Страница 50 из 150
Для трубок, работающих с молекулярными газами — водородом, парами серы и тому подобными веществами следует учитывать высокую реакционную способность не инертных газов. При этом начинают играть роль явления адсорбции, химические реакции на электродах, полимеризации. Со стеклом неметаллы реагируют слабо и эти реакции можно не учитывать. Трубки с молекулярными газами разделим на две группы: водородные и все остальные. Водородные мы опишем подробно, а относительно прочих — ограничимся общими замечаниями, тем более, что подходы, рассмотренные по отношению к водороду, можно будет распространить, с некими ограничениями, и на них.
Глава 24. Трубки с атомарным водородом.
Атомарный водород является веществом с наиболее простым и понятным спектром. Он широко применяется в учебных и исследовательских лабораториях, а также для демонстрационных целей. Каждая уважающая себя школа (кроме «демократической», в которой подонки-учителя с помощью книжечек «от Сороса» из ребёнка стараются сделать обезьяну) должна иметь такие трубки в своей физической лаборатории. Те трубки, которые делают (или делали) для школ, имеют, к сожалению, никуда не годную конструкцию, малый срок службы и сильный непрерывный фон из молекулярных линий. С трудом в их спектре можно отыскать линию НЬ, а остальные не видны вообще (даже на фотографии). Плохо эти трубки работали потому, что их конструкторы подошли к работе без знания происходящих в этих трубках процессов. Трубки с водородом для школьных лабораторий являются простой копией трубок с инертными газами.
Получение хорошего атомарного спектра требует знания процессов, происходящих в трубке при её работе.
В условиях газового разряда водород может давать как молекулярный (квази непрерывный), так и атомарный спектры.
Лампы с непрерывным спектром широко применяются для абсорбционного анализа. Называются они «ДВС» и бывают мощностью до 250 вт (с водяным охлаждением).
Разумеется, в газовом разряде этих ламп непрерывно идёт атомизация водорода, но разрядный капилляр в таких лампах сделан из металла. И на его чистой поверхности атомарный водород вновь рекомбинирует до молекул. Металлы группы железа и вольфрама являются прекрасными катализаторами рекомбинации водорода, поэтому, стараясь получить атомарный спектр, их следует всячески избегать.
Для получения хорошего атомарного спектра следует иметь атомарный водород в возможно более чистом виде. Учитывая тот факт, что всегда будет идти рекомбинация, надо подавить, по возможности, этот процесс и обеспечить достаточно интенсивное возбуждение атомов водорода.
Первым и необходимым условием для этого будет применение разрядного капилляра с поверхностью, на которой не происходит интенсивной рекомбинации. Его можно сделать из кварца или из стекла, покрытых плёнкой сорбированной воды. Такая плёнка удерживается на стекле при нагреве до ста-ста пятидесяти градусов и резко замедляет рекомбинацию водорода (видимо из-за плохой его адсорбции на такой поверхности).
Далее: Необходимо уменьшить рекомбинацию атомов водорода в объёме газа и затруднить их диффузию к стенкам капилляра. Эти задачи достигаются добавкой в трубку буферного газа — гелия при давлении 5-20 мм рт. ст… Имея самый высокий из всех газов потенциал ионизации (21 эВ), он позволяет возбуждать находящийся в нём в виде малой примеси водород (13 эв) без сильного высвечивания линий самого гелия. К тому же, спектр гелия достаточно беден и его линии легко могут быть подавлены или отделены от водородных другими способами. Аргон также можно применять, но его спектр богаче, и такая замена не имеет смысла.
Далее, водород в трубку следует вводить в очень малых количествах, чтобы его примесь была полностью атомизирована и не возникал непрерывный спектр молекул типа Н2, Н3, ННе и тому подобных.
Итак, в трубке должна быть вода. И водород. Последний легко получается в разряде из воды, так что его специальное введение оказывается излишним.
Поскольку малые примеси молекулярного газа очень быстро поглощаются в условиях разряда, то в трубке необходимо иметь некоторый запас воды, которого должно хватать на всё время работы, то есть до того времени, пока трубку разобьют у пользователя (именно этим, как показала практика, и определяется срок службы). Запас воды в трубке удобно хранить в сорбированном виде. Но тогда давление её паров зависит от температуры и появляется возможность его регулировать в процессе работы.
Окончательно мы пришли к такой конструкции (рис. 36).
Гейслерова трубка из молибденового стекла с железным катодом из материала консервной банки, отожжённом в водороде и окисленным прогревом в пламени с последующим охлаждением на воздухе. Она снабжается анодом в виде железного цилиндрика, в котором проволочным кольцом укреплена таблетка из цеолита. Род цеолита не играет особой роли, но он не должен быть загрязнён органикой. Наверняка вместо него можно применять алюмогель или силикагель, но мы работали только с цеолитом, что было вызвано исключительно его наличием, возможностью изготавливать из него аккуратные таблетки с помощью напильника или наждачной бумаги и термостойкостью, позволяющей очищать его кратковременным нагревом анода до слабого свечения. Объём таблетки в 20 мм3 вполне достаточный.
Катод делался из свёрнутого листа с зазорами около полутора миллиметров, что создавало на отдельных его участках эффект полого катода и уменьшало распыление. Наверняка катод можно делать и из нержавейки, пермаллоя или никеля.
Рядом с катодом помещался геттер. Делался он следующим образом: Стружка из магния отжигалась в стеклянной трубке при температуре около 400 градусов. После этого она плотно наматывалась на проволоку из молибдена, являющуюся вводом, и поверх неё наматывался нихром диаметром в 0,3 мм для защиты магния от огня при заварке и крепления его к вводу. Остеклованные вводы заваривались в трубку. Она споласкивалась изнутри дистиллированной водой, которая затем сливалась через штенгель и её остатки испарялись в вакууме масляного насоса с газобалластом. Трубка включалась в обратной полярности и производился нагрев анода током разряда для удаления сорбированной воды из цеолита. Нагрев продолжался до тех пор, пока анод не начинал слабо светится и катодное тёмное пространство вокруг него не достигало размера порядка десяти миллиметров.
Затем в трубку напускался гелий до нескольких мм рт. столба и производился прогрев разрядом всех электродов. Катод грелся докрасна, а геттер — до первых признаков распыления. В процессе этой очистки газ несколько раз сменялся. Прогрев стекла трубки производился горелкой до жёлтого свечения.
Охлаждённая трубка заправлялась каплей воды. Если надо было получить одновременно линии обычного водорода и дейтерия, то использовалась смесь обычного дистиллята с тяжёлой водой в соотношении один к одному (пользоваться для получения трёх линий смесью обычной, тяжёлой и сверхтяжёлой водой следует с крайней осторожностью, так как тритий радиоактивен).
Окончательно заправленная водой трубка быстро откачивалась до давления паров воды (около 20 мм рт. столба), после чего гибкая хлорвиниловая трубка, через которую производилась откачка, пережималась на несколько минут (предполагалось, что за это время цеолит сорбирует достаточное количество воды).
После этой операции трубка откачивалась до обычного предельного давления насоса (около 5∙10-2 мм рт. столба). Затем она наполнялась гелием до 10–12 мм рт. ст. и на катод-анод подавался рабочий ток в прямой полярности. Сила тока выбиралась равной рабочей — 20 ма. Если трубка после прогрева в течении нескольких минут давала хорошее малиновое свечение и чистый спектр, то она отпаивалась от поста, если нет, то газ несколько раз откачивался и сменялся при горящем разряде, для удаления избытка воды.