Простая откачка и наполнение самодельных газоразрядных ламп

Речь пойдёт об эксперименте по упрощённому и недорогому способу выделки самодельных газонаполненных — индикаторных и некоторых других ламп в домашней мастерской, прототипе установки для таких работ из широко распространённых, дешёвых комплектующих, с применением ручной работы по месту — без использования станков или другого сложного, точного и дорогостоящего оборудования.

Преамбула

Среди электровакуумных приборов (ЭВП), для работы которых требуется возможно более высокий вакуум, существует целый ряд ламп, заполненных, обычно под небольшим разрежением, каким-то газом, смесью газов или парами веществ. Буквально яркий пример — всеми горячо любимые газоразрядные цифровые индикаторы.

Фото 2. Газоразрядные цифровые индикаторы — суть, видоизменённая сигнальная неоновая лампочка с несколькими фигурными электродами, работающая на постоянном (светится только один электрод) токе. Чужое фото из сети. Лампы наполнены неоном с примесями, под давлением 500…2500 Па

При наполнении лампы газом нужным, следует добиться и максимального удаления, нарушающих работу прибора, газов вредных, в том числе и впитанных внутренними материалами ЭВП — стеклом, керамикой, изоляторами, металлами. Их обезгаживание должно быть тем тщательнее, чем сильнее лампа нагревается при работе. При этом есть два пути: «в лоб»: получить внутри колбы высокий вакуум, а затем наполнить её нужным до небольшого разрежения, и «замещением» иначе «промывкой» — откачать лампу до разрежения невысокого, заполнить её газом, при этом газы атмосферные разбавятся до более низкой концентрации, откачать смесь ещё раз и ещё раз напустить рабочий газ, и снова, и снова. Через некоторое количество циклов парциальное давление атмосферных газов в лампе снизится до чрезвычайно малой величины.

Очевидное достоинство промывки — отсутствие весьма дорогого высоковакуумного оборудования. Недостаток — ухудшение выделения впитанных материалами газов при низком вакууме; высокий расход рабочего газа, практически на время промывки заменяемого недорогим технологическим газом, например, азотом.

Газы впитанные, намного лучше выделяются при нагревании — обрабатывают лампы горячие. Практики говорят: лучше откачать прибор, нагретый до 300 ̊ С, до 10^-3 мм.рт.ст (Торр), чем опустошить холодный до 10^-6.

Говоря о низком вакууме для промывки, речь обычно идёт о давлениях 10^-2…10^-3 Торр — работа для роторного двухступенчатого (форвакуумного) насоса.

Цель эксперимента — исследовать наполнение промывкой газоразрядной лампы, при откачке её ещё более низковакуумным и простым оборудованием.

Пациент

Обработаем сделанную ранее простую индикаторную лампу из дешёвого легкоплавкого стекла платиновой группы ^[1].

Фото 3. Во время изготовления. На гребешковой ножке — электродная система лампы, выполненная из никелевой проволоки 0,5

Фото 4. Во время изготовления. Разогрев лампы перед заваркой — спаиванием гребешковой ножки с баллоном

Фото 5. Собранная лампа перед откачкой-наполнением

Фото 6. Свечение разряда в разреженных остатках атмосферных газов (азоте). Давление ~ 500 Па, переменное напряжение на электродах около 10 кВ (?). Удаление замещением атмосферных газов и наполнение лампы одноатомным инертным газом, радикально снизит напряжение зажигания, увеличит яркость свечения

Предварительные соображения

Индикаторные лампы обычно заполняются неоном с незначительными добавками других инертных газов, дающим яркое оранжевое свечение (Фото 2). Увы, Ne, газ весьма недешёвый, а с отжившими своё газосветными рекламными трубками, ещё и малораспространённый. Применим в нашей работе аргон — газ, как и неон, одноатомный, недорогой и широко применяемый как защитная атмосфера при сварке неплавящимся вольфрамовым электродом. К слову сказать, в стародавние времена, индикаторные лампы с аргоном иногда выпускались и промышленно.

Температуру нагрева лампы при обработке, в общем, лучше иметь максимально возможной для имеющегося сорта стекла, такой, чтобы оно ещё не началось размягчаться, а откачанный прибор не смялся атмосферным давлением. Спецлитература рекомендует время обезгаживания материалов не дольше 20 мин, количество циклов промывки — до 12 раз.

В нашем случае, а это низковольтный, маломощный и практически не нагревающийся при работе прибор, обезгаживание материалов в принципе может быть упрощённым.

Рис. 7. Эскиз-схема установки, где: 1 — нагревательная печь с обрабатываемой лампой; 2 — вакуумный насос Комовского; 3 — вакуумметр; 4 — баллон со сварочным аргоном; 5 — регулируемый редуктор аргона с манометром высокого (в баллоне) давления; 6 — расходомер аргона с краном-регулятором; 7 — игольчатый кран; 8 — натекатель; 9 — манометрический коллектор; 10 — холодильник

Элементы установки

Временная технологическая печь (Рис. 7, поз. 1) с ПИД термоконтроллером собрана и опробована заранее ^[2], насос Комовского (Рис. 7, поз. 2) готовый, 10-л баллон с аргоном (Рис. 7, поз. 4), с редуктором (Рис. 7, поз. 5) и расходомером (Рис. 7, поз. 6) — стандартное сварочное оборудование. Несмотря на игольчатый краник расходомера, регулировка малого потока аргона грубовата, и дополнительное сопротивление-натекатель (Рис. 7, поз. 8) не позволяет сломать механический стрелочный вакуумметр (Рис. 7, поз. 3).

Манометрический коллектор (Рис. 7, поз. 9) — для обслуживания холодильной техники, доработанный. Его стандартные резьбы позволяют использовать однотипные шланги, краны, электрический вакуумный насос и другое оборудование и элементы из богатого ассортимента холодильщиков. Применён на вырост. Водяной холодильник (Рис. 7, поз. 10) для охлаждения откачиваемых из лампы горячих газов.

▍ Манометрический коллектор

Фото 8. Стандартный манометрический коллектор кондиционерщиков, недорогое исполнение, на пробу. В комплекте три метровых шланга с резьбами

Фото 9. Вместо штатного манометра высокого давления пристроим главный вакуумметр установки. Примерка. Маленький синий измеритель «на стороне низкого давления» имеет и малую часть шкалы для разрежения — оставим, пусть закрывает собой отверстие

Фото 10. Упрощённое устройство кранов дешёвого коллектора

Фото 11. Седло пластикового запорного элемента крана

Большой стрелочный вакуумметр (Фото 9) имеет крупную резьбу с мелким шагом. Порывшись в своём старом водопроводном хламе, удалось подобрать к ней ответную часть — бронзовую деталь, остатки разбрызгивателя душа. Ещё из нескольких деталей и кусочка медной трубки выкроил штуцер и накидную гайку с прокладкой.

Фото 12. Узел после подгонки-зачистки собрал пайкой, мягким припоем олово-медь, используя флюс-пасту для монтажа медных трубопроводов

Фото 13. Снаружи остатки кислого флюса на остывшей железке удалил старой зубной щёткой в тёплой воде, внутри её — в ультразвуковой (УЗ) мойке в горячей воде с капелькой кальцинированной соды

Фото 14. Готовый узел в сборе

Фото 15. Мой вакуумметр устроен для работы в вертикальном положении — из деревянных обрезков выпилил элементы подставки, подогнал части друг к другу

Фото 16. Собрал подставку на шурупы и столярный ПВА, медными хомутиками прикрепил манометрический коллектор в сборе, погрев жёсткие шланги строительным феном, подключил, уложил, закрепил

▍ Холодильник

Фото 17. Отожжённая тонкостенная медная трубка Ø 6 мм, даже при небольшом сгибании норовит сплющиться и перекрыть канал, а то и вовсе сломаться

Фото 18. Для предотвращения заломов при сгибании трубки её обычно набивают сухим песком и заглушают. Чтобы не возиться с вытряхиванием-промыванием песка из многовитковой тонкой спирали, заполнил трубку водой, концы же несколько раз загнул и проклепал

Фото 19. Подобрал подходящую оправку, намотал виток к витку, чуть растянул до необходимой длины, роликовым резаком укоротил концы

Фото 20. Готовый холодильник. Мокрый внутри змеевик на несколько суток положил на горячую плиту дровяной печи для просушки

▍ Натекатель

Фото 21. Местное сопротивление потоку аргона выполнил из длинного куска медного лужёного капилляра от старого электромеханического термостата холодильника. На фото все части узла: натекатель-капилляр, свёрнутый для компактности в спираль, игольчатый краник для регулировки и перекрытия газа; тройник для врезки в аргоновый шланг; присоединитель со стандартной кондиционерной резьбой

Фото 22. Сборка узла такая же — огневой пайкой, мягким припоем и спецфлюсом. Крупные зазоры между деталями уплотнил намоткой из зачищенного от лаковой изоляции медного обмоточного провода подобранного диаметра. После остывания удалил остатки флюса в УЗ мойке

Фото 23. Спаянный узел собрал, заглушил отверстия, поддул сжатым воздухом из компрессора и проверил на герметичность мыльной водой

Фото 24. Готовый узел без регулировочной «иглы» крана

Сборка установки

Фото 25. Узел подачи аргона, где: 1 — 10 л баллон; 2 — вентиль баллона; 3 — манометр высокого давления (в баллоне); 4 — редуктор давления; 5 — регулировочный винт редуктора; 6 — расходомер (ротаметр); 7 — игольчатый кран расходомера; 8 — игольчатый кран; 9 — натекатель (сопротивление); 10 — присоединитель для шланга манометрического коллектора

Фото 26. В печи с импровизированной теплоизоляцией, составленной из газобетонных кирпичей, в её приставной дверце-заслонке просверлил отверстие для вывода наружу штенгеля лампы, в рабочем положении уплотнил отверстие комочком базальтовой ваты

Рис. 27. Схема-эскиз установки

Фото 28. Вид установки спереди, где: 1 — нагревательная печь с обрабатываемой лампой; 2 — вакуумный насос Комовского; 3 — вакуумметр; 4 — баллон со сварочным аргоном; 5 — регулируемый редуктор аргона с манометром высокого (в баллоне) давления; 6 — расходомер аргона с краном-регулятором; 7 — игольчатый кран; 8 — натекатель; 9 — манометрический коллектор; 10 — холодильник

Фото 29. Вид установки сзади

Откачка-наполнение газоразрядной лампы

Обрабатываемую лампу поместил в печь, соединил шлангами с системой. При моём невысоком разрежении, жёсткости силиконового шланга внутренним Ø около 6 мм, хватает, чтобы его не сплющило атмосферным давлением, на металлических патрубках он закреплён бандажом из мягкой проволоки.

▍ Настроил контроллер печи

Рис. 30. Температуру нагрева установил, ориентируясь на данные таблицы (Сорокин В. С. Стеклодувная мастерская, 2013 г.), темп нагрева для так любящего растрескиваться, платинового стекла — 0,02 град/сек (1.2 град/мин) — нагрев до 400 ̊ С за 5,6 часа

Всё время нагрева поддерживал минимальное давление в системе.

▍ Использование вакуумметра

Фото 31. Стрелочный механический вакуумметр оказался прибором неочевидным — его показания относительны атмосферного давления, где «0» шкалы — условные 100 кПа. Соответственно — «0,1» шкалы — это 90 кПа, «0,2» шкалы — это 80 кПа и так далее, спасибо коллеге GidraVydra за консультацию. Мой ручной Комовский за ~30 энергичных оборотов его колеса откачивает систему до минимальных показаний и даже чуть за шкалу

▍ Давление в системе

Во время промежуточных откачек-промывок минимально возможное, оптимальное же давление инертного газа в лампе можно выяснить по кривым Пашена.

Рис. 32. Кривые Пашена для различных газов и газовых смесей. Давление аргона в лампе с минимальным напряжением зажигания — 1…2 мм.рт.ст.(Торр)*см (зазор между электродами), что для имеющихся в лампе межэлектродных ~5 мм (Фото 3), даёт оптимальное давление аргона 0,5…1 Торр (~70…140 Па)

▍ Действовал так

Нагрев откачанную лампу до искомых 400 ̊ С, 12 раз откачал систему до минимума и напускал аргон.

Фото 33. Не сбиться помогают импровизированные счёты — взялся за рукоятку насоса — переложи штучку

Фото 34. Откачав последнюю порцию аргона до нужного давления, несколько раскупорил отверстие в дверце и частично вытащив лампу, отпаял штенгель. Деревянной палочкой протолкнул лампу обратно в печь, закрыл окно и переключил контроллер на такое же медленное (0,02 град/сек) остывание

Что получилось

Фото 35. Аргон светится не так ярко, как обычная неоновая смесь, но в отличие от разряда в разреженном воздухе (азоте) (Фото 6), его видно и при неярком дневном свете

Фото 36. Небольшое затемнение. Хорошо виден характерный приэлектродный характер свечения

Фото 37. Режим работы лампы — питание от сети ~220 вольт через токоограничительный резистор 10 кОм. Ток цепи — под 2 мА. При длительной работе колба лампы в районе свечения чуть заметно нагревается

Итого

Несмотря на напрашивающиеся после первого же применения доработки, способ и установка вполне работоспособны, да здравствуют индикаторные лампы, хорошие и разные!

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, январь, 2025 г.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»