Историческая разрядная трубка – «трубка Гейслера» (1857) – воистину прабабушка множества газоразрядных и электровакуумных приборов (ЭВП) и родилась как эксперимент и развлечение с демонстрацией тлеющего разряда. Трубка Гейслера привела, ни много ни мало, к открытию электрона. Прямые её потомки – неоновая реклама и люминесцентное освещение, лишь совсем недавно сдались под натиском светодиодов. Простые разрядные трубки долгое время служили индикатором разрежения в вакуумных системах. Такие приборы показывали высокое напряжение, использовались в научных исследованиях и для индикации резонанса в контурах крупных радиопередатчиков. Разрядные трубки Гейслера специфической гантелеобразной формы используют для получения линий спектра веществ.
Рис. 2. Исторические развлекательные трубки Гейслера, который, к слову сказать, был и стеклодувом незаурядным. Картинка из сети
Фото 3. Спектральные разрядные трубки с капилляром, сжимающим шнур разряда для повышения его яркости. Фото из сети
Свою разрядную трубку простой цилиндрической формы выполним как физический прибор и для наработки практических навыков.
К делу!
Конструкция
Индикаторную разрядную трубку желательно делать не слишком тонкой. Разряд в таких приборах появляется охотнее при относительно невысоком напряжении. Форма электродов при небольшом токе разряда может быть любой, вплоть до короткого прямого стержня. Длина трубки – 20…30 см.
Материалы
В основном подбираются исходя из марки применяемого стекла. Здесь это бессвинцовый (не темнеет в газовоздушном пламени) вариант стекла платиновой группы – тонкостенная трубка Ø 25 мм (колба) и тонкая трубка Ø 5 мм (штенгель). Для надёжного и долговечного впая проволочного вывода в такое стекло используют тонкую (дорого!) платиновую проволоку или специальный дешёвый биметалл, платинит – железоникелевый сплав, покрытый расчётным слоем меди. Материал этот хорош только запаянным в стекло – внутри и снаружи лампы к нему приваривают другие металлические проволочки или элементы. В качестве внутриламповых металлов применён никель и нержавеющая сталь.
Фото 4. Заготовки стекла Ø 25 мм
Электроды
Здесь хотелось попробовать сделать классические дисковые пластинчатые электроды. Для них подобрал ленту из нержавеющей стали 316 толщиной 0,4 мм. Заготовку-прямоугольник вырезал ножницами по металлу, окружности чуть меньше внутреннего диаметра трубки нарисовал слесарной чертилкой по линейке-трафарету.
Фото 5. У каждого кружка тюкнул керном в центре и просверлил по отверстию для удобства дальнейшей обработки. Заготовки электродов выпилил ювелирным лобзиком
Фото 6. Насадил заготовки на длинный винтик-державку М3 с парой шайб и гайкой
Фото 7. Зажал в патроне шуруповёрта и на средней наждачке выровнял диски и притупил их острые кромки
Фото 8. На обрезке нержавейки подобрал режим для контактной сварки [3] с никелевой проволокой 0,5 мм
Фото 9. Сварил трёхзвенные проволочные выводы – никель 0,5 – платинит 0,5 – 2 х никель 0,5. Длина платинитовой части 10…12 мм. Двойная проволочка – для внутриламповой части, её заготовка сложена пополам, а концы слегка скручены, чтобы не разъезжались и не топорщились при нагреве. В месте контакта проволочки слегка расплющены на стальной плите
Фото 10. Остекловываем платинитовую часть. Кусочки трубочки-штенгеля Ø 5 мм, стекло – понятно, платиновое. Длина с некоторым запасом, так, чтобы перекрыть и зафиксировать места сварки. Учитываем и заметное укорочение стекла при осаживании
Фото 11. Медь со стеклом спаивается неважно, зато окись меди преотлично в нём растворяется, образуя плотное (вакуумплотное) соединение – медный слой на платинитовой части вводов отжигаем – нагреваем до малинового свечения в дальней окислительной части факела и охлаждаем на воздухе
Фото 12. В небольшом горячем факеле разогреваем стекло до размягчения, и силы поверхностного натяжения сожмут его вокруг проволочного сердечника. Удерживаем деталь в обратном пинцете. Деталь, конечно, непрерывно вращаем. Начинаем сильный разогрев и осаживание стекла с одного из концов и последовательно продвигаемся к другому, чтобы внутри не оказалось воздушных пузырей. После горелки деталь мгновенно укутываем базальтовым одеялом для замедленного остывания
Фото 13. Фото остывшего остеклования в проходящем свете. Видны пузырьки выделившихся при нагреве газов вокруг никелевой части ввода – вакуумплотный впай никелевой проволоки в стекло удаётся только после предварительной её дегазации в вакуумной или водородной печи
Фото 14. Конструкция крепления электрода. Задействовал для него технологическое отверстие. Диск электрода несколько отнёс от стекла, чтобы при сварке не расколоть его нагревом
Фото 15. Приваривание дискового электрода к вводу
Фото 16. Пара электродов с остеклованным вводом. В отражённом свете виден цвет впая меди (верхнего слоя платинита) в стекло. По его ровности и отсутствию пятен можно в первом приближении судить о качестве впая
Фото 17. Готовые электроды отмыл от следов пальцев и оставшейся заводской грязи в растворе автомобильного моющего средства (ПАВ, изопропиловый спирт) и несколько раз сполоснул в чистой тёплой воде
Фото 18. Для отмывки использовал ультразвуковую мойку. Каждый цикл по 30 минут
Отмытые электроды промокнул фильтровальной бумагой, высушил в тёплом месте и спрятал от пыли.
Подготовка штенгеля
Штенгель – технологическая трубочка для присоединения ЭВП к откачному посту. Здесь её диаметр 5 мм и длина около 20 см. Стандартную 1,5 м трубку разрезаем [2] на заготовки чуть длиннее требуемых. Работал сразу с небольшой группой заготовок.
Фото 19. Оплавил один из концов заготовок [4], чтобы не порезать губы при поддувании
Фото 20. Запечатал второй конец заготовок – чтобы не ждать, когда жидкое стекло затянет внутренний просвет само, размягчённый край трубки слеплял пинцетом
Фото 21. Чуть отступив от края, раздул оливки [4] для присоединения к вакуумному шлангу
Фото 22. Вскрыл запечатанные концы штенгелей на «треугольной призме»
Фото 23. Край резов трубочки Ø 5 мм после призмы-напильника
Фото 24. Оплавил острые края
На данный момент имеем открытую с двух сторон трубочку с оплавленными краями и оливкой около одного из концов. Сделаем на стороне «к лампе» небольшое расширение-юбочку для надёжного впая с увеличенной прочностью.
Фото 25. Очень простой вариант операции – раздуть на конце трубочки большой пузырь с тончайшими стенками [4]. Его основание легко удаётся правильной формы и с тонкими стенками
Фото 26. Сколов тонкие стенки пузыриков, оставляем воронки. Их зубчатые края оплавляются перед началом припаивания в мягком пламени
Фото 27. Выходное отверстие заготовок запечатываем. Штенгели готовы к впаиванию
Сборка разрядной трубки
Фото 28. У нарезанных заготовок трубок для колбы прибора оплавляем один из торцов и запечатываем второй – сильно разогреваем и, захватив пинцетом, с вращением оттягиваем и переплавляем длинный ус. При необходимости (пробирочное дно) повторно его разогреваем и раздуваем [4]
Фото 29. Впаиваем подготовленный штенгель в боковую стенку колбы [4] – сильно разогреваем точку на трубке и раздуваем её в тонкостенный пузырик, скалываем, оплавляем края, разогреваем их и вороночку на штенгеле, слепляем, пропаиваем стык ручной горелкой
Фото 30. Место впая крупнее
Фото 31. Запечатанный торец колбы разогреваем в сильном пламени и захватив пинцетом или прилепив стеклянную палочку, оттягиваем недлинный ус. Остудив его, обламываем [4]. Вставленный в открытый конец колбы электрод легко попадает выводом в полученное отверстие
Фото 32. Прогрев конец трубки с электродом, слегка вытягиваем его пинцетом через размягчённое дно за проволочный вывод [4]. Равномерно разогреваем и поддувая выравниваем место впая, пинцетом поправляем покосившийся электрод
Фото 33. Впаянный электрод
Фото 34. Вскрываем запечатанный конец штенгеля на треугольной призме или обычным разламыванием. Это последняя с ним операция – рез можно делать без запаса, около оливки
Фото 35. Оплавляем острый конец штенгеля, помещаем оставшийся электрод в открытое горло колбы и перегоняем его поглубже и подальше. Повторяем проделанные операции по впаиванию электрода – разогреваем открытый конец колбы, оттягиваем ус, укорачиваем его, вытягиваем тонкий короткий усик, обламываем, перегоняем электрод выводом в отверстие, разогреваем, чуть вытягиваем наружу, выравниваем раздувая через штенгель
Фото 36. Разрядная трубка в сборе. Большие дисковые электроды не касаются стенок, хотя и близко к ним, что допустимо только для индикаторно-показывающих приборов. При заметных токах разряда от горячего электрода может лопнуть стекло колбы. Диаметр трубки 26 мм, расстояние между электродами 200 мм
Фото 37. Ранний вариант разрядной трубки с алюминиевыми стержневыми электродами и в колбе Ø 18 мм. Расстояние между электродами 110 мм
В качестве меры по замедлению охлаждения применялось укутывание горячей стеклянной работы базальтовым одеялом. Остающиеся внутренние напряжения при этом терпимые.
Включение разрядной трубки
Для появления тлеющего разряда в трубке, её следует откачать до остаточного давления ниже 20…30 мм. рт. ст. и подать на электроды высокое напряжение, величина которого зависит, в первую очередь, от расстояния между электродами и может здесь составлять 3…20 кВ. При низком напряжении форма разряда определённее, но яркость его невысока и наоборот. Разряд в остатках атмосферных газов светится красивым розово-фиолетовым светом. Откачка здесь – школьным ручным насосом Комовского.
▍ Разряд в крупной трубке
Фото 38. Среднее напряжение, небольшое разрежение. Спокойное и яркое горение, столб разряда полностью заполняет пространство между электродами
Фото 39. Среднее напряжение, уменьшение давления. У катода появляется тёмное Фарадеево пространство, расширяющееся по мере дальнейшего снижения давления. Катод полностью окутывается свечением
Фото 40. Среднее напряжение, уменьшение давления. У отползающего от катода столба разряда появляются первые страты
По мере дальнейшей откачки тёмное пространство увеличивается, начинает светиться стекло и, наконец, при остаточном давлении около 10^-3 мм. рт. ст. разряд исчезает полностью.
Фото 41. При увеличении напряжения форма разряда маскируется ярким свечением, начинают светиться и области за электродами, участки стекла
Фото 42. Разогрев нетолстого (0,4 мм) нержавеющего катода до заметного малинового свечения. Процесс можно использовать для нагрева и распыления геттера в ЭВП. При нежелательности распыления электродов ток в цепи следует ограничить сопротивлением в 100…150 кОм
Интересно, что однонаправленный разряд и условный анод с катодом в разрядной трубке образуется в том числе и при питании её переменным током. Здесь это индукционная катушка.
Фото 43. Применение однополупериодного выпрямителя (цепочка из 20 х 1N4007) делает картину несколько яснее – Фарадеево пространство натурально тёмное, страты как будто бы чётче разделены
▍ Разряд в маленькой трубке
Из-за близких электродов появляется при более низких напряжениях и заметнее, и определённее в начале откачки, при ещё высоком остаточном давлении.
Фото 44. Пляшущая яркая длинная искра в начале откачки. Остаточное давление 20…30 мм. рт. ст. (торр)
Фото 45. При дальнейшей откачке искра распушается и образует столб разряда, занимающий всё пространство между электродами. Дальнейшие его эволюции – как и в крупной трубке. На фото промежуточная форма между искрой и столбом
Итого
В результате проделанной работы освоен ряд стеклодувных операций, практически опробована работа разрядной трубки в различных режимах, что может стать основой для индикатора форвакуума, миниатюрного геттерного вакуумного насоса.
Индикатор лучше выполнять с электродами, расположенными не дальше 80…100 мм друг от друга и питать постоянным током. Штенгель на такой трубке следовало бы сделать надёжнее – большего диаметра.
Литература
- Лазарев Н. В. Вредные вещества в промышленности. Том 3. Ленинград. Изд. «Химия». 1977 г. Стр. 384 – Ртуть.
- Резка трубчатых заготовок. Авторский конспект.
- Аппарат контактной сварки для мелочей. Авторский конспект.
- На пути к самодельной радиолампе. Стеклодувные операции. Авторский конспект.
На благо всех разумных существ. Babay Mazay, февраль, 2024 г.
Автор: Сергей
