Страница 19 из 150
ЛАБОРАТОРИЯ (лабораторная технология)
Изготовление газоразрядных источников света для лабораторных целей и многое другое
Бондаренко Ю.Н.
Как ни странно, для создания уникальных физических приборов наука до сих пор часто нуждается в услугах так называемых «народных умельцев», которые могут изготовлять всё, что нужно экспериментатору и если не на высшем уровне, зато по индивидуальным заказам экспериментаторов. При этом чаще всего приходится прибегать к приёмам кустарного производства.
Это, в частности, касается и изделий из стекла.
П.Л. Капица смог поставить некоторые из своих уникальных экспериментов только потому, что у него работал отличный мастер — стеклодув Петушков. После того, как в Англии умер скромный мастер — оптик, возникли сложности с получением сверхточных плоскостей к интерферометрам Фабри-Перо, а уход на другую работу химика в США Затруднил изготовление йодных ячеек для спектроскопии высокого разрешения.
Эти факты показывают, что, во первых, изготовление уникальных, часто единственных в мире изделий и, соответственно, постановка эксперимента, может зависеть от случайностей. С другой стороны, нельзя терять тот опыт, который приобретается годами и безвозвратно уходит вместе с мастером.
Следует помнить, что технические возможности всё время расширяются, меняется экспериментальная база. Было бы неправильно время от времени не издавать такие книги, как книга Стронга «Практика современной физической лаборатории» или Аггенера «Техника физического эксперимента». В эту же серию можно внести книгу Зимина «Стеклодувное дело» и многие другие.
(Большой список этих книг мы приводим в конце, но он, конечно, далеко не полный). Мы хотим обратить внимание читателя на вот какой факт: первые две написаны экспериментаторами-физиками, а третья — узким специалистом высокого класса.
У обоих типов авторов есть свои недостатки. С одной стороны — недостаточный профессиональный рабочий навык у физиков, которых более всего интересует сам эксперимент, а у профессионала-стеклодува ниже уровень понимания «физики изделия», которую он постигает больше руками, чем головой и понимания значения изготовляемого прибора в комплексе эксперимента.
Автора этой книги трудно упрекнуть в недостаточной разносторонности, хотя он и изрядно поглупел за период «демократических преобразований», но ещё кое-что умеет и решил свой практический опыт не «зарывать в землю». Приведенные в этой книге сведения и приёмы найдены или самим автором или взяты из литературы. В большинстве случаев они не снабжены сносками. Каждый читатель вправе считать их своими и применять на благо науки и людей по своему усмотрению.
Глава 1. Стекло как материал
Большинство газоразрядных приборов (а к ним мы относим и вакуумные лампы) имеют стеклянную оболочку. О свойствах стекла написано очень много. Мы приведём только самые важные, на наш взгляд, сведения, а подробности следует искать в специальной литературе, список которой приведён в конце книги. Мы же укажем на специфические трудности именно единичного и мелкосерийного производства в условиях лаборатории.
Они таковы: часто приходится пользоваться стеклом случайного происхождения, и таким, которое долго хранилось в неподходящих условиях.
Из этого стекла приходится делать детали, которые в дальнейшем спаиваются между собой и с металлами на стеклодувной горелке. Учитывая тот факт, что только термостойких стёкол типа «Пирекс» существует несколько сортов отечественного и зарубежного производства и они имеют коэффициент теплового расширения отличающийся, хотя и незначительно, друг от друга, бесконтрольное их применение может привести к растрескиванию уже готовых изделий, в том числе и у заказчика.
Спаивать стёкла одной плавки можно без ограничений, но в пределах даже одного класса стёкол (например, молибденовых) контроль уже необходим.
Поэтому предметом первой необходимости при наших работах будет поляриметр для контроля натяжений в деталях и готовых изделиях. Разумеется, применяться он будет как полярископ, то есть для качественных измерений, которых в нашем случае вполне достаточно. Как показали наблюдения автора, стеклодувы-профессионалы «ремесленного» типа таким контролем пренебрегают, полагаясь на многолетнюю практику. Это в корне неверно. Поляриметр для стеклодува должен быть таким же повседневным инструментом, как штангенциркуль для токаря.
Если нет полярископа промышленного изготовления, то следует изготовить хотя бы самодельный из стопы стеклянных пластин вместо поляризатора и поляризационного светофильтра от фотоаппарата вместо анализатора.
Обойтись без него можно либо для простых изделий, типа пробирки, да и то не всегда, либо в случае, если для уже известных, освоенных в производстве изделий применяется надёжный контролируемый отжиг.
С другой стороны, учитывая тот факт, что наличие видимых натяжений ещё не ведёт фатально к появлению трещин, и изделия на переходных стёклах, имеющие натяжения в допустимых пределах, вполне работоспособны в течении многих лет, следует подходить к вопросу о натяжениях, сообразуясь с опытом. В любом случае, если стекла в спае имеют отличный друг от друга К.Т.Р., весьма желательно изготовить несколько модельных спаев, поцарапать их ножом для резки стекла и оставить на несколько дней. Если появятся трещины, то таких спаев следует избегать (о том, как проверить соответствие к.т.р. спаиваемых стёкол друг другу — смотри ниже).
Состояние поверхности стекла имеет первостепенное значение как для стеклодувных работ, так и для готовых изделий. Сильно загрязнённое жиром стекло следует промыть чистым растворителем и протереть влажной тряпочкой
После этого стекло не должно иметь видимых загрязнений. Если они остались, то трубку следует промыть слабым (5 %) раствором азотной, а при нерастворимых и прочно сидящих на поверхности стекла загрязнениях — и плавиковой кислоты или бифторида натрия (фтористый натрий и какая-либо кислота по 5 %).
Эта операция может привести к матированию поверхности некоторых стёкол, поэтому её следует применять с известной осторожностью (впрочем, заматированная таким образом трубка становится прозрачной после обработки на стеклодувной горелке). Обработка стекла кислотами с целью очистки эффективна только в том случае, если оно не загрязнено жиром. Мелкие изделия из стекла можно очищать от органики обжигом на пламени горелки или в печи для отжига с последующим травлением. При этой операции необходимо следить, чтобы не «поднять» с поверхности стекла загрязнения типа ртути, селена, мышьяка и других легко летучих ядовитых веществ. Подобные работы, особенно со стеклом, бывшим в работе у химиков, необходимо делать только под хорошей тягой. Вообще говоря, химики должны тщательно очищать ту аппаратуру, которую они отдают в ремонт, но излишняя перестраховка здесь более уместна чем небрежность.
Протирать трубки изнутри можно или продёрнув сквозь неё шнурок с привязанной чистой тряпкой — или с помощью длинного шомпола из металла (лучше нержавейки), проталкивая сквозь трубку комок влажной ваты.
Арбузов — химик и стеклодув — в своей книге, ныне ставшей раритетом, предупреждает от возможности нанесения царапин на внутреннюю поверхность трубки при её протирке. Это особенно важно при работе со стёклами, имеющими большой к.т.р. (платиновые стёкла) и толстыми стенками
При быстром нагреве на горелке трубки с царапиной на внутренней поверхности она может растрескаться. Нагрев происходит неравномерно. Во внешнем слое трубки возникают напряжения сжатия. А внутренний слой с царапиной — будущей трещиной — растягивается (рис. 1).