Разрядные трубки с повышенной яркостью. Изготовление своими руками

Простейшие, исторически первые, газоразрядные лампы — трубки Гейслера, родившиеся как модная электротехническая забава, и по сей день имеют утилитарно-прикладное применение — как источник света для спектроскопии. Прибор при этом наполняют нужным газом, газовой смесью или парами веществ, создают в нём небольшое разрежение и зажигают тлеющий разряд. Яркость которого, следует заметить, удобно иметь намного больше, чем может предложить простая трубка и умеренные напряжения питания — обычные наблюдения приходится проводить как минимум в полумраке.

Тлеющий разряд становится интенсивнее и ярче при повышении напряжения питания. Увеличить яркость свечения можно и особыми конструкциями трубок. Изготовим две из них, включим, оценим принятые меры.

Разрядная трубка с капилляром

Чрезвычайно популярная конструкция, трубка относительно проста в изготовлении.
Было давно замечено некоторое возрастание яркости разряда в местах сужения баллона. Радикальное развитие приёма — сжатие части разряда впаянным в колбу капилляром. Трубка при этом имеет характерную гантелеобразную форму.

Фото 2. Обычный вид спектроскопических разрядных трубок-гантелек. Чужое фото из сети

К делу.

▍ Электроды трубки-гантельки

В порядке тренировки и освоения выполним их S-образными, гнутыми из листовой нержавеющей стали — простое технологичное изготовление, большой ток разряда.

Фото 3. Заготовку электрода выгнул плоскогубцами из размеченной полоски стали. Внутрибаллонную бирку сделал ударным клеймом на кусочке мягкой нержавейки

Фото 4. Приварил бирку к одному из электродов контактной сваркой

Фото 5. Приварил проволочный вывод из никеля 0,5 мм

Фото 6. К проволочной части приварил платинитовую вставку

Фото 7. Пара готовых электродов. Составные трёхзвенные выводы — никель-платинит-никель. Соответственно, предназначены для впаивания в стекло платиновой группы [1]

▍ Остеклование платинита

Предварительная, перед впаиванием вывода, операция. Защищает нежный медный слой проволоки от переокисления или сгорания. Всё используемое стекло платиновой группы.

Фото 8. Медь в стекле не растворяется. Другое дело — окись меди. Нагреваем платинитовую часть вывода электрода в дальней окислительной части факела до малинового свечения и охлаждаем на воздухе

Фото 9. Надеваем на платинитовую часть отрезок тонкой трубочки-штенгеля, длиной — чтобы перекрыть и зафиксировать места сварки, плюс запас на укорочение при усадке

Фото 10. Вносим трубочку в пламя, вращая, сильно разогреваем. Размягчённое стекло силами поверхностного натяжения стягивается и спаивается с проволокой

Фото 11. Остеклованные вводы

▍ Сборка трубки

Выполним толстую часть колбы нашей трубки-гантельки из тонкостенной заготовки Ø26 мм. В качестве капилляра применим штенгель Ø5 мм.

Фото 12. Торцы одной из сторон у двух заготовок крупной трубки оплавил, вторые же стороны, сильно разогрел на большом пламени. Пинцетом оттянул крупный ус, переплавил его у основания и снял лишнюю капельку стекла

Фото 13. Разогрел на жёстком узком пламени выступающий кончик, и продул его в тончайший пузырик

Фото 14. Пузырик сколол, острые края оплавил в мягком пламени

Фото 15. Подготовил условный капилляр — отрезал заготовку штенгельной 5 мм трубочки, оплавил торец с одной из сторон, нагрел второй конец до заплавления канала, раздул в тонкостенный пузырик

Фото 16. Сколол пузырик — на концах трубочки остаётся ровная тонкостенная вороночка

Фото 17. Разогрел крупную трубку с сужением и вороночку капилляра в мягком пламени, примерившись слепил

Фото 18. Пропаял стык ручной кислород-водородной микрогорелкой, подогревая спай в мягком светящем пламени

Фото 19. Готовый впай

Фото 20. На свободном конце капилляра аналогичным образом сделал расширение-вороночку — раздул и сколол тонкостенный пузырик

Фото 21. Также подготовил вторую широкую часть колбы, разогрел, слепил, спаял. На фото — замедленное остывание спая в коптящем пламени

Фото 22. Укоротил широкие электродные части колбы прибора — однообразно разметил, чиркнул поперёк алмазным надфилем, отколол термоударом в электрорезке с накалённой нихромовой проволокой

Фото 23. Основная часть оболочки прибора

Фото 24. Поместил в одну из широких частей колбы остеклованный электрод, в большом, сильном пламени разогрел конец горловины, захватив её пинцетом, оттянул и переплавил у основания крупный ус

Фото 25. Прогрев конец оставшегося сужения, оттянул пинцетом тоненький коротенький усик. Тонкостенный и легко ломающийся у основания

Фото 26. Обломив стеклянный усик, перегнал электрод проволочным выводом в образовавшееся отверстие. Прогрел место впая до размягчения стекла, пинцетом за проволочку слегка вытянул электрод, узким горячим пламенем пропаял соединение стёкол

Фото 27. Впаянный электрод

Фото 28. Разогрел широкую часть колбы с впаянным электродом в мягком пламени, и ручной горелкой нагрел небольшую точку на стекле. Раздул её в пузырик, сколол, оплавил края и впаял подготовленный аналогично капилляру штенгель — тонкую технологическую трубочку для откачки прибора. Для плотной посадки шланга от вакуумного насоса на конце штенгеля раздул небольшое утолщение-оливку

Фото 29. Аналогично первому, поместил оставшийся электрод с остеклованным выводом в открытую трубку, разогрел её конец, оттянул усик, обломал, перегнал и впаял

▍ Отжиг разрядной трубки

Фото 30. Стекло платиновой группы имеет высокий коэффициент теплового расширения (КТР) и весьма склонно к растрескиванию при значительных изменениях температуры — все более или менее сложные горячие операции с ним заканчивал с мерами по замедленному остыванию. Это уменьшает внутренние напряжения в стекле и снижает риск его разрушения. Готовый прибор подвергается полному печному отжигу — режим для стекла платиновой группы — нагрев 0,01 гр/сек, до 515 ̊ С. Выдержка 1 час, охлаждение 0,01 гр/сек. Весь цикл занимает без малого сутки

Фото 31. Готовая разрядная трубка с капилляром и S-электродами из нержавейки

▍ Включение

Для включения трубки использовался высоковольтный блок питания на основе автомобильной катушки зажигания [2]. Откачку сделал ручным школьным вакуумным насосом Комовского. Разряд в остатках воздуха, характерный фиолетово-розовый цвет, ему придаёт аргон.

Фото 32. Экспериментальная установка. Наблюдения за разрядом в обычных трубках возможны только при существенном затемнении, здесь же, свечение в капилляре хорошо видно и днём, пусть хмурым и пасмурным

Фото 33. Вид на работающую трубку при дневном освещении. Хорошо заметен эффект от сжатия разряда: в широких частях трубки его практически не видно

Фото 34. Работающая трубка при затемнении

Фото 35.

Фото 36.

Фото 37. Трубка при затемнении. Снизил напряжение питания до почти незаметности разряда в широких приэлектродных частях

Фото 38.

Разрядная трубка, наблюдаемая с торца

Для увеличения яркости свечения участка разрядной трубки можно попробовать наблюдать столб тлеющего разряда с торца. Мешающие же электроды вынести набок или изготовить их полыми. Трубка с полыми электродами обещает быть проще, при её изготовлении потребуются только уже освоенные операции.

К делу.

▍ Электроды трубки

Выполним в форме открытого цилиндра, диаметром несколько меньше колбы. Проволочный же вывод сделаем вбок.

Фото 39. Заготовки электродов. Сварены контактной сваркой из листовой заготовки-полоски жёсткой, пружинистой (углеродистой?) нержавеющей стали

Фото 40. Электроды в сборе. На каждом по два ряда центрирующих распорок из никелевой проволоки, выводы двухзвенные составные — никель-платинит

▍ Стеклянные отростки

Их на нашей трубке будет три: штенгель для откачки, с оливкой для шланга и две коротеньких трубочки для запаивания проволочных выводов. Все они изготавливаются аналогично деталям трубки-гантели.

Фото 41. Раздутые пузырики на заготовках

Фото 42. Набор деталей-отростков для выводов

Фото 43. Откалывание на стальной призме технологической части — запечатанного кончика, нужного для раздувания оливки на штенгеле. В месте реза нанесена и смочена водой риска, по свободному концу наносится лёгкий удар нетяжелой железкой

Фото 44. Оплавление зазубренного торца штенгеля

Фото 45. Заготовки штенгеля

▍ Изготовление оболочки-колбы

Применим для неё тонкостенную трубку платинового стекла Ø26 мм от трубчатой лампы дневного света (ЛДС). Наша разрядная трубка должна быть не слишком короткой, чтобы иметь значительный столб разряда, при сборке потребует нескольких технологических укорочений — заготовку придётся взять несколько длиннее обычного.

Фото 46. Для добычи длинных заготовок пришлось вне очереди потрошить ЛДС, благо тёплое время года и все опасные работы можно делать на открытом воздухе. На фото — «делай раз». Б/у лампы отмыты от внешней грязи, разрезаны на электрорезке на две части каждая, удалены цоколи. Удалён тёмный прикатодный люминофор, загрязнённый распылённым вольфрамом, остальное же стёрто продёрнутым на верёвочке тампоном из ветоши и бережно упаковано для дальнейшего использования. Внутри трубки отмыты водой, протравлены 2% плавиковой кислотой и промыты в холодной, чистой воде. Гипотетические остатки кислоты нейтрализованы слабым раствором NaOH

Фото 47. Заготовки колб

Фото 48. Разогрев конца заготовки для запечатывания. Размягчённый, захватил его большим пинцетом и вытянул крупный ус, переплавил его у основания

Фото 49. Собственно, сам ус — в металлическую урну с боем

Фото 50. Заготовки колбы с одним закрытым торцом. Правила хорошего стеклодувного тона требуют как минимум снять образующуюся капельку стекла. Эти же торцы технологические, можно не деликатничать

Фото 51. Подготовленное посадочное место для впаивания отростка — разогрел место работы, сильно разогрел точку на колбе ручной электролизной микрогорелкой, раздул и сколол пузырик, оплавил края

Фото 52. Разогрел детали в широком мягком пламени, слепил, пропаял стык микрогорелкой

Фото 53. Аналогичным образом впаял и два остальных отростка. Для продувки отверстия для последнего пришлось запечатывать второй открытый конец колбы и дуть через штенгель

Фото 54. Торцы колбы вскрыл и укоротил на электрорезке, отростки на стальной призме

Фото 55. Подготовленная к сборке колба со вставленными электродами. Платинитовые части выводов предварительно окислены

Торцы колбы запечатал на крупном пламени, платинитовые выводы затянул в стекло на небольшом жёстком факеле аналогично остеклованию (Фото 10). Готовую трубку подверг полному печному отжигу для снятия внутренних напряжений.

Фото 56. В порядке эксперимента попробовал и упрощённое изготовление электродов: свёрнутая цилиндром полоска нержавейки помещается на своё место, развернувшись, прижимается к проволочному выводу. Работает хорошо, но сталь после отжига становится мягкой и при заметных сотрясениях может перемещаться по баллону

Фото 57. Две готовых трубки увеличенной длины с полыми цилиндрическими электродами

▍ Включение разрядных трубок с полыми электродами

Выполнено аналогично предыдущей трубке: питание от индукционной катушки, откачка насосом Комовского, тлеющий разряд в остатках атмосферного воздуха.

Фото 58. Трубка с упрощёнными электродами

Фото 59.

Фото 60.

Фото 61. Пробное включение трубки с питанием от высоковольтного высокочастотного источника. Цвет основного столба разряда непривычно белый, характерное аргоновое розово-фиолетовое окрашивание видно только у электродов. У одного из торцов приладил белый экран — можно оценить яркость пятна

Фото 62. Разрядная трубка с «висящими» электродами-цилиндрами. В целом, картина похожа на предыдущую

Фото 63. Разрядная трубка с «висящими» электродами-цилиндрами. Вид с торца

Итого

В результате проделанной работы были закреплены навыки нескольких стеклодувных операций, изготовлены и опробованы два вида разрядных трубок. Хорошо видно преимущество первого гантельного варианта: такая трубка и несколько проще в изготовлении, хотя будет иметь свои особенности при откачке, наполнении и тренировке. Трубки с торцевым выводом излучения, паче чаяний, не показали выраженного увеличения яркости, электродная система в них сложнее и менее технологична в изготовлении.

Дополнительные материалы

1. Стекло. Классификация, опознание, подготовка. Авторский конспект.
2. Высоковольтный блок питания разрядных трубок. Авторский конспект.

Литература

Библиотечка электровакуумщика-кустаря.

На благо всех разумных существ. Babay Mazay, май, 2024 г.

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻