子制造。镍几乎可以与任何材料点焊，因此使用不同金属（如不锈钢或钨）制作的部件也可以使用钛吸气剂。

关键要点

• 自制真空管必须解决气体积累问题，即使经过彻底烘烤，吸气剂（getter）仍是必要的。
• 使用1kW ZVS模块的感应加热器可以加热钛丝环（0.8mm直径）至橙红色，前提是环被点焊闭合形成低电阻回路。
• 镍丝可以点焊到钛丝上，但镍丝直径必须小于钛丝，否则镍不会熔化导致连接不良。
• 镍丝用于改进馈通引线的机械连接和可焊性。
• 烘烤程序：10分钟升温 → 60分钟50W → 10分钟降温 → 30分钟冷却，在泵运行下进行。
• 封管前需先加热吸气剂以去除吸附气体，并应点亮灯丝以吸收残留气体。
• 管子每天发射能力下降，但重新加热吸气剂可恢复功能，且每天下降量逐渐减少，表明气体源在逐渐耗尽。
• 冷态钛吸气剂效果不确定，若无效，未来可设计带独立引线的钛丝吸气剂以简化操作。
• 低灯丝功率下，板极电流在栅极电压达到0V前出现平台，且随灯丝功率增加平台向正电压移动。
• 极低灯丝功率下，正栅极电压反而导致板极电流下降，可能因栅极收集电子所致。
• 制成的三极管搭建反相放大器，在10kHz下获得电压增益10，增益在20kHz以上因示波器电容负载而下降。
• 钛吸气剂兼容镍点焊，可用于多种金属部件的管子（不锈钢、钨等）。

意义与影响

该实验展示了业余条件下自制真空管的技术可行性，并解决了关键的气体污染问题。通过使用钛吸气剂，业余爱好者无需依赖从老旧真空管中拆解二手吸气剂，从而降低了制作门槛。钛与镍的兼容性使得这种吸气剂方案可以推广到各种金属结构的管子（如不锈钢、钨等），增加了通用性。此外，文章详细记录了不同灯丝功率下栅极和板极的响应特性，为理解真空管物理提供了第一手数据。如果长期测试表明冷钛吸气剂效果不佳，作者提出的独立钛丝吸气剂方案（带额外引线）将进一步提升可靠性，甚至可能无需感应加热器。这项研究不仅对电子管爱好者有直接参考价值，也展示了低技术条件下实现精密电子元件制造的潜力。