Home

 

Інертні гази

.
Як ми знаємо, провідником електричного струму в газосвітній лампі є газ. В перших лампах такого типу, виготовлених на початку минулого віку, використовувались
вугільні ангідриди або Азот. Оскільки ці гази не інертні, вони втрачалися протягом кількох тижнів, бо. в насиченій атмосфері газосвітної трубки вони змішувалися з матеріалами лампи, що погасала із-за нестачі провідника електричного струму. Неон побачив світ, коли в 1910 році Джордж Клод використав цей газ для вивіски в Парижі. Ця вивіска стала першою, вякійзастосували як наповнювач неон. Успіх і популярність цього відкриття були настільки великі, що Неон дав ім'я всій генеалогії газосвітних трубок, включаючи й ті, які його зовсім не містять.
Інертних газів всього п'ять, перераховуваних у порядку зростання атомної маси: Гелій, Неон, Аргон, Криптон, Ксенон. Їх також називають «благородними газами» або «рідкісними» із-за дуже малої поширеності. Хімічна інертність, тобто. нездатність брати участь у
хімічних сполуках, робить їх цілком негорючими й нетоксичними. Але в той же час впливає на їх загальні характеристики, які нам найцікавіші:  довге післясвічення всередині газосвітної трубки.
Індустрія неонових вивісок розвинулась при використанні практично у всіх випадках двох інертних газів: Неону, із-за його яскраво-червоного свічення і Аргону (або суміші Аргону й Неону) дякуючи його помірній ціні й перш за все дякуючи його великій здатності поглинати пари ртуті, які випромінюють дуже інтесивні ультрафіолетові промені, здатні збуджувати люмінофори різних відтінків.
На мою думку, інші три види газів теж мають цікаві характеристики. Корисно знати їх для того, щоб мати можливість найкраще відповідати вимогам ринку, які постійно міняються й ростуть. Також дуже актуально підкреслити, що багато із їх якостей ще невідомі й що їх застосування в газосвітних трубках з холодним катодом – область переважно не вивчена.
Даний підхід основується на простих фізичних характеристиках, на практичних спостереженнях і на вимірах, зроблених на зразках ламп із прозорого скла діаметром 15 мм, заповнених при тиску 9 тор при живленні 50 мА, 50 Гц. Він може викликати питання, на які можна буде дати відповідь тільки після проведення поглиблених наукових досліджень.
Наступна таблица дозволяє порівняти основні фізичні й електричні характеристики рідкісних газів та двох сумішей з ртуттю.

Атомна
масса
Потенціал
іонізації 
Вольт
Напруга
збудження
Для 1м. діам.15
9 тор
Вольт
Діюча
напруга
Для 1м. діам.15
9 тор
Вольт
Гелій
Неон
Аргон
Криптон
Ксенон
Ртуть (80% Аргон – 20% Неон)
Ртуть (75% Криптон – 20% Аргон)

4
20,2
39,9
83,8
131,3
200,6
200,6

24,6
21,6
15,8
14,0
12,1
10,4
10,4
950
600
750
500
450
235
150
1600
500
410
290
180
340
270

Потенціалом іонізації є енергія, виражена у Вольтах. Вона необхідна для того, щоб атом звільнював електрон. Напруга збудження вимірюється на пробних лампах, у яких, використовуючи регульований автотрансформатор, міняється напруга, зростаюча до того моменту, поки не почнеться свічення. Потім, розраховуючи різницю, поділену на 2 між триметровою й метровою лампами, ми одержуємо напругу збудження тільки газу. Діюча напруга вимірюється на тих же лампах – зразках, шляхом розрахунку можливого падіння на електродах (100 В).
Деякі спостереження:
В трьох випадках напруга збудження нижча діючої напруги при 50 мА: в трубках із чистим Гелієм і в трубках з ртуттю. Якщо в принципі розріджені гази поводяться як особливі провідники, в яких, у певних рамках, опір (і, в принципі, напруга) зменшується з ростом струму, в цих трьох випадках ми спостерігаємо протилежну поведінку.
Другий несподіваний момент стосується чистого Аргону, який, не дивлячись на свою низьку здатність іонізуватись, має високу напругу збудження, навіть вищу, ніж у Неону.
Тепер поговоримо про характеристики газів, розглядаючи кожен по черзі. Кожний газ показаний у виляді спектру випромінювання в полі видимого світла, кольорові координати «x», «y» (трикутник CIE ’39), яскравість (кандела на 1 м2), криві напруги в триметровій лампі – зразку при 50 мА (50 Гц).

Гелій

Х: 0,511 у: 0,397 кд/м2: 192 V RMS 4.904 Pk max: 6.240 Pk min: -6.400 Робоча температура: 78 ºС

Гелій – найлегший зі всіх благородних газів. Його атоми найменші й найпростіші. Тому він застосовується для виявлення найменших протікань в обладнанні з вакуумом і під тиском, якщо Гелій не проходить, то не пройде ні один газ із атомами більших розмірів. Ця характеристика дозволяє йому легко абсорбуватися матеріалами, з якими він знаходиться в контакті. На цю особливість слід звернути увагу перш за все при роботі з короткими лампами. У присв'яченій даному питанню літературі, щоб зменшити напругу в лампах, радять використовувати Гелій  з меншим тиском заповнення – приблизно на половину менше, ніж при роботі з Неоном. Але при цьому електроди швидко абсорбують практично весь газ, запущений у короткі трубки й ці трубки гаснуть через кілька днів. Щоб уникнути цього, необхідно збільшити тиск заповнення так, щоб, коли електроди вичерпають свою здатність абсорбувати, лишалось достатньо газу, щоб гарантувати трубці довгий життєвий цикл.
Свічення Гелію відносно інтенсивне, воно має блідо-рожевий колір і дуже мале ультрафіолетове випромінювання. На зорі епохи Неону Гелій використовувався для одержання білого свічення в комбінації з трубками з ртуттю, і для одержання жовтого кольору в кольоровому склі. Використання Гелію було практично припинене з винаходом люмінофорних речовин. Його недолік – підвищене споживання енергії, яке породжує підвищений нагрів (лампи – зразки працювали при температурі 78ºС!). По цій причині для нього необхідно застосовувати трансформатори з підвищеною потужністю. Однак, навіть враховуючи його аномальні характеристики, при зниженні струму можна живити трубку не такою високою напругою і при допустимій робочій температурі.
Одно з найцікавіших застосувань Гелію – використовувати його при бомбардингу. Він дозволяє довести трубку до необхідної температури не перегріваючи електроди. Коли щось пройшло не так під час або після першого бомбардингу і є необхідність повторити процедуру, це можна зробити, не опасаючись зіпсувати процес активізації трубки. Те ж відбувається при відновленні або ремонті. Також Гелій дозволяє краще бомбардувати трубки більших розмірів (наприклад, довжиною 6 метрів і діаметром 25 мм.). Дійсно, інколи трансформатор не дає потрібної напруги й виникає необхідність зменшити тиск,щоб збільшити струм для нагріву скла, а в результаті надто сильно бомбардуються електроди. Тиск Гелію від 5 до 10 тор достатній, щоб довести трубку до потрібної температури і при холодних електродах.
Враховуючи це, на мою думку, відкачний пост повинен передбачати можливість використання Гелію.

Неон

Х: 0,672 у: 0,324 кд/м2: 2033 V RMS 1.534 Pk max: 5.760 Pk min: -5.440 Робоча температура: 38 ºС

Видатна характеристика Неону в його дуже високому свіченні і в його червоно-оранжовому кольорі, генерованому дякуючи комбінації червоних і оранжових хвиль. Його свічення практично зовсім не містить ультрафіолету. Тому люмінофорна пудра функціонує тільки як «розсіювач» світла і може тільки незначно варіювати колір трубки.
Як і другі гази, які ми згадаємо нижче, Неон має «криву напруги» у вигляді високого піка на початку кожної півхвилі. Цей пік тим вищий, чим довше коло ламп. Він сильно підвищує вимоги до ізоляції кабелів і трансформатори «піддаються» пікам напруги, набагато вищої, ніж номінальна напруга трансформатора. Ці піки пояснюються тим фактом, що кожна півхвиля повинна наново відтворювати для себе умови іонізації газу з наступною абсорбцією енергії. Це не діє при живленні на високих частотах, бо тоді газ постійно іонізований із-за надто коротких півхвиль, які йдуть одна за одною так швидко, що газ не встигає втратити стан іонізації.

Аргон

Х: 0,328 у: 0,243 кд/м2: 9,23 V RMS 1.534 Pk max: 5.600 Pk min: -6.480 Робоча температура: 35 ºС.

Більшість звикла бачити Аргон у поєднанні з ртуттю, а тому буде дуже здивована, побачивши розташовані вище графіки. Дійсно, цей газ не має голубого кольору, як більшість сподівалась. Крім того, він має технічні характеристики, дуже схожі з характеристиками Неону. Чистий розріджений Аргон генерує свічення малої інтенсивності (в 200 раз слабше, ніж Неон) кольору мальви, дякуючи комбінації екстремального червоного кольору (для нас практично невидимого) і слабкого голубого світла. Крім цього він видає слабке ультрафіолетове випромінювання. 
Крива напруги демонструє піки, такі ж высокі, як у Неону, але упорядочені на нижчих рівнях. 
Його колір мальви особливо приємний і м'який у прозорому склі малого діаметру і здобуває глибокий фіолетовий відтінок в голубому склі й красивий темно-червоний колір в червоному склі.

Криптон

Х: 0,255 у: 0,211 кд/м2: 6,86 V RMS 623,2 Pk max: 2.960 Pk min: -3.760 Робоча температура: 28 ºС.

Це найрідкісніший і найважчий інертний газ. Спектр його випромінювання дуже широкий. Його свічення дуже слабке, колір лілово-голубий. Але його ультрафіолетове випромінювання достатньо сильне. Він створює характерний тонкий розряд.
Крива напруги показує, що пік і діюча напруга – найнижчі порівняно з усіми іншими чистими газами.
При однаковому струмі його споживання, а також світловіддача приблизно в 2 рази менші, ніж у трубки з Аргоном і ртуттю. Для повномірної експлуатації, в принципі, потрібні трансформатори, спеціально передбачені для даного випадку, здатні витримувати підвищений струм.
З трубками, покритими люмінофором і на даний момент пропонованими, він здатний створювати широку гамму кольорів. При цьому він може достатньо збуджувати люмінофорну пудру. Його низька видима світловіддача може бути перевагою, бо.не «забруднює» колір люмінофорного свічення, яке створює живіші тони. Наприклад, досягається прекрасний жовтий колір, навіть у зонах посиленої обробки й вузьких перегинів, без застсування кольорового скла.
Проблема функціонування трубок зимою, в суворих кліматичних умовах, виникаюча із-за конденсації парів ртуті, зникає на корені.
Вивчаючи люмінофорні покриття, більше пристосовані до ультрафіолетового випромінювання й збільшуючи робочий струм, ми бачимо, що Криптон міг би в майбутньому бути кращою альтернативою, ніж суміші зі ртуттю, не будемо про це забувати, токсичним металом.

Ртуть в 80% Аргоні – 20% Неоні.

Х: 0,221 у: 0,243 кд/м2: 756 V RMS 1.102 Pk max: 2.920 Pk min: -2.800 Робоча температура: 35 ºС

Суміш 80% Аргону і 20% Неону з ртуттю – це найпоширеніше рішення в лампах холодного свічення. Мета добавки Неону полягає в підвищенні робочої температури для зменшення конденсації ртуті на холоді. Мені незрозуміла переконливість цих мір, бо різниця робочої температури трубки з Неоном і трубки з Аргоном складає всього кілька градусів.
Ці суміші мають найвищу здатність до абсорбції парів ртуті. Саме їх, пари, як транспортний засіб, і вибирає струм. Інертні гази грають лише допоміжну роль.
В спектрі видимої світлопередачі нема й сліду від довжин хвиль, типових для Аргону й Неону. Ртуть знижує й показники напруги, особливо напруги збудження, а також піки.
Видиме світло дуже інтенсивне, розташоване по краях. Зовсім нема червоного кольору.
Голубий колір виходить із суміші зеленого й синього. Кольорове скло може діяти, як дуже ефективний фільтр, на сильно відмінні краї кольору. Але, без застосування люмінофора, крім червоного також неможливо створити жовтий колір. В діесності, жовте скло абсорбує тільки синій колір, але не зелений. Саме дякуючи своєму дуже інтенсивному ультрафіолетовому випромінюванню, розряд у парах ртуті творить більшу частину широкої гамми кольорів, які ми бачимо на світлових вивісках і в лампах холодного свічення. Люмінофор перетворює ультрафіолет у видиме світло по всій ширині спектру. Єдиний негативний момент у тому, що видима частина випромінювання газового розряду бере участь у змішуванні світла в лампі, перемішуючись із кольором, що продукується люмінофорною пудрою, «забруднюючи» його й роблячи його блідішим. Якщо ви хочете цього уникнути, слід використовувати кольорові фільтри, такі як кольорове скло, які поглинають небажану частину світла розряду, створюючи насичені й приємні для сприймання кольори.

Ртуть в 75% Криптону – 25% Аргону.

Х: 0,222 у: 0,258 кд/м2: 405 V RMS 908,6 Pk max: 3.680 Ok min: - 3.600 Робоча температура: 32 ºС

В таких лампах ми бачимо, що Криптону (із-за свого низького рівня іонізації) вдається відмовити ртуті в ролі ексклюзивного транспортного звсобу електричного струму. І ми це можемо спостерігати, виходячи з таких сигналів: у світловому спектрі виникає пік яскраво-червоного кольору (для нас невидимий), що є стороннім для спектру ртуті і який, навпаки, є зоною найбільшої передачі Криптону. Діюча напруга зменшується (порівняно з сумішшю Аргону й Неону), в той час як піки зростають. Зрослі піки напруги типові для ламп, заповнених чистим газом (за винятком Гелію). Яскравість зменшується і колір злегка зміщується в бік білого.
Дана суміш може бути цікавою альтернативою суміші Аргону й Неону: взамін меншої яскравості (иноді доречної), вона споживає менше енергії й має меншу тепловіддачу. Це також часто означає, що можна зекономити на кількості трансформаторів.
Із-за нижчої робочої температури ця суміш є не дуже придатним варіантом для ламп, розташованих зовні в умовах холодного клімату, що може спровокувати конденсацію ртуті.


На завершення я хотів би відмітити, що звичайно використовувані відкачні пости не пропонують можливість зручно міняти газ для заповнення трубок. Традиції надто консервативні тільки на двох альтернативах – Неоні й суміші. Проблема на сьогоднішній день полягає в тому, щоб знайти легке рішення с незначними змінами самого поста. Гази й суміші, які ми тут розглянули, завжди є у нас в наявності.

Президент групи «Технолюкс»
пан Бруно Такконі.
(переклад з італійської)