НЕОН: Ртутная проблема

Один из первых вопросов, которые обычно задает человек, знакомящийся с азами газосветной технологии, о наполнении ламп. Ставшее привычным обиходное название <неон> заставляет многих думать, что все газосветные лампы им и заполнены. Однако это далеко не так. Прекрасный яркий красно-оранжевый свет электрического разряда в неоне не способен дать всей той широчайшей палитры цветов, которую мы видим в газосветных установках. На заре неоновой технологии вопрос создания ламп различной цветности решался путем наполнения их разными газами. Так, аргон давал слабый сине-фиолетовый свет, углекислый газ — белый и т.п. Лампы пытались изготавливать из окрашенного в массе стекла. Г.Гейсслер некоторые из своих трубок делал из стекла с примесями солей урана, благодаря чему стекло очень красиво люминесцировало под воздействием газового разряда. Однако яркость всех этих ламп была существенно ниже, чем у ламп, заполненных неоном. Сделать качественный скачок в производстве цветных газосветных ламп позволили достижения светотехнической науки.

Еще в середине 19 века ученые стали наблюдать и исследовать явления люминесценции. Суть этого явления заключается в способности многих веществ преобразовывать внешнее энергетическое воздействие (к примеру, возбуждение светом, ультрафиолетовыми (УФ), рентгеновскими лучами) в излучение. В 1924г. академик С.И. Вавилов, обобщая многолетние мировые исследования в области люминесценции, сделал вывод о том, что можно создать люминофор, т.е. люминесцирующее вещество, эффективно преобразующее УФ-излучение в видимое. Это теоретическое положение послужило основой для создания целого ряда источников света. Тем более что к тому времени уже был накоплен значительный опыт создания источников УФ-излучения. Наиболее простым и очень эффективным источником УФ-излучения является электрический разряд в парах ртути.

Ртуть — вещество вообще необыкновенное.

Всего два металла (ртуть и галлий) могут существовать при нормальных условиях окружающей среды в жидком виде. Это необычное свойство, а также относительная распространенность ртути в природе с древнейших времен привлекали к ней внимание человека.

<-Да вот, ртуть кипит при трехстах семидесяти градусах, а испаряется при скольких?
-Всегда, дорогой инженер, за исключением сильного мороза.
-Значит, летуча?
-Необычайно летуча для своего удельного веса>.

Диалог двух ученых из рассказа И.А. Ефремова <Озеро Горных Духов> весьма показателен. Тяжелая жидкость (плотность ртути в 13,59 раза превышает плотность воды) чрезвычайно легко испаряется, а ее пары способны светиться под воздействием электрического разряда.

Видимое излучение ртути — яркий белый с зеленоватым оттенком свет — был включен газосветчиками в свою палитру. Однако практика показала, что при отрицательной температуре колбы ртутных газосветных ламп разряд становится тусклым и даже плохо зажигается. Поэтому лампы стали наполнять аргоном, который за счет своего слабого свечения не искажал их цветности. Аргон также облегчал зажигание холодных ламп, затем по мере прогрева лампы разрядом начиналось интенсивное испарение ртути и разряд стабилизировался.

В 30-х годах 20 века были созданы первые люминофорные лампы: на внутреннюю поверхность колбы наносился порошок люминофора, который под воздействием УФ-излучения разряда в парах ртути излучал свет. Путем подбора химического состава люминофоров и их смесей и было получено то великолепие цветов, которое используется сегодня при создании рекламных установок.

Однако ртуть — вещество очень коварное. Человечество издавна применяло ее в самых различных целях. К примеру, в 18 веке ртутью даже лечили… заворот кишок — больному давали выпить полстакана жидкого металла. Однако с давних пор было известно, что люди, работавшие с ртутью, обычно тяжело болели и умирали весьма молодыми. Р. Киплинг писал в одном из своих стихотворений:

<Я худшую смерть
предпочту работе
на ртутных рудниках,
где крошатся зубы во рту …>

Металлическая ртуть, если каким-либо способом предотвратить ее испарение, сама по себе для организма человека не намного опаснее, чем, например, цинк, с которым она находится в одной подгруппе периодической системы элементов. Главный <отравитель> — ртутные пары.

Для нормальной работы разрядных ламп низкого давления, к которым относятся и газосветные, необходимо поддерживать в них парциальное давление насыщенных паров ртути 0,01-0,001 мм рт. ст. Исходя из этого принимается достаточным количество ртути 30-50 мг, но возможно увеличение до 90-100 мг из-за неточности дозировки. Эти 30-90 мг, дозируемые в лампу, — шарик диаметром 1,6-2,3 мм. Если это количество ртути испарится, то от 3 до 9 тыс. м3 воздуха будет заражено ее парами до предельно допустимой концентрации. Вот и представьте себе, чем дышит откачник, обрабатывающий ртутную лампу на посту.

Дозирование ртути в газосветную лампу производится перед ее вакуумной обработкой. К сожалению, за более чем полвека существования ртутных газосветных ламп <ртутная> сторона технологии очень слабо изменилась. Чаще всего для дозировки применяют либо обычную стеклянную капельницу, именуемую в обиходе медицинской пипеткой, либо специальные автоматические пипетки, применяемые в химических лабораториях и позволяющие достаточно точно дозировать объем капли ртути. Специальные ртутные дозаторы используются очень ограниченно из-за их высокой сложности и дороговизны. Да и конструктивно дозаторы металлической ртути недалеко ушли от той же пипетки. Главная проблема — ограничение контакта металлической ртути с воздухом, то есть ограничение испарения, не решена до конца.

В 80-х годах в мире стали весьма серьезно обсуждать вопросы ртутной безопасности. Огромное количество ртутных ламп и приборов, содержащих ртуть, выбрасывается на свалки, и испарение ртути в атмосферу иногда приобретает катастрофический характер. Стремление ограничить контакт человека с ртутными парами повлекло существенное изменение ряда технологий. В частности, в люминесцентных лампах, изготавливаемых ведущими мировыми производителями, ртуть стали дозировать либо в виде амальгам — сплавов ртути с другими металлами, либо в виде геттерортутных дозаторов. Последний обычно выполняется в виде никелевой ленты, на которую нанесены сложная смесь, содержащая газопоглотитель (геттер, представляющий собой спеченный порошок титана,  циркония и циаля или их смесей), и спеченный порошок меркурида титана — интерметалла, содержащего ртуть в связанном состоянии. В обоих случаях ртуть испаряется только в герметизированной (отпаянной от откачного поста) лампе. При условии обеспечения переработки вышедших из строя ламп такая технология позволяет снизить ртутное загрязнение окружающей среды до минимума.

Для газосветных ламп были также разработаны конструкции электродных узлов как с ртутным дозатором в виде ленты, так и с ампульным дозатором. Ампульные дозаторы (схема устройства такого узла показана на рис. 1) сохраняли герметичность ампулы с ртутью вплоть до отпайки лампы с откачного поста. К лампе припаивается один такой электрод (без штенгеля), затем выполняется обычная вакуумная обработка с наполнением аргоном, после чего лампа отпаивается с поста. Далее в ней зажигается разряд на вспомогательный электрод, проходящий через ампулу с ртутью, который быстро разогревается током разряда, и ампула разрушается, вводя ртуть в полость лампы. Еще в 1975г. такой электродный узел ЭУС-20-1 был разработан Ровенским заводом газоразрядных приборов. Однако его серийное производство так и не было налажено.

Рис. 1. Схема конструкции электродного узла Quick Silver

За рубежом картина выглядела иначе: целый ряд производителей освоил выпуск электродных узлов с ампульным дозатором. Сегодня на российском рынке иногда встречаются предложения, к примеру электроды Quick Silver от Masonlite. Это прекрасные электроды, но вот цена… Ни для кого не секрет, что любой производитель стремится использовать наиболее дешевые материалы, чтобы снизить и себестоимость, и цену конечного товара. Вот и используют газосветчики дедовский способ: пипеткой дозируют ртуть, а в помещении, где выполняется эта операция, обычно работают стеклодувы. Очень мало мастерских, оборудованных нормальной вентиляцией, выполняющих мероприятия по демеркуризации и предотвращению рассеивания ртути.

Основной документ, регламентирующий вопросы охраны труда и окружающей среды при работе с ртутью, — Межотраслевые правила по охране труда при производстве и применении ртути ПОТ Р М-009-99. Это очень подробный, тщательно разработанный документ, который необходимо знать и выполнять работникам каждой газосветной мастерской.

Металлическая ртуть поставляется в различной упаковке. Для нужд газосветных мастерских ее продают в стеклянных запаянных ампулах либо в пластиковых или стеклянных флаконах. Стеклянные флаконы обязательно помещаются в пластиковый пенал с крышкой. При транспортировке и хранении ртути следует учесть, что из-за большой плотности при встряхивании стеклянного флакона ртуть может просто разбить его изнутри. Поэтому нужно использовать герметичные пластиковые флаконы. В мастерской нельзя хранить запас ртути, превышающий сменную потребность. Все операции по переливанию ртути, дозированию ее в лампы и т.п. должны производиться только в вытяжном шкафу (технология этих операций подробно описана в ПОТ Р М-009-99).

Ртуть для нужд электролампового производства должна быть очень чистой — в отечественной технологии используется ртуть марки РО ГОСТ 4658-73 или Р10-6 ТУ 48-14-24-83. Достаточно популярна ртуть высокой степени очистки производства компании EGL. Она поставляется в специальных тюбиках из особого ударопрочного стекла. В условиях мастерской лучше не пытаться экспериментировать с очисткой ртути неизвестного происхождения — так и до отравления недалеко. Очистка же в промышленных условиях — процесс длительный и сложный, начиная от продавливания ртути сквозь замшу — своего рода фильтрования — и заканчивая промывкой различными реагентами и дистилляцией. Во избежание загрязнения рабочего запаса ртути необходимо избегать ее контактов с металлами — многие из них чрезвычайно легко растворяются в ртути, образуя сплавы (амальгамы).

Помимо главной <ртутной проблемы> — испарения ее в окружающую среду — существуют и другие трудности. Одна из них связана с накоплением ртути внутри вакуумной системы откачного поста, вторая — с технологическими сложностями вакуумной обработки ртутных ламп.

Шарик ртути, сброшенный дозатором в колбу лампы, непрерывно испаряется, или, как говорят вакуумщики, <газит>. А при откачке лампы вакуум-насос выбрасывает эти пары в атмосферу. Более того, в вакуумной системе откачного поста, температура которой существенно ниже колбы лампы, разогреваемой разрядом при обезгаживании, пары ртути неизбежно начнут конденсироваться. К тому же в начале откачки лампа, заполненная воздухом (с парами ртути!) до атмосферного давления, соединяется с вакуумированным объемом откачного поста. Газы, находящиеся в лампе, с высокой скоростью направляются в сторону входного патрубка вакуум-насоса, т.е. туда, где давление ниже. При этом за ними часто устремляются мелкие капли металлической ртути, пыль, влага, находящиеся в лампе. И вся эта грязь оседает на стенках вакуумной системы откачного поста, а кое-что проникает и в вакуум-насос.

По мере накопления в вакуумной системе загрязнений они перемешиваются с маслом, неизбежно проникающим из вакуум-насоса, и на стенках трубок системы образуется налет, подобный по своему составу слою масляной краски. Эта масса обладает большой сорбционной способностью, поэтому с увеличением количества грязи в вакуумной системе растет продолжительность откачки ее до рабочего вакуума — загрязнитель <газит>, сорбированные им газы непрерывно выделяются в объем системы. Сюда же добавляется и ртуть. Много раз приходилось видеть внешне ухоженные стеклянные откачные посты, в которых весело поблескивали ртутные шарики. Обычно они накапливаются в местах, где поток откачиваемых газов резко меняет направление или скорость, — в корпусах стеклянных кранов, в изгибах трубок и т.п. Со временем в вакуумной системе, которую забывают промыть, накапливается столько грязи и ртути, что работать на таком откачном посту становится невозможно и даже опасно — из-за недостаточной глубины вакуума и интенсивного выделения паров ртути.

Вопрос о предотвращении проникновения капель жидкости и твердых частиц в лабораторные установки давно заботит, в первую очередь, ученых-химиков. Поэтому в литературе по лабораторной технике можно найти описание многочисленных конструкций каплеуловителей (ловушек). Общий принцип действия этих устройств основан на резком изменении направления и снижении скорости потока газа, несущего капли жидкости и твердые частицы (рис. 2). В результате в полости каплеуловителя тяжелые частицы выпадают в осадок. Главный недостаток такого способа решения проблемы — увеличение объема и сопротивления вакуумной системы. Следовательно, увеличивается время откачки, но с этим приходится мириться, выбирая из двух зол — длительной откачки либо ухудшения вакуума — меньшее.

Рис. 2. Схема действия ловушки

Проще всего решить проблему улавливания ртути и загрязнений путем удлинения отростка вакуумной системы, присоединяемого к штенгелю. Если этот отросток стеклянный, то по мере работы становится заметной накапливаемая в нем грязь, уносимая потоком газа из лампы. Однако для борьбы с накоплением ртути в вакуумной системе этот способ малоэффективен.

Более эффективна U-образная ловушка, в нижней точке которой накапливаются грязь и ртуть. Сделать такую ловушку сможет каждый стеклодув. Диаметр трубки должен составлять 8-10 мм, а длина каждого из колен — 15-20 см. По мере загрязнения ловушку можно промыть способом, используемым для очистки вакуумных систем, но проще заменить ее на новую. Ловушки с накопившейся ртутью перед утилизацией следует предварительно дезактивировать путем выдержки в 0,2%-ном растворе перманганата калия КМnО4 или 20%-ном растворе хлорида железа (III) FeCl34.

Более удобен в работе каплеуловитель Кьельдаля (рис.3). Изготовить его по силам опытному стеклодуву.  В качестве материала лучше использовать молибденовое или другое стекло с достаточной механической прочностью. Проще всего сделать каплеуловитель цилиндрической формы, для чего потребуются две трубки диаметром 30-50 и 8-10 мм. Для изготовления рекомендуется выполнить следующие операции.

Рис.3. Каплеуловитель Кьельдаля

На тонкой трубке, которая будет впаиваться в трубку большего диаметра, раздувают небольшой шарик, размер которого примерно в полтора раза превышает ее диаметр (рис. 4а). На широкой трубке оттягивают державы с двух сторон, затем из одной державы делают круглое дно (рис. 4б). В центре дна продувают отверстие, диаметр которого должен быть достаточным для помещения внутрь тонкой трубки, а оливка, выполненная на ней, должна задерживаться на краях отверстия (рис. 4в, г). Затем обе трубки прогревают в пламени горелки, вставляют одну в другую и пропаивают место соединения оливки с краями отверстия. Спай можно считать выполненным качественно, если в месте соединения оливки и отверстия будет четко видно темное кольцо торца впаянной трубки. Наружная и внутренняя трубки в месте спая должны иметь толщину стенок, равную толщине исходных трубок (рис. 4д). Затем в боковой стенке большой трубки продувают отверстие и снаружи обычным способом припаивают вторую трубку. Полученное изделие отжигают в печи или в широком коптящем пламени горелки.

Рис. 4. Изготовление стеклянного каплеуловителя

На откачном посту ловушку располагают таким образом, чтобы газ поступал через боковой отросток, а положение колбы позволяло накапливаться в ней загрязнениям (отростком вверх или вбок). Во время перерывов в работе ловушку следует закрывать пробкой, чтобы избежать выхода в помещение паров накопленной в ней ртути.

Практика показывает, что применение даже простейшей U-образной ловушки позволяет в несколько раз увеличить продолжительность работы вакуумной системы откачного поста между промывками за счет снижения ее зартучивания. Кроме того, улучшаются условия труда откачника, особенно при ремонте и обслуживании откачного поста, за счет предотвращения накопления в нем ртути.

Вторая проблема вакуумной обработки ртутных ламп связана с высокой электропроводностью паров ртути. Как это выглядит на практике? Итак, в лампу введена капля ртути, штенгель лампы подключен к откачному посту, лампа откачана до 3-4 мм рт. ст. — пора зажечь в ней разряд для обезгаживания стекла. И вот тут-то и выясняется, что лампа с дозированной ртутью греется значительно слабее, чем лампа без ртути. Причина проста — чем сильнее нагревается лампа, тем интенсивнее испаряется ртуть, а проводимость ее паров существенно выше, чем у разреженного воздуха. Естественно, с ростом проводимости снижается выделение джоулева тепла, которым и прогревается лампа при обезгаживании. Чаще всего лампу, в колбе которой находится ртуть, не удается прогреть до тех 150-170 С, достижение которых минимально необходимо в соответствии с требованиями технологии.

Решить эту задачу можно двумя способами. Первый — дозировать ртуть в уже откачанную и обезгаженную лампу. Способ эффективен, однако требует существенного усложнения узла, с помощью которого лампа присоединяется к откачному посту. Если в обычной практике газосветчики используют для этого отрезок вакуумной резины, а отдельные любители все еще продолжают напаивать штенгели ламп на пост, то здесь потребуется специальное откачное гнездо, сопряженное с ртутным дозатором.

Чаще идут по более простому пути: на штенгеле лампы выполняется небольшое вздутие, обычно называемое также <ртутной ловушкой>. Лампы при дозировании в нее ртути располагают почти горизонтально, чтобы капля ртути оказалась в <ловушке>. Затем производят обычную вакуумную обработку лампы, ее наклоняют, чтобы сбросить шарик ртути в колбу, и отпаивают штенгель. Отрезок штенгеля, оставшийся на посту, загрязнен ртутью и подлежит демеркуризации в ванне для отходов. Лампа почти готова, но капля ртути еще находиться в заэлектродном пространстве — проскочить внутрь колбы ей не дает керамическая втулка электрода. Поэтому при работе с электродными узлами малых диаметров (10 мм и менее) электроды с керамической втулкой можно использовать только на безртутных лампах: зазор между втулкой электрода и стеклом здесь мал, что каплю ртути практически невозможно <протрясти> через него.

Обычно откачник сбрасывает каплю ртути из заэлектродного пространства в колбу путем энергичного встряхивания лампы в положении штенгелем вверх. Нужно заметить, что ртуть, находящаяся за элетродом, практически бесполезна — она очень слабо испаряется, лампа при этом горит тускло и очень медленно оттренировывается. Кстати, при отпайке ламп с <ловушкой> сказывается и неудобство напайки ламп на пост: в таком случае приходится выполнять две лишних операции по пайке ручной горелкой (напайка, первая отпайка штенгеля, вторая отпайка штенгеля после сбрасывания капли ртути) вместо одной (отпайки) при работе с гибким соединением. Непроизводительные затраты труда и времени при напайке ламп отнюдь не способствуют повышению качества изделий, а влекут лишь усиленное выделение паров ртути в атмосферу помещения из-за многократного прогрева штенгеля горелкой. На рис. 5 показана последовательность операций по вводу ртути в лампу при напайке лампы на пост (внизу) и при разъемном соединении с ним (вверху).

Рис. 5. Схема дозирования ртути в лампу

Продолжительность тренировки ртутных ламп после изготовления выше, чем безртутных. Во время тренировки хорошо заметно, как происходит распределение ртути по колбе лампы — яркое свечение медленно распространяется от штенгельного конца лампы к противоположному. В лампах сложной конфигурации иногда приходится применять тренировку на постоянном токе.

Как правило, забракованные ртутные лампы ремонту не подлежат — делается это для предотвращения вдыхания стеклодувом ртутных паров. Однако если лампа сложной формы лопнула во время откачки, выбрасывать ее жаль. Для ремонта таких ламп используют специальное приспособление (рис. 6), позволяющее изолировать зартученную полость лампы. Основой приспособления служит двугорлая склянка Вульфа, широко применяемая в химических лабораториях. Тонкая и эластичная резиновая мембрана делит склянку на <грязную> полость, соединяемую с лампой, содержащей ртуть,  и <чистую>,  в которую производится поддув. Работы выполняют с особой осторожностью, под зонтом вытяжной вентиляции при включенной тяге.

Рис. 6. Схема дозирования ртути в лампу

Напоследок нужно заметить, что серьезной альтернативы применению смеси <аргон — ртуть> пока нет. Определенный интерес представляет перспектива использования других инертных газов — криптона и ксенона. Проведенные эксперименты показывают, что лампы, заполненные криптоном и ксеноном, имеют несколько меньшую световую отдачу, вызванную отличием спектральных характеристик разряда в этих газах, по сравнению с парами ртути. В то же время срок службы таких ламп не ниже, чем при использовании аргоново-ртутного наполнения. Однако стоимость и криптона, и в особенности ксенона весьма высока: если цена на неон в среднем в 2,3 раза превышает стоимость аргона, то криптон дороже аргона более чем в 40 раз, а ксенон — более чем в 350 раз. Так что до применения экологически чистых газосветных ламп еще далеко.

автор Авдонин Е.
журнал «Вывески Реклама OUTDOOR» №5 2005 год