НЕОН: Компоненты и материалы неонового производства

В неоновом производстве применяются стеклянные трубки различных типов. Одни используются непосредственно для огневой обработки и изготовления неоновых трубок, другие — для вспомогательных целей, таких, например, как подсоединение изделий к откачному посту для вакуумирования и т.д. Важные для нас параметры следующие: наружный диаметр, длина, толщина стенки, химический состав стекла, физические свойства. Мы сознательно не упоминаем здесь цвет свечения люминофора, нанесенного на стенки трубки, так как это тема отдельного материала, сейчас речь идет только о стекле. Ведущими компаниями — производителями трубок, о продукции которых пойдет речь, являются:
EGL (США),
TECNOLUX (Италия),
MASONLITE (Великобритания),
GLOSTERTUBE (Италия).

В обработке, для производства деталей, применяются трубки с наружным диаметром 8, 10, 12, 15 мм, в особых случаях — 7, 18 мм. Диаметр трубки определяется исходя из требуемого габарита детали, сложности и размеров эскиза, по которому неонщик производит обработку трубки. Детали, реализующие самые мелкие, ювелирные шрифты и изображения, изготавливаются из трубки диаметром 10 мм, реже — 7 и 8 мм.

При выборе диаметра также играет роль необходимая яркость свечения детали. О последнем следует сказать особо.

Дело в том, что чем меньше диаметр трубки, тем большее напряжение пробоя необходимо для возникновения в трубке тлеющего разряда. Требуемое давление, под которым производится заполнение трубки газом, также увеличивается с уменьшением диаметра. Увеличивается и количество теплоты, выделяемое в процессе разряда.

Поэтому напряжение питания тонкой трубки выше, чем более толстой такой же длины. То есть количество электроэнергии, потребляемой единицей длины трубки, возрастает с уменьшением ее диаметра.

Но, с другой стороны, по закону сохранения энергии, должно увеличиваться и количество энергии выделяемой. И здесь мы приходим к нелогичному на первый взгляд, но от того еще более важному выводу — чем меньше диаметр трубки, из которой изготовлена деталь, тем выше яркость свечения этой детали при постоянном значении рабочего тока.

Если в предыдущей статье мы установили, что яркость свечения трубки напрямую зависит от силы тока, то сейчас, сравнивая трубки различных диаметров, уместно сделать для этого случая поправку, введя понятие плотности тока как удельного значения силы тока на единицу площади сечения трубки. При постоянной плотности тока яркость свечения трубки также неизменна (конечно, при прочих равных условиях). Установлены соотношения яркости свечения для трубок различных диаметров. Они различаются в зависимости от применяемого люминофора (т.е. цвета свечения), но порядок соотношений примерно одинаков.

Из вышесказанного напрашивается и обратный вывод — чем больше диаметр трубки, тем большим должен быть ее рабочий ток для обеспечения требуемой яркости свечения детали. Этот факт, а также особенности огневой обработки и некоторые другие условия экономического характера и определили наиболее распространенные диаметры трубок, применяемых в неоновом производстве — 10, 12 и 15 мм. Детали из трубок диаметром 7 и 8 мм требуют большего напряжения питания, поэтому необходимо увеличивать количество трансформаторов — при работе они сильно нагреваются. Их применение ограничено, как правило, особыми интерьерными работами.

Трубки диаметром 18 мм (а иногда и 20 мм) широко распространены в Европе и используются для подсветки контуров зданий, крышных установок, там, где деталь несложно изогнута или вообще прямая. Реже они применяются для изготовления деталей в виде букв. Однако для обеспечения требуемой яркости таких трубок необходимо устанавливать их рабочий ток на уровне 60-80 мА, особенно в условиях холодного климата. Это связано с особым поведением паров ртути в трубках при низких температурах (о чем мы подробнее поговорим ниже). Поэтому в России трубки такого диаметра не получили широкого распространения, за исключением различных вариантов прозрачных (без люминофора) трубок, заполненных неоном и не содержащих ртути, при этом деталь, как мы помним, имеет красно-оранжевое свечение.

Трубки диаметром 5 мм используются при вакуумной обработке готовых деталей для их подсоединения к откачному посту. Эти трубки часто именуются <штенгельным стеклом>.

Поставляемые производителями трубки имеют несколько стандартов длины. Наиболее распространены из них два — 1,22 и 1,52 м. Причина выбора этих дробных чисел проста — обе величины составляют целое число футов — 4′ и 5′ соответственно.

Полутораметровые трубки выпускаются компаниями TECNOLUX и GLOSTERTUBE, для США более близок стандарт 1,22 м. В последнее время EGL также начала выпуск трубок длиной 1,5м. Компания MASONLITE производит трубки длиной и 1,22, и 1,5 м. Полутораметровая трубка представляется более удобной, так как позволяет делать меньшее число деталей и спаек при работе с контурами, имеющими значительную погонную длину. Это дает возможность экономить время и расходовать меньше электродов. В то же время трубка длиной 1,22 м более компактна при перевозке и работе. Добавим, что выпускаются трубки длиной 2, а порой и 3 м, но они служат только для производства прямых деталей, например для подсветки зданий. Безусловно, удельное количество операций и расходуемых электродов на погонный метр готовой детали здесь рекордно низкое, однако вся экономия сводится на нет сложностями изготовления, транспортировки и монтажа таких громоздких и хрупких деталей. На данный момент большинство российских неонщиков предпочитают трубки длиной 1,5м.

Толщина стенки трубок EGL, MASONLITE и GLOSTERTUBE составляет 1,5 мм для всех диаметров больше 8 мм и 1 мм — для диаметров 5,7,8 мм. У продукции компании TECNOLUX толщина стенки всех трубок составляет 1,3 мм. Эта величина может колебаться в пределах — 0,05-0,2 мм. Такой незначительный разброс практически не ощущается в работе. Другое дело, если толщина стенки отдельно взятой трубки является непостоянной, например колеблется по длине от 0,9 до 1,2 мм. Этот негативный фактор приводит к появлению неоднородности физических свойств стекла, неравномерному прогреву, усиливает остаточные механические напряжения в стекле после его остывания и в конечном итоге может привести к самопроизвольному разрушению готовой детали. Впрочем, среди продукции известных производителей такие отклонения практически не встречаются.

На процесс обработки стекла в немалой степени влияют и свойства самого материала, определяемые его химическим составом. Об этом наш дальнейший рассказ.

В основе состава стекла, как известно, лежит аморфная (не кристаллическая) структура, состоящая из молекул оксида кремния SiO2, оксидов и силикатов различных, как правило, щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов. Аморфная структура определяет такие свойства стекла, как отсутствие строго определенной температуры плавления, т.е. стекло постепенно размягчается и достаточно плавно переходит в жидкое состояние. То же можно сказать и об обратном процессе. При нагреве до определенной температуры оно становится пластичным, при дальнейшем повышении температуры образует жидкий расплав. В таблице 1 представлен химический состав разных видов стекла.

ТАБЛИЦА 1: Химический состав (% по весу)

Как видно, специальные стекла отличаются различными добавками, модифицирующими их свойства. Как уже упоминалось, большое распространение в неоновом производстве получило стекло, содержащее в качестве такой добавки оксид свинца РbО, для краткости именуемое <свинцовым стеклом>. Из него производят трубки компании EGL и GLOSTERTUBE. Стекло, поставляемое компанией TECNOLUX, свинца не содержит, поэтому называется <бессвинцовым>. MASONLITE производит трубки из стекла различных составов.

Вышеизложенное сравнение относится к трубкам из прозрачного стекла, цвет свечения которых определяется люминофором, нанесенным на их внутренние стенки, или цветом свечения самого газа, если люминофор не применяется. Но все указанные производители выпускают помимо прозрачных трубки из так называемого цветного стекла. В его состав включены примеси, подцвечивающие стекло в объеме определенным цветом. Такие трубки также производятся как с люминофором, так и <чистыми>. Применение цветного стекла позволяет достигнуть большей насыщенности цвета свечения детали. Цветное стекло изготавливается на базе бессвинцового путем добавления колорирующих компонентов.

Нас интересуют, главным образом, те физические свойства стекла, которые влияют на его <поведение> при огневой обработке. Их значения для различных видов стекла варьируются и приведены в таблице 2. Как уже упоминалось, свинцовое стекло легче поддается обработке, как говорят неонщики, оно <мягче>. Параметры цветного стекла зависят от его цвета. Это объясняется тем, что колорирующие (подцвечивающие) примеси по-разному влияют на свойства материала.

ТАБЛИЦА 2

Точка размягчения — это температура стекла, при которой становится возможным его формование, т.е. изменение геометрической формы в результате механических воздействий. Точка отжига и точка деформации определяют диапазон температурной обработки стекла (отжига). Отжиг необходим для ликвидации внутренних напряжении в стекле. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Если говорить о твердых материалах, хорошо проводят тепло те вещества, молекулярное строение которых образует кристаллические решетки, где электроны могут свободно перемещаться. Теплопроводность металлов высока, еще выше она у алмаза. Что касается аморфных структур, к которым относится и стекло, то их теплопроводность гораздо хуже. Именно по причине плохой теплопроводности стекла в нем возникают внутренние механические напряжения при переходе из жидкого состояния в твердое. Различные участки стекла неравномерно изменяют свои геометрические размеры в процессе нагрева и охлаждения, вследствие чего возникает внутреннее давление разных участков друг на друга. Напряжения отсутствуют в расплавленном стекле, где его частицы могут свободно перемещаться, но они возникают в процессе затвердевания. Если остывание происходит с большой скоростью, вероятность возникновения остаточных напряжений очень высока, так как процесс происходит неравномерно, а частицы, быстро теряя подвижность, не успевают перераспределиться под воздействием возникающих давлений. Это приводит к самопроизвольному разрушению изделия или к его чрезмерной хрупкости. Процедура отжига необходима именно для ликвидации внутренних напряжений. Для этого стекло нагревают до температуры, близкой к температуре размягчения, при этом, с одной стороны, частицы перераспределяются и напряжения исчезают, а с другой — температура не столь высока и изделие сохраняет свою форму. После этого стекло достаточно медленно остужают.

Коэффициент температурного расширения играет важную роль, когда приходится спаивать между собой трубки, сделанные из различных видов стекла. Это происходит гораздо чаще, чем может показаться на первый взгляд. Дело в том, что электроды, наиболее известные и популярные, изготовлены преимущественно из свинцового стекла, и когда необходимо сделать деталь из бессвинцового стекла с применением этих электродов (а это происходит постоянно), как раз имеет место спайка стекла двух разных типов. Та же ситуация возникает, когда в составе одной детали должны быть фрагменты разных цветов. Не всегда их можно реализовать из одного типа стекла. Но производители позаботились и об этом, и, как видно из таблицы 2, коэффициенты линейного расширения у разных типов стекла отличаются очень незначительно. Поэтому при изменении температуры окружающей среды и, как следствие, самой детали последняя останется целой. Если бы этот коэффициент для разных типов стекла сильно (более чем на 5-10%) различался, места спаек непременно разрушились бы при нагреве или охлаждении.

В предыдущей мы уже уделяли внимание люминофорам, коснувшись общих принципов их использования. Теперь перейдем к рассмотрению конкретных, предлагаемых производителями, цветовых оттенков.

Компания-изготовитель трубок присваивает конкретному оттенку цвета люминофора наименование на английском языке, а иногда и номер. Говоря об этих названиях, условимся в дальнейшем для краткости употреблять термин цвет трубки, имея в виду, конечно же, оттенок цвета свечения ее люминофора, а никак не цвет стекла, из которого эта трубка сделана.

Единство в наименованиях и характеристиках цветов трубок в мире во многом относительно и стандарта здесь нет. Трубки разных производителей, например EGL и TECNOLUX, с одинаковым названием, скажем blue (голубой), имеют разный оттенок свечения. Бывает и обратная ситуация — трубки идентичного цвета могут называться по-разному. Поэтому каждый производитель предоставляет свою палитру цветов выпускаемых трубок в виде полиграфических изображений, так называемых раскладок с обязательным указанием названия цвета. В том числе изображаются цвета свечения трубок из цветного стекла, как с люминофором, так и <чистых>. Часто раскладка отдельно отображает цвета свечения одних и тех же люминофоров при заполнении разными газами (неоном и аргоном с ртутью).

Раскладки дают не совсем верное представление о реальном свечении трубки, так как оттенок цвета никогда не может точно передать оттенок света. Дополнительные искажения вносят и дефекты полиграфии. Но, тем не менее, раскладки вполне пригодны для предварительного выбора и сравнения оттенков и используются повсеместно.

<Живые> палитры от производителя — комплекты настоящих трубок с устройствами питания — менее распространены. Как правило, их изготавливают непосредственно на неоновых производствах из приобретенных трубок и используют для окончательного выбора цвета.

Названия цвета, присваиваемые производителем, дополняются словесными образами, чтобы усилить меру отражения конкретного оттенка. Например: coral pink (коралловый розовый), lemon yellow (лимонный желтый), forest green (лесной зеленый), citrus orange (цитрусовый оранжевый), ruby red (рубиновый красный) и даже salmon rose (лососевый розовый).

Для удобства работы с трубками разных марок существуют таблицы взаимозаменяемости, в которых отражено соответствие спектров свечения люминофоров различных цветов и производителей.

Особым образом обозначается оттенок белого света. Видимый белый свет занимает лишь малую часть спектра и состоит из смеси излучений. Это, по крайней мере, стандартное объяснение. На самом деле белого света как такового не существует, просто человеческий глаз устроен так, что приписывает белый цвет смеси излучений с различными длинами волн, входящих в состав света, излучаемого тем или иным источником. Рассмотрим этот момент детально, ибо именно здесь постоянно возникает множество вопросов и проблем.

Для обозначения оттенка белого света используется понятие цветовой температуры. Оно заимствовано из области цветной фотографии, где было введено как попытка количественно охарактеризовать степень <теплоты> или <холодности> оттенка света. Понятие цветовой температуры описывается простым примером. Если электрокалорифер включить в сеть в затемненной комнате, то вначале его спираль не будет видна. По мере нагрева она становится тускло-красной, а затем ярко-оранжевой. Если увеличить мощность, подводимую к спирали, то она может стать почти белой, как электрическая лампочка. Для удобства описания используют температурную шкалу Кельвина (К). Среднее значение цветовой температуры полуденного солнца равно 5000 К, цветовая температура дневного света принята равной 5500 К. Вышеупомянутая лампа накаливания <теплее>, ее температура — 3200 К.

Трубки белого свечения, выпускаемые разными производителями, имеют диапазон от 2000 до 8500 К. Цветовая температура обязательно (за редким исключением, например у MASONLITE) указывается в наименовании цвета трубки, которое состоит из названия цвета, дополненного образной характеристикой. Например: Snowhite 6500 К — снежно-белый с цветовой температурой 6500 К. Этот оттенок относится к <холодным> белым цветам. Или Warm White 2800 К — теплый белый, 2800 К. По мере <потепления> белый свет приобретает все более красные или желтые оттенки, и самые теплые цвета уже кажутся не белыми, а розовыми (точно так же, как очень холодные кажутся голубыми). В неоновом производстве о таких трубках говорят не иначе, как о белых, коль скоро в их названии присутствует английское слово . Названия оттенков белого у разных производителей могут различаться при одинаковой цветовой температуре. Например, цвет Snowhite 6500 К взят из спецификации EGL; у TECNOLUX он называется Spectra 6500 К № 1, а компания GLOSTERTUBE производит трубки Standard White, имеющие все ту же цветовую температуру 6500 К.

У тех же <холодных> белых трубок производства перечисленных выше компаний, несмотря на одинаковую температуру (6500 К), оттенки белого света несколько различаются. Особенно это заметно при совместном использовании, когда детали, сделанные из трубок разных марок, расположены рядом. То же самое относится и к другим оттенкам, хотя имеются и совпадения. Например, <теплый> белый оттенок трубки TECNOLUX Warm White 2800 К № 44 идентичен таковому у трубки MASONLITE Warm White, что делает их взаимозаменяемыми.

Сказать, что электрод играет важную роль в работе неоновой трубки, значит не сказать ничего. Пожалуй, нет другого компонента неонового производства, который одновременно оказывает влияние на такое большое количество параметров конечного изделия. Яркость свечения детали, стабильность ее работы, срок службы, удобство и скорость изготовления, наконец, количество отходов производства — все это определяется парой маленьких металлических цилиндров с проводками, расположенных с торцов готовой детали.

Электроды для неонового производства выпускаются, как правило, теми же компаниями, что и трубки. Широкое распространение получили электроды всех вышеназванных производителей, кроме GLOSTERTUBE.

Устройство электродов разных марок очень сходно и несложно. Металлический стакан, являющийся собственно электродом, расположен в стеклянной колбе, от него отходит токоотвод U-образной формы, одновременно являющийся фиксатором стакана в колбе. Токоотвод выполнен из никелевой или платинитовои проволоки и закреплен к стакану сварной точкой. Верхняя часть токоотвода запрессована в так называемой лопатке. Внутри лопатки к торцам обоих <усов> токоотвода приварены отрезки витого проволочного жгута, которые выходят из лопатки и играют роль соединительных контактов. Благодаря такой многожильной конструкции контакты имеют повышенную гибкость и не склонны к обламыванию у основания, как это бывает с одножильными проводниками.
На фото видны электроды, из лопаток которых выходит отрезок стеклянной трубки. Это так называемые откачные электроды (их еще называют открытыми, штенгельными). Данный отвод служит для сообщения с внутренним пространством готовой детали при ее вакуумировании, заполнении газом, а если необходимо, то и подачи в деталь порции ртути. По окончании операций отрезок определенным образом глушится. Любая деталь имеет один откачной электрод с трубкой-отводом, а другой, называемый глухим или закрытым, соответственно без трубки. До появления откачных электродов в определенном месте детали делали отверстие путем точечного нагрева стекла, после чего припаивали к нему отрезок штенгельной трубки. Это увеличивало трудоемкость неонового производства.

Далее рассмотрим процесс работы электрода. Тлеющий разряд в трубке был рассмотрен в предыдущей статье, и роль в нем электрода с точки зрения теории более или менее ясна. Вспомним, что при питании детали переменным током оба ее электрода поочередно являются катодами, вследствие чего происходит распыление их материала. Этот процесс приводит к нескольким негативным результатам, отрицательно влияющим на потребительские свойства готовой детали.

Распыленный металл оседает на стенках трубки вблизи электрода. Через некоторое время там образуется зона коричневого, а затем черного налета, и светопропускная способность стекла в этом месте стремится к нулю. Кроме того, легким коричневым налетом покрывается изнутри вся деталь, и от этого яркость ее свечения уменьшается. Но еще более ощутимое падение яркости происходит за счет истощения материала электрода. Ввиду уменьшения площади его поверхности при неизменном рабочем токе температура электрода возрастает, что приводит к еще более интенсивному распылению. В конце концов деталь выходит из строя.

Каковы же конструкционные способы борьбы с распылением металла электродов? Прежде всего — их форма. В принципе, тлеющий разряд в трубке возможен при разных формах электрода — от плоской пластики до тонкой иглы. Однако не зря мы еще в предыдущей статье на иллюстрации тлеющего разряда изобразили электроды в виде цилиндров. Такая конструкция определена в результате долгих экспериментов, которые проводились с газоразрядными приборами на рубеже позапрошлого и прошлого веков, и обеспечивает наименьшее распыление металла. Это полый цилиндр с глухим закругленным торцом. В нем реализуется эффект концентрации напряженности поля внутри цилиндра, когда ионы газа взаимодействуют только с внутренней поверхностью электрода — так называемый эффект полого катода. В наше время такую форму имеют все электроды, применяемые в неоновом производстве.

Дополнительной мерой, препятствующей распылению, служит керамическая втулка, вмонтированная в стакан электрода. Принцип ее действия следующий. Как мы помним, поток ионов, двигаясь навстречу катоду, бомбардирует его металл. Самым первым на пути этого потока оказывается острая кромка стакана электрода. Фронтальная площадь поверхности кромки ничтожно мала, и на эту поверхность приходится большое количество бомбардирующих ионов, что приводит к значительному местному нагреву. Поэтому распыление металла происходит преимущественно с кромки электрода, в то время как его средняя часть <работает> значительно меньше.
Керамическая втулка, будучи электрически нейтральной, механически отсекает поток ионов от кромки, перераспределяя его на внутреннюю поверхность электрода. Нагрев и распыление металла происходит более равномерно, а срок службы электрода увеличивается. До сих пор выпускаются электроды без керамической втулки, где острая кромка стакана завальцовывается, однако большинство рекламных компаний давно отказались от их использования.

Интенсивность распыления металла с поверхности электрода сильно зависит и от режима его работы. Основным параметром является плотность тока, определяемая как удельное значение силы тока, протекающего через электрод, на единицу площади рабочей поверхности. Напомним, что при данной форме электрода рабочей является только внутренняя поверхность стакана. Диаметр стакана в большой степени ограничивается диаметром колбы электрода, которая в свою очередь должна соответствовать диаметру трубки, к которой этот электрод будет приварен. Поэтому при необходимости сделать электрод, рассчитанный на больший рабочий ток в пределах данного диаметра трубки, приходится увеличивать его длину. Чрезмерное наращивание длины приводит к тому, что электрод как несветовая часть трубки становится слишком заметным и приходится принимать сложные меры по его маскировке. Потому популярные электроды имеют длину не более 60-80 мм, а производители добиваются больших рабочих токов, увеличивая его плотность за счет применения при изготовлении стакана различных прогрессивных материалов и покрытий.

К материалу электрода предъявляется несколько важных требований. Во-первых, уже упомянутая устойчивость к распылению, во-вторых, низкое газоотделение, в-третьих, инертность к образованию соединений со ртутью. Ртуть мы будем подробно рассматривать ниже, здесь же отметим, что она имеет свойства вступать в реакцию с другими металлами и образовывать устойчивые соединения — амальгамы. При подобной реакции с материалом электрода последний разрушается, при этом расходуется и ртуть, яркость свечения трубки падает.

Сегодня электроды изготавливаются с применением современных технологий и новейших активирующих составов. Толщина стенки стального стакана составляет около 0,8 мм. Используется никелирование, а также нанесение слоя перекиси бария, танталовой пасты. Эти составы обладают высокой эмиссионной способностью, защищают металл от распыления и устойчивы к воздействию ртути. Именно благодаря такой технологии рабочая плотность тока электродов составляет вышеуказанные 3-8 мА/см2.

Основные газы неонового производства — неон и аргон — мы уже рассматривали в предыдущей статье. Вспомним, что эти газы отличаются плотностью и спектром свечения во время тлеющего разряда. Их физические свойства близки к свойствам идеального газа. Диапазон температур в трубке в самом экстремальном варианте имеет границы от -50 до +50 С. При постоянном объеме газа в трубке его давление будет изменяться пропорционально температуре, его максимальное процентное изменение не превысит 45%. При этом вспомним, что мы выбрали самый критический диапазон рабочих температур. На практике же процентное изменение давления газа в трубке при колебаниях температуры не превышает 20%.

Пары ртути, используемой в трубках для получения УФ-излучения, по своим свойствам существенно отличаются от газов. Но прежде несколько слов о самой ртути.

Ртуть, Hg (hydrargirum), — жидкий металлический элемент побочной подгруппы II группы периодической системы элементов, член семейства цинка — Zn, Cd, Hg. Символ ртути происходит от греческого слова, означающего <жидкое серебро>.

Свойства ртути
Атомный номер: 80
Атомная масса: 200,59
Температура плавления: -38,87 С
Температура кипения: 356,6 С
Плотность: 13,546 г/см3
Содержание в земной коре: 0,00005% (масс.)

Ртуть — серебристый металл, единственный из металлов жидкий при обычной температуре. Она положительно реагирует с металлами и образует с ними соединения и сплавы, которые называются амальгамами.

Обычно амальгамы образуются уже при простом контакте металлов с ртутью. Особенно легко ртуть образует амальгаму золота, из-за чего не следует допускать контакта с ней золотых изделий. Ряд металлов не образуют амальгам, среди них железо и никель. Эти металлы, как известно, применяются при производстве электродов.

Именно такие свойства ртути, как жидкое состояние и способность образовывать насыщенные пары даже при отрицательных температурах, определили ее использование в неоновых трубках. Как видно из свойств ртути, при температуре ниже -38,87 C ртуть переходит в твердое состояние, однако это не значит, что эксплуатация неоновых трубок при таких температурах невозможна. Во время тлеющего разряда должно выделяться некоторое количество тепла, достаточное для того, чтобы температура внутри трубки достигла точки (показателя) плавления ртути и образования ее паров.

Вернемся к вопросу о свойствах паров ртути. В том же, выбранном нами выше диапазоне температур, где давление аргона или неона меняется максимум на 40%, давление паров ртути может изменяться в 10 000 (!) раз. В результате при снижении температуры все большее количество ртути перестает участвовать в процессе ионизации и конденсируется на стенках трубки, интенсивность УФ-излучения снижается, яркость свечения трубки падает. Причем это явление наблюдается не только при <заполярных> жестоких морозах, но и при околонулевых температурах. Сам собой напрашивается вывод — необходимо увеличить количество тепла, выделяемое при работе неоновой трубки, чтобы она как бы прогревала сама себя. Существует несколько способов добиться этого. Первый, самый явный, — увеличить рабочий ток неоновой трубки. При этом тепловая мощность, выделяемая в трубке, увеличится пропорционально квадрату силы тока.

В странах с холодным климатом преобладают неоновые вывески с рабочим током 40 мА и более. Однако, когда необходимое значение тока превышает 80-100 мА, нужны специальные электроды больших размеров, да и трансформаторы, рассчитанные на такой ток, также имеют немалую массу и внушительные габариты.
Другим способом увеличения тепла является увеличение сопротивления, что также даст прирост мощности при неизменном рабочем токе. Сопротивление ионизированного газа зависит от массы атомного ядра. Для заполнения люминофорных трубок, которым суждено работать в условиях холодного климата, вместо чистого аргона лучше использовать смесь газов — неона с аргоном, а иногда и с добавкой гелия. Ниже приведены стандартные составы подобных смесей.

Варианты смесей:

Чистый аргон — 100% Аг

№ 50/В10 — 80% Аг, 20% Ne

К-4 или Н-Газ — 25% Аг, 75% Ne

В17 — 20% Аг, 80% Ne

№ 20 — 20% Аг, 78% Ne, 2% Не

Alaska mix — 20% Аг, 68% Ne, 12% Не

Самая распространенная из них — так называемая смесь К-4, состоит из 75% неона и 25% аргона. Нет, это не ошибка, применяемая вместо чистого аргона смесь, почти полностью состоит из неона! Благодаря этому трубка во время работы выделяет достаточно тепла для поддержания нужного количества ртути в парообразном состоянии даже в условиях суровых морозов. Конечно, это не означает, что, используя К-4, можно сколь угодно уменьшать силу тока — в тех краях, где столбик термометра имеет пагубную привычку опускаться до отметки -30 С и ниже, рабочий ток должен составлять не менее 40 мА. Это касается трубок диаметром 15 мм. Выше было отмечено, что количество выделяемой теплоты у тонких трубок диаметрами 10 и 12 мм больше, поэтому для них сила тока в тех же условиях может составлять 25 мА.

У внимательного читателя сразу возникнет вопрос — а зачем вообще в таком случае нужен аргон? Почему нельзя заправить трубку чистым неоном с добавкой ртути и получить как УФ-излучение, необходимое для возбуждения люминофора, так и достаточное количество тепла, выделяемого при работе детали? Ответ кроется в особом механизме ионизации паров ртути, о котором мы вскользь упомянули в предыдущей статье. Суть его состоит в том, что, в отличие от атома газа, атом ртути имеет значительную массу (это все-таки металл, хотя и в парообразном состоянии). Поэтому столкновение электрона с нейтральным атомом ртути не может привести к ионизации последнего, по крайней мере, при тех скоростях разгона электронов, которые имеют место в неоновой трубке. Атом ртути ионизируется в результате соударения не с электронами, а с ионами газа, имеющими значительно большую массу. Но даже ионы неона и гелия слишком легки для устойчивого протекания этого процесса. Энергия импульса, достаточная для ионизации атома ртути, выделяется только при столкновении последнего с тяжелым ионом аргона (или с еще более тяжелыми ионами криптона и ксенона). Поэтому некоторое количество аргона обязательно должно присутствовать в смеси, иначе ртуть в трубке не будет выполнять своей функции — испускания УФ-излучения.

По этому поводу возникает законный вопрос — если с использованием ртути связано так много проблем, нельзя ли обойтись вообще без нее? Все попытки полностью исключить этот капризный, вредный и недешевый металл заканчивались неудачей. По интенсивности УФ-излучения в тлеющем разряде пары ртути не имеют себе равных, оставляя далеко позади инертные газы. На данный момент существует только один способ отказаться от применения ртути, да и то в особых случаях. Это — применение газа ксенона.

Ксенон, пятый, самый тяжелый инертный газ (не считая радиоактивного радона) в тлеющем разряде излучает свечение крайнего УФ-диапазона, а в видимом спектре имеет темно-лиловый оттенок свечения. Сопротивление ионизированного газа при тлеющем разряде у ксенона самое низкое из всех инертных газов, поэтому при его свечении выделяется весьма незначительное количество теплоты. Интенсивность УФ-излучения ксенона выше, чем у аргона и неона, дополнительно ее можно увеличить, повышая рабочий ток неоновой трубки. Однако даже в этом случае яркость свечения люминофора будет ниже, чем при использовании ртути. В тех случаях, когда нет необходимости в высокой яркости вывески, ксенон вполне пригоден для использования. При этом реализуются все преимущества, которые дает исключение ртути — нечувствительность неоновой вывески к морозам, ускорение процесса производства, повышение экологической чистоты работ, наконец, ремонтопригодность деталей (даже незначительно поврежденные детали, содержащие ртуть, к повторным стеклодувным работам не допускаются и ремонту не подлежат). Особые перспективы имеет замещение ксеноном паров ртути в производстве деталей для декоративного оформления интерьеров. Здесь небольшая яркость из недостатка превращается в необходимое требование, особенно это касается жилых помещений. То же самое можно сказать про меньшее выделение тепла при использовании ксенона. Большим плюсом является также исключение опасности проникновения паров ртути в помещение при повреждении трубки.

Следует отметить, что оттенок свечения ксенона в видимом спектре отличается от такового у аргона, что приводит к появлению разных цветов свечения одних и тех же люминофоров. Кроме того, ксенон весьма недешев, так как его содержание в воздухе, из которого он добывается (как и все инертные газы), в 900 раз ниже, чем неона и в 600 тысяч раз (!) ниже, чем аргона.

Инертные газы и смеси для неонового производства выпускаются в стеклянных колбах или металлических баллонах. Основные производители все те же — EGL, ТЕС-NOLUX, MASONLITE. Колбы и баллоны приспособлены для герметичного подсоединения к откачным постам. В колбах объемом от 1,5 до 5 л газ находится под давлением ниже атмосферного, но выше, чем необходимо для заполнения трубок. В баллонах газ заправлен под давлением, превышающим атмосферное. В последнем случае в том же объеме находится гораздо большее количество газа, что делает баллон более практичным в использовании. В то же время колба более универсальна в плане подсоединения к различным (даже самодельным) стеклянным откачным постам. Оно может выполняться как посредством простого припаивания отводной трубки колбы к ответной трубке поста, так и соединением с помощью различных уплотнений. При этом, если необходимо, диаметр отводной трубки можно изменять, напаивая на нее отрезки переходных трубок. Для подсоединения баллонов используются штуцерные резьбовые соединения строго определенных типоразмеров.

Требования, предъявляемые к чистоте   газов,   весьма   высоки. Поставляемые смеси, как и чистый неон и аргон, содержат не более 10-5 относительной массы различных примесей, в основном это пары воды.

Все вышеперечисленные компании производят ртуть высокой степени очистки. Она поставляется в специальных тюбиках из особого ударопрочного стекла. Масса фасовки ртути в тюбиках 250-450 г.

автор Афанасьев А.
журнал «Вывески Реклама OUTDOOR» №9 2003 год